基于DWF、數(shù)據(jù)事務(wù)和PRO*C的可視化系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

， ，

(1.江南大學(xué)信息工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122；2.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無(wú)錫 214082)

信息化和網(wǎng)絡(luò)化成為企業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，這個(gè)趨勢(shì)也對(duì)數(shù)據(jù)的可視化提出了更高的要求。

傳統(tǒng)的JAVA圖形開(kāi)發(fā)方案滿足不了實(shí)際的需要，對(duì)比圖1a)、b)，圖1a)在船舶數(shù)據(jù)可視化中顯示的細(xì)節(jié)、效果、精度、色彩等方面明顯優(yōu)越于圖1b)。

以前的系統(tǒng)大都是單機(jī)版，許多關(guān)鍵的信息被封閉在相互獨(dú)立的系統(tǒng)中，滿足不了船舶科研、設(shè)計(jì)、制造業(yè)共享數(shù)據(jù)信息的需要。因此，引入了新的圖形開(kāi)發(fā)工具：Autodesk DWF。由于DWF文件高度壓縮，只有同規(guī)模數(shù)據(jù)CAD大小的八分之一，可以在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行發(fā)布，適合在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行傳輸，傳輸速度快，同時(shí)，可用于交流豐富的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，而無(wú)需一般CAD圖形相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷。

a) DWF圖形

b) JAVA圖形圖1 圖形對(duì)比

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

結(jié)合圖2，用戶通過(guò)平臺(tái)軟件接口系統(tǒng)登錄，輸入需要查詢的船舶編號(hào)。系統(tǒng)響應(yīng)請(qǐng)求，把信息傳遞給Web服務(wù)器中的命令解析模塊，確定該用戶是否具有查看DWF圖形的權(quán)限，并對(duì)用戶提交的信息進(jìn)行解釋和進(jìn)一步的整合、加工，再傳遞給應(yīng)用服務(wù)器中的應(yīng)用模塊，應(yīng)用模塊響應(yīng)消息，調(diào)用圖形處理模塊對(duì)信息進(jìn)行處理，并從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取數(shù)據(jù)。

如果此船舶數(shù)據(jù)滿足生成圖形的需要，則會(huì)有提示，同時(shí)生成圖形并返回正確地結(jié)果，并提供Autodesk DWF Viewer插件的下載，以顯示船舶型線圖。對(duì)一些特權(quán)用戶同時(shí)提供同一船舶數(shù)據(jù)的下載。

沒(méi)有圖形可顯示，則返回相關(guān)的數(shù)據(jù)信息。

2 圖形集成的具體實(shí)現(xiàn)

2.1 優(yōu)化的數(shù)據(jù)處理方法

數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)速度和處理效率等問(wèn)題是Web系統(tǒng)非常關(guān)鍵的一個(gè)方面。在這里對(duì)Hibernate框架本身進(jìn)行調(diào)優(yōu)，對(duì)ORAELE數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行優(yōu)化和改造。

2.1.1 Hibernate性能調(diào)優(yōu)

由于使用的是Hibernate框架，采用的是ORM(對(duì)象關(guān)系映射)，這就決定了數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)。對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中大表進(jìn)行操作時(shí)，利用Hibernate，傾向于細(xì)顆粒度的設(shè)計(jì)[1]，面向?qū)ο?，將大表拆分為多個(gè)關(guān)聯(lián)關(guān)系的小表，消除冗余column，通過(guò)二級(jí)緩存提升性能(DBA比較忌諱關(guān)聯(lián)關(guān)系的出現(xiàn)，但是ORM的緩存將突破關(guān)聯(lián)關(guān)系的性能瓶頸)，可以最大程度的提升代碼的重用性；Hibernate的性能瓶頸不在于關(guān)聯(lián)關(guān)系，而在于大表的操作。

細(xì)顆粒度，針對(duì)表的記錄級(jí)別，透明化訪問(wèn)，在不改變程序代碼的情況下可以極大提升Web應(yīng)用的性能。也可以適當(dāng)?shù)募尤胍恍㎎DBC語(yǔ)句，和Hibernate結(jié)合。

2.1.2 在ORACLE數(shù)據(jù)庫(kù)中使用視圖

本系統(tǒng)在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作處理時(shí)，也涉及到多個(gè)表的情況。如果不對(duì)表進(jìn)行任何處理，利用表之間的關(guān)系直接查詢，則會(huì)對(duì)無(wú)用數(shù)據(jù)也進(jìn)行查詢，造成數(shù)據(jù)的冗余，減慢了速度，犧牲了效率，讓用戶明顯感覺(jué)速度慢。因此，在ORACLE數(shù)據(jù)庫(kù)中，創(chuàng)建視圖，對(duì)有用數(shù)據(jù)進(jìn)行整合加工，按照需求設(shè)置一些派生的屬性列。這樣既可以簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)，也可以簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)的查詢操作，同時(shí)可以讓用戶從不同的角度去對(duì)待同一數(shù)據(jù)，提升數(shù)據(jù)的靈活性和邏輯獨(dú)立性。

上面兩種方法的結(jié)合，最大程度地提高了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)效率，使整個(gè)Web系統(tǒng)在數(shù)據(jù)操作方面達(dá)到了最優(yōu)。

2.2 數(shù)據(jù)的獲取

有了高效率的數(shù)據(jù)操作方法，則可以利用其對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行所需要的操作。

2.2.1 引入PRO*C技術(shù)

針對(duì)系統(tǒng)的需求，引入了PRO*C技術(shù)。在圖形程序中加入直接從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取數(shù)據(jù)的功能，用DLL直接進(jìn)行封裝，減少數(shù)據(jù)的包裝次數(shù)。

2.2.2 數(shù)據(jù)的獲得

利用PRO*C技術(shù)，先把需要查詢的程序在VC的.pc文件中以PRO*C語(yǔ)法寫(xiě)出。

1) 連接數(shù)據(jù)庫(kù)。

2) 查詢和獲得數(shù)據(jù)，然后從宿主變量中取出數(shù)據(jù)，放在自己定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，配置好環(huán)境，通過(guò)ORACLE數(shù)據(jù)庫(kù)自帶的預(yù)編譯工具，把代碼編譯成C++源碼，可以直接在圖形程序中對(duì)其進(jìn)行調(diào)用。

3) 與數(shù)據(jù)庫(kù)斷開(kāi)連接。

2.2.3 數(shù)據(jù)的傳遞

因?yàn)槭窃赩C圖形程序中獲得數(shù)據(jù)，而且在VC.NET平臺(tái)下直接使用了PRO*C技術(shù)對(duì)ORACLE數(shù)據(jù)庫(kù)直接進(jìn)行操作，使得對(duì)數(shù)據(jù)的封裝次數(shù)減少，而且不需要對(duì)JAVA和C++之間的數(shù)據(jù)，類型進(jìn)行過(guò)多的轉(zhuǎn)換，無(wú)形當(dāng)中也提高了存取數(shù)據(jù)的速度。

在本系統(tǒng)中，J2EE平臺(tái)需要做的只是傳遞一個(gè)船舶的編號(hào)進(jìn)入圖形DLL，就可以實(shí)現(xiàn)圖形的生成和查看。

3 圖形的生成

1) 結(jié)合參考文獻(xiàn)[2]中提供的對(duì)非均勻B樣條算法(NURBS)的升階，插值等成果，在程序中加強(qiáng)對(duì)邊界條件的控制。

2) 利用功能函數(shù)，第一個(gè)是數(shù)據(jù)處理函數(shù)DataOperation，把從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀出的數(shù)據(jù)從新整合和加工，讓數(shù)據(jù)的組織方式滿足船舶的水線、站線和縱剖線三大塊的需要，使三者可以獨(dú)立被操作而互相不影響；另外一個(gè)函數(shù)是Calc_ControlPoints,調(diào)用算法求控制點(diǎn)，并為控制點(diǎn)賦值。讀取數(shù)據(jù)后，就可以根據(jù)船舶的型值點(diǎn)利用Calc_ControlPoints計(jì)算出控制點(diǎn)，然后再根據(jù)控制點(diǎn)畫(huà)出對(duì)應(yīng)的曲線。Calc_ControlPoints被圖形的整體建模函數(shù)調(diào)用，用于圖形的整體建模。

3) 入口函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)處理函數(shù)和圖形整體建模函數(shù)進(jìn)行調(diào)用，對(duì)兩者加以整合，只需傳送一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中存在的船舶的編號(hào)，就可以生成相應(yīng)的船舶型線圖。

4 JNI技術(shù)的應(yīng)用

阻礙Java獲得廣泛應(yīng)用的一個(gè)主要因素是其運(yùn)行效率。Java是介于解釋型和編譯型之間的一種語(yǔ)言，同樣的程序，如果用編譯型語(yǔ)言C++來(lái)實(shí)現(xiàn)，其運(yùn)行速度一般要比Java快一倍以上。Java具有平臺(tái)無(wú)關(guān)性，但是性能方面的因素又大大削弱了它的競(jìng)爭(zhēng)力。為此，提高Java的性能就顯得十分重要。

因此，利用Java開(kāi)發(fā)的Web信息系統(tǒng)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸，最后在客戶端顯示船舶性能曲線、以及船型型線的三維圖片，對(duì)圖片的顯示的精確度要求很高。而圖片生成是Java開(kāi)發(fā)的不足之處,特別是圖片顯示的效果、精度都不夠。綜合系統(tǒng)的要求，引入了JNI(java native interface)，利用混合編程技術(shù)，在Java程序中調(diào)用VC++環(huán)境下開(kāi)發(fā)的DWF圖形。在發(fā)揮Java語(yǔ)言Web服務(wù)端跨平臺(tái)性的同時(shí)，利用C++語(yǔ)言的高效性與DWF數(shù)據(jù)量小、安全性高的結(jié)合。項(xiàng)目中JNI技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)見(jiàn)圖3。

圖3 JNI實(shí)現(xiàn)框

4.1 集成的具體實(shí)現(xiàn)

1) 編寫(xiě)需要JNI功能的Java類源文件。其中，需要JNI實(shí)現(xiàn)的方法用native關(guān)鍵字聲明。在該類中，用System.loadLibrary()方法加載需要的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)。

2) 上面生成的只是SSH框架下的Java類，要想與VC平臺(tái)之間進(jìn)行平臺(tái)之間的信息通信，必須在兩者之間建立一個(gè)“橋梁”，把Java的信息注入到VC的DLL中去,由DOC環(huán)境完成。將該類源文件用Java類編譯器編譯成二進(jìn)制字節(jié)碼文件。由于采用了native關(guān)鍵字聲明，編譯器會(huì)忽視沒(méi)有代碼體的JNI方法部分。

3) 完成平臺(tái)之間的通信，需要提供包含JNI元素的DLL以實(shí)現(xiàn)在J2EE平臺(tái)下的調(diào)用，生成圖形。由于圖形是直接在VC.NET環(huán)境下開(kāi)發(fā)，只需對(duì)VC和Java之間的數(shù)據(jù)類型進(jìn)行轉(zhuǎn)換，對(duì)程序只需要進(jìn)行一次DLL的封裝就可以。這個(gè)需要DWF庫(kù)的支持。

新建DLL工程，把圖形的工程文件以及生成的Java W3D類的頭文件放到DLL工程中去，加載用到的外部DWF開(kāi)發(fā)包。直接對(duì)工程的DLL封裝，需要有一個(gè)入口函數(shù)，提供調(diào)用入口和平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換，所以把原圖形的入口函數(shù)作為DLL的入口函數(shù)，其名稱要與W3D類的頭文件中的函數(shù)名一致。

對(duì)于DLL的 調(diào)用，有兩個(gè)途徑，一個(gè)是把DLL放到系統(tǒng)的system32文件夾下面，利用默認(rèn)的系統(tǒng)變量直接調(diào)用；另一個(gè)是把DLL存放到指定的位置，需要把DLL所在位置的路徑配置到用戶環(huán)境變量里面才可以進(jìn)行DLL的調(diào)用。

4.2 內(nèi)存管理問(wèn)題及解決方法

雖然在本地返回 Java 后將自動(dòng)釋放局部引用，但過(guò)多的局部引用將使虛擬機(jī)在執(zhí)行本地方法時(shí)耗盡內(nèi)存。在訪問(wèn)系統(tǒng)的用戶比較少時(shí)問(wèn)題不明顯，一旦多個(gè)遠(yuǎn)程用戶同時(shí)訪問(wèn)系統(tǒng)，超過(guò)Java虛擬機(jī)能夠承受的系統(tǒng)內(nèi)存范圍后，系統(tǒng)就會(huì)崩潰。

為了很好地解決這個(gè)問(wèn)題，筆者在整個(gè)系統(tǒng)框架中引入了“數(shù)據(jù)庫(kù)事務(wù)與并發(fā)”機(jī)制，利用數(shù)據(jù)庫(kù)本身來(lái)對(duì)Java本地引用進(jìn)行控制。

由于在Web系統(tǒng)中圖形數(shù)據(jù)的取得是由幾個(gè)固定的SQL 語(yǔ)句來(lái)完成，每個(gè)用戶訪問(wèn)數(shù)據(jù)執(zhí)行讀圖程序時(shí)，都可以看作為一個(gè)事務(wù)[1]，多個(gè)用戶同時(shí)訪問(wèn)系統(tǒng)，執(zhí)行同一個(gè)Java本地引用操作時(shí)，等同與事物的并發(fā)執(zhí)行，通過(guò)程序把這些操作歸結(jié)為一類事務(wù)，利用隔離性(數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)隔離并發(fā)運(yùn)行的各個(gè)事務(wù)的能力)，設(shè)置隔離級(jí)別，分別為：Serializable(串行化)、Repeatable Read(可重復(fù)讀)、Read Commited(讀已提交數(shù)據(jù))、Read Uncommited(讀未提交數(shù)據(jù))，隔離級(jí)別依次由高到低。其隔離級(jí)別與并發(fā)性關(guān)系見(jiàn)圖4。

圖4 隔離級(jí)別與并發(fā)性能的關(guān)

隔離級(jí)別越高，對(duì)并發(fā)性的影響也越大。

對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的最大事務(wù)執(zhí)行數(shù)量進(jìn)行設(shè)置。當(dāng)用戶訪問(wèn)量超出最大可執(zhí)行事務(wù)數(shù)量時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)提示用戶等待。既保證了數(shù)據(jù)的及時(shí)性，安全性和完整性，也防止了因?yàn)檫^(guò)多的Java本地引用而造成的內(nèi)存耗盡、系統(tǒng)崩潰。

這樣，大量用戶同時(shí)訪問(wèn)系統(tǒng)時(shí)，程序結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)本身，既保證了系統(tǒng)的高效率，又有效地保證了系統(tǒng)的安全。

5 圖形在網(wǎng)絡(luò)中的發(fā)布

系統(tǒng)提供了自動(dòng)下載Autodesk DWF Viewer插件的功能[4]。通過(guò)這個(gè)插件，可以查看船舶型線的每一個(gè)細(xì)節(jié)。網(wǎng)頁(yè)中打開(kāi)船舶型線圖的效果見(jiàn)圖5。

圖5 3D船舶型線圖

6 結(jié)束語(yǔ)

此系統(tǒng)已經(jīng)投入運(yùn)行，為船舶結(jié)構(gòu)研究、船舶設(shè)計(jì)、船舶制造等方面的工作提供了大量的原型和數(shù)據(jù)，使得不同部門之間可以共享船舶模型原型和數(shù)據(jù)，大大提高了科研、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)之間的緊密結(jié)合。

[1] 孫衛(wèi)琴.精通Hibernate:JAVA對(duì)象持久化技術(shù)詳解[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[2] 陳紹平，陳賓康.組合曲線的NURBS表示及其應(yīng)用[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版，2005,29(4):475-477.

[3] 徐 陽(yáng)，鐘 崴，童水光.基于Autodesk DWFⅥewer的圖形化標(biāo)注系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)工程，2007,33(2)：227-229.