Open CASCADE Foundation Classes
Open CASCADE基礎類
eryar@163.com
一、簡介
1． 基礎類概述 Foundation Classes Overview
本文將對Open CASCADE中的基礎類進行介紹及如何使用基礎類。更多信息可訪問其官網(wǎng)：www.opencascade.org/support/training/。 基礎類庫提供了一些通用功能，如自動動態(tài)內(nèi)存管理、集合、異常處理、泛型編程和plug-in的創(chuàng)建。基礎類庫包含如下內(nèi)容：
l 基類(Root Classes)：主要由包Standard和MMgt實現(xiàn)；
n 基本數(shù)據(jù)類型，如：Boolean, Character, Integer, Real；
n 動態(tài)創(chuàng)建對象的安全手柄(Safe Handle)技術，確保未被引用對象自動銷毀；
n 可配置的最優(yōu)化內(nèi)存管理提升程序性能；
n 可擴展的運行時類型信息(RTTI)機制為創(chuàng)建復雜程序提供便利；
n 異常的管理(Management of Exceptions)；
n 封裝C++的流；
l 字符串(Strings)：
n 字符串的類可以處理動態(tài)大小的字符數(shù)組，ASCII(通常8位的字符)和UNICODE(16位字符)都支持；字符串是由包TCollection實現(xiàn)；
l 集合(Collections)：
n 集合就是用來處理大小不固定的數(shù)據(jù)的類。集合中的類是泛型的，即通用的。當需要使用某種集合時，只需要實例化一種元素類型。
n 集合包含一系列通用的類，如：長度變化的數(shù)組、鏈表、棧、隊列、哈希表；
l 標準對象的集合(Collections of Standard Objects)：
包TColStd提供經(jīng)常使用的包TCollection和Standard中類的實例。
l 矢量和矩陣(Vectors and Matrices)：
這些類提供矢量和矩陣常用的數(shù)學算法和基本計算，如：加、乘、轉置、變換等；
l 基本幾何元素(Primitive Geometric Types)：
Open CASCADE基本幾何圖元類型和代數(shù)實體是STEP格式兼容的；功能如下：
n 初等幾何形狀的描述：
1. 點Points；
2. 矢量 Vectors；
3. 線 Lines；
4. 圓和二次曲線 Circles and Conics;
5. 平面和初等曲面 Planes and elementary surfaces；
n 通過軸axis或坐標系統(tǒng)在空間中或平面上放置這些形狀；
n 為這些形狀定義和應用幾何變換：
1. 平移 Translations;
2. 旋轉 Rotations;
3. 鏡像 Symmetries;
4. 縮放變形 Scaling transformations;
5. 組合變形 Composed transformations;
n 代數(shù)計算工具(坐標和矩陣)；
l 通用的數(shù)學算法(Common Math Algorithms)：
Open CASCADE通用數(shù)學算法庫提供最常用的數(shù)學算法的C++實現(xiàn)，包含：
l 線性代數(shù)方程組的求解；
l 單變量或多變量的函數(shù)的極小值的求解；
l 非線性方程（組）的求根；
l 矩陣特征值的求解；
l 異常處理(Exceptions)：
提供了常用異常類的層次，都繼承自Failure。異常描述的是程序運行時出現(xiàn)的意外情況。通常情況下，程序遇到異常是會退出的。程序?qū)Ξ惓Ｇ闆r的處理就叫做異常處理。
l 量度(Quantities)：
OCCT中有各式各樣的類來支持日期和時間信息，及對大多數(shù)物理量的表示，如長度(length)、面積(area)、體積(volume)、密度(density)、質(zhì)量(mass)、重量(weight)、溫度(temperature)、壓力(pressure)等。
l 程序服務(Application Services)：
基礎類庫也包含用于創(chuàng)建自定義和用戶友好的Open CASCADE程序的幾個低級功能。如：
n 單位轉換工具：提供統(tǒng)一的機制來處理量及其相關的物理單位，檢查單位的兼容性，在不同的單位制之間轉換。具體可參考包UnitsAPI。
n 表達式的基本解釋器，為自定義腳本工具的創(chuàng)建提供條件，表達式的通用定義等。具體可參考包ExprIntrp。
n 處理配置資源文件的工具，具體可參考包Resource；自定義消息文件，具體參考包Message；這些工具使程序?qū)Χ喾N語言的支持變得容易。
n 進程標示器和用戶中斷接口，使低級算法以統(tǒng)一和便利的方式與用戶交互成為可能。
以上的具體內(nèi)容將會在后面詳細介紹，并根據(jù)功能編寫簡單程序以示其用法。關于基礎類更具體的描述請參考：Foundation Classes Reference Manual。
2． 基本概念 Fundamental Concepts
使用面向?qū)ο缶幊陶Z言組成的系統(tǒng)通常是以數(shù)據(jù)類型為中心而不是以作用于數(shù)據(jù)的操作為中心。在這種情況下，一個對象就是一種數(shù)據(jù)類型的實例，每種數(shù)據(jù)類型由一個或多個其他類來實現(xiàn)，即使用對象組合。在Open CASCADE中類通常由CDL(CASCADE Definition Language)來定義，這就確保了所有類的實現(xiàn)都很相似，關于CDL可參考《CDL 用戶指南》。本章介紹的基本概念大多是由CDL直接支持的，不僅在基礎類中使用，而且將會貫穿整個Open CASCADE的庫中。
2．1 模塊和工具箱 Modules and Toolkits
整個Open CASCADE庫由一系列的模塊(Module)組成。本文講述的正是這些模塊中的第一個：基礎類(Foundation Classes)，這個模塊提供的是一些基本功能，也被其他所有模塊所用。每個模塊包含一個或幾個工具箱(Toolkits)。從物理上來講，一個工具箱就是一個共享的庫(shared library)。一個工具箱由一個或幾個包(package)生成。
即在Open CASCADE中，模塊由工具箱組成，工具箱由包組成，每個包就是由相應的類來實現(xiàn)相應的功能。理解它的組織結構，對編程還是很大幫助的，不會對其龐大的源文件所嚇到，可以有的放矢。
打開Open CASCADE Reference Documentation，可以看到OCCT包含以下幾個模塊：
打開基礎庫模塊，其由以下工具箱組成，如圖所示：
打開Toolkit TKernel工具箱，其由以下包組成，如圖所示：
這種組織結構在其文檔中表現(xiàn)得已經(jīng)很清晰了。經(jīng)常查看此幫助文檔，一般的內(nèi)容基本可以查到。
2．2 包 Packages
包是由在語義上相近的一些類組成。如幾何包(Geometry package)可能包含點、線、圓的類。包也可包含枚舉類型、異常和包的方法函數(shù)。實際上，類名前會加上包的名字，如：Geom_Circle。包中描述的數(shù)據(jù)可能包含一些以下數(shù)據(jù)類型：
l Enumerations;
l Object classes;
l Exceptions;
l Pointers to other object classes;
包中兩種數(shù)據(jù)類型不能是相同的名字。包的組成如下圖所示：
方法(Methods)既可以是函數(shù)(Functions)，也可以是過程(Procedures)。函數(shù)返回一個對象，而過程只處理傳遞的參數(shù)。方法分以下三種情況：
l 對象構造函數(shù)(Object Constructor)：創(chuàng)建類的一個實例。類可能有一個或多個構造函數(shù)，即通過參數(shù)的不同來重載了構造函數(shù)。
l 實例方法(Instance method)：操作作用于它屬于的實例；即類中普通函數(shù)；
l 類方法(Class Method)：可以直接使用類名來操作的方法，即類中的靜態(tài)函數(shù)；
2．3 類 Classes
面向?qū)ο蟮能浖_發(fā)最基礎的部件就是類。類是數(shù)據(jù)類型(Data Type)的一種實現(xiàn)。通過函數(shù)定義其行為(Behavior)，通過類的數(shù)據(jù)來定義其表現(xiàn)(Representation)。類分為以下三類：
l 普通類Ordinary Classes;
l 滯后類Deferred Classes;
l 泛型類Generic Classes;
滯后類(Deferred Classes)不能被實例化，即是含有純虛函數(shù)的抽象類。使用這種類的目的是使派生自這個類的所子類共享行為并由子類來實現(xiàn)具體的行為。C++中與CDL的滯后類(Deferred Class)等效的類就是抽象類(Abstract Class)。
泛型類(Generic Class)為操作其他數(shù)據(jù)類型提供一些基本函數(shù)。對泛型類的實例化需要將數(shù)據(jù)類型作為參數(shù)傳遞之。C++中與CDL中泛型類功能相同的就是模板(Template)。
2．4 泛型 Genericity
泛型的實現(xiàn)分兩步。首先，聲明泛型類創(chuàng)建模型；然后，通過指定泛型的類型來實例化類。
l 聲明泛型類(Declaring a Generic Class)：Open CASCADE中的泛型類與C++中帶顯式實例化的模板的意圖類似。泛型類在當要操作不固定類型的數(shù)據(jù)元素時在CDL中聲明，聲明其作為泛型類的參數(shù)。可以對這些泛型類作些約束，使其成為已經(jīng)定義的類的子類。定義泛型類并沒創(chuàng)建C++中新的類，只是為生成實際的類定義了一種模式。
l 實例化泛型類(Instantiation of a Generic Class)：當泛型類實例化時，參數(shù)類型會被真實的類型替換。實例化的結果是創(chuàng)建了一個名字任意的新的C++類。通常這樣約定，實例化的類名由泛型類名和真實類型名組成。如：
聲明位于包TColStd中一個CDL文件定義了一個新的C++類TColStd_Array1OfReal作為泛型類TCollection_Array1將實型作為其實例參數(shù)的類。泛型類也不允許繼承。泛型類也可作為滯后類。泛型類也可將滯后類作為其實例化的參數(shù)。
l 泛型類的嵌套(Nested Generic Classes)：
2．5 繼承 Inheritance
繼承的目的是為了減輕開發(fā)的勞動量。繼承機制從已經(jīng)存在的類創(chuàng)建新的類，并保留原來類的一些特性。如：已經(jīng)開發(fā)了個BankAccount，可以通過繼承很快得到新的類：SavingsAccount, LongTermDepositAccount, MoneyMarketAccount, RevolvingCreditAccount, 等……
2．6 數(shù)據(jù)類型的分類 Categories of Data Types
Open CASCADE中數(shù)據(jù)分為兩大類：
l 由手柄(Handle)控制的數(shù)據(jù)類型；Data types manipulated by Handle(or Reference);
l 由值(Value)控制的數(shù)據(jù)類型；Data types manipulated by Value;
數(shù)據(jù)類型是由類來實現(xiàn)的。類不僅定義其數(shù)據(jù)和實例可用的方法，還對其對象的實例化提供建議。由值控制的變量類型包含自己的實例，由手柄控制的變量包含實例的引用。由值控制的變量類型是預定義的原子類型，如：布爾型、字符型、整型、實型等……由手柄控制的類，當其未賦值時其值為null，通過構造函數(shù)來實例化。如：
在Open CASCADE中，手柄是特定的類用來安全地釋放動態(tài)內(nèi)存，提供引用計數(shù)機制和自動銷毀未被引用的對象。這也是智能指針。
2．7 異常 Exceptions
任何對象的行為都是由方法來實現(xiàn)的。這些方法的定義不僅包含其聲明，而且還有其作用域(domain)的驗證。Domain由異常來表示。在上出錯的情況下異常就出現(xiàn)了。這種機制確保了軟件產(chǎn)品的質(zhì)量。
2．8 持久性和數(shù)據(jù)模式Persistence and Data Schema
數(shù)據(jù)模式就是程序用來存儲數(shù)據(jù)的結構。數(shù)據(jù)模式由持久性類構成。稱為持久性的對象可以被永久保存。因此，這些對象可以重復利用。為了在CDL中使用持久性對象，它必須繼承自類Standard_Persistent，或其父類繼承自Standard_Persistent。注意繼承自類Standard_Persistent的類是由引用控制的。繼承自類Standard_Storable的實例化對象不能自己保存，但是可作為由類Standard_Persistent的一部分保存。因為派生自類Standard_Storable的類是由值控制的。
結論
本文由Foundation Classes User’s Guide翻譯而得，若有錯誤請指證。
eryar@163.com
Pudong Shanghai China
2012-08-19