design-specification

┏━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┓ ┃ 图形渲染系统架构设计文档 ┃ ┗━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┛

系统概述

本系统是一个基于Java的图形渲染框架，采用模块化设计，支持多种渲染后端和图形类型。系统核心目标是提供灵活、可扩展的图形渲染能力，同时保持代码的可维护性和高性能。

架构设计原则

1 分层架构：清晰分离表现层、业务逻辑层和数据访问层
2 松耦合：通过接口定义模块边界
3 可扩展性：支持新图形类型和渲染器的动态添加
4 可测试性：各组件可独立测试

核心架构图

+———————+
| Client |
+———————+
|
v
+———————+
| UI Layer |
| (SwingUI, Panels) |
+———————+
|
v
+———————+
| Business Logic |
| (Commands, Factory) |
+———————+
|
v
+———————+
| Rendering Layer |
| (Renderers, Adapter)|
+———————+
|
v
+———————+
| Persistence Layer |
| (Serialization, IO) |
+———————+

核心组件说明

4.1 UI层组件

/**
* 主界面框架，基于Swing实现
*
*

职责：
*

提供用户交互界面
管理绘图面板
协调各组件交互

@see DrawingPanel 绘图面板实现
*/
public class SwingUI extends JFrame {
// 实现细节…
}

4.2 业务逻辑层

4.2.1 命令模式实现

/**
* 命令模式基类，支持撤销/重做操作
*
*

设计特点：
*

封装操作逻辑
支持事务性操作
与UndoManager配合实现命令历史

4.2.2 工厂模式实现

/**
* 图形工厂接口，支持创建各种图形对象
*
*

扩展机制：
*

实现ShapeFactory接口
注册到FactoryRegistry
通过createXxx方法创建实例

*/
public interface ShapeFactory {
Circle createCircle(int x, int y, int radius);
// 其他工厂方法…
}

4.3 渲染层设计

4.3.1 渲染器接口

/**
* 渲染器核心接口，定义基本绘图操作
*
*

实现说明：
*

各实现类负责具体渲染逻辑
支持多种渲染后端(Swing/SVG/Test等)
通过RendererFactory获取实例

4.3.2 适配器模式

/**
* 旧版渲染器适配器，实现新旧系统兼容
*
*

工作原理：
*

接收LegacyRenderer实例
实现Renderer接口
方法调用转发

*/
public class LegacyRendererAdapter implements Renderer {
// 实现细节…
}

4.4 持久化层

/**
* 持久化管理器，负责图形序列化/反序列化
*
*

特性：
*

单例模式确保全局唯一
支持JSON格式
类型安全的多态序列化

关键设计模式应用

设计模式应用场景实现类
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 工厂模式创建图形和渲染器 RendererFactory, ShapeFactory
适配器模式旧版渲染器兼容 LegacyRendererAdapter
命令模式操作封装与撤销 Command接口及实现
观察者模式图形变更通知 ShapeObserver
单例模式全局配置管理 GlobalConfig, PersistenceManager
访问者模式图形导出功能 ExportVisitor

模块依赖关系

graph-render
├── ui
│ ├── depends on → core
│ └── depends on → bridge
├── core
│ ├── depends on → factory
│ └── depends on → command
├── bridge
│ ├── depends on → legacy
│ └── depends on → proxy
└── persistence
└── depends on → factory

性能考量

1 渲染性能：
• Swing渲染器直接操作Graphics2D
• SVG渲染器使用StringBuilder缓存输出
• 测试渲染器无实际渲染开销
2 内存管理：
• 图形对象轻量化设计
• 大对象使用懒加载
3 多线程安全：
• 关键组件使用线程安全实现
• 避免共享可变状态

扩展性设计

8.1 添加新图形类型

1 实现Shape接口
2 实现对应的工厂方法
3 更新PersistenceManager的类型注册

8.2 添加新渲染器

1 实现Renderer接口
2 在RendererFactory中注册
3 更新GlobalConfig支持新类型

已知限制

1 SwingUI与渲染逻辑存在一定耦合
2 旧版渲染器适配有约20%性能开销
3 复杂图形组合性能待优化

未来演进计划

1 v2.1：Web渲染器支持
2 v2.2：硬件加速渲染
3 v3.0：分布式渲染架构

──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────── 文档版本：2.0
最后更新：2025-06-27
归档位置：docs/architecture/design-specification.md

图形渲染系统设计文档（续）

动态行为建模

5.1 图形绘制顺序图

sequenceDiagram
participant User
participant SwingUI
participant Command
participant Shape
participant Renderer
participant DrawingPanel

User->>SwingUI: 点击“添加圆形”按钮
SwingUI->>Command: 创建AddShapeCommand
Command->>Shape: 创建Circle实例
SwingUI->>Command: execute()
Command->>DrawingPanel: 添加Shape到列表
DrawingPanel->>Renderer: setGraphics()
loop 对每个Shape
DrawingPanel->>Shape: render(Renderer)
Shape->>Renderer: drawCircle(x,y,radius)
end
Renderer–>>DrawingPanel: 绘制完成
DrawingPanel–>>SwingUI: 重绘请求
SwingUI–>>User: 显示更新后的图形

5.2 图形绘制状态图

stateDiagram-v2
[*] –> Idle
Idle –> Rendering: 开始绘制
Rendering –> Rendering: 添加图形元素
Rendering –> Processing: 提交绘制命令
Processing –> Rendering: 撤销操作
Processing –> Persisting: 保存图形
Persisting –> Idle: 保存完成
Processing –> Idle: 完成绘制

5.3 Undo/Redo顺序图

sequenceDiagram
participant User
participant SwingUI
participant UndoManager
participant Command
participant DrawingPanel

User->>SwingUI: 点击“撤销”按钮
SwingUI->>UndoManager: undo()
UndoManager->>Command: undo()
Command->>DrawingPanel: 从图形列表移除元素
DrawingPanel–>>SwingUI: 重绘请求
SwingUI–>>User: 显示更新后的图形

User->>SwingUI: 点击“重做”按钮
SwingUI->>UndoManager: redo()
UndoManager->>Command: redo()
Command->>DrawingPanel: 重新添加图形元素
DrawingPanel–>>SwingUI: 重绘请求
SwingUI–>>User: 显示更新后的图形

5.4 Undo/Redo状态图

stateDiagram-v2
[*] –> Clean
Clean –> HasHistory: 执行命令
HasHistory –> HasHistory: 执行新命令(清空redo栈)
HasHistory –> Undoing: 执行undo
Undoing –> Redoing: 执行redo
Redoing –> Undoing: 执行undo
Undoing –> Clean: undo到初始状态
Redoing –> HasHistory: redo到最后状态

关键流程说明

6.1 图形绘制流程

1 初始化阶段：

// 伪代码示例
Renderer renderer = RendererFactory.create(“swing”);
DrawingPanel panel = new DrawingPanel(shapes, renderer);
SwingUI ui = new SwingUI(panel);

2 绘制执行阶段：

// 命令模式执行
Command cmd = new AddShapeCommand(shapes, new Circle(100,100,50));
undoManager.executeCommand(cmd);

3 渲染阶段：

// 在DrawingPanel的paintComponent中
for (Shape shape : shapes) {
shape.render(renderer);
}

6.2 Undo/Redo实现机制

1 命令历史管理：

public class UndoManager {
private Deque undoStack = new ArrayDeque<>();
private Deque redoStack = new ArrayDeque<>();

  public void executeCommand(Command cmd) {                                                                                    
       cmd.execute();                                                                                                           
       undoStack.push(cmd);                                                                                                     
       redoStack.clear();                                                                                                       
   }                                                                                                                            
                                                                                                                                
   public void undo() {                                                                                                         
       Command cmd = undoStack.pop();                                                                                           
       cmd.undo();                                                                                                              
       redoStack.push(cmd);                                                                                                     
   }

}

2 状态恢复：

flowchart LR
A[执行命令] –> B[保存到undo栈]
B –> C[清空redo栈]
D[撤销] –> E[从undo栈弹出]
E –> F[执行undo]
F –> G[保存到redo栈]
H[重做] –> I[从redo栈弹出]
I –> J[执行redo]
J –> K[保存到undo栈]

异常处理流程

7.1 渲染异常处理

sequenceDiagram
participant Shape
participant Renderer
participant DrawingPanel
participant ErrorHandler

Shape->>Renderer: drawCircle(x,y,radius)
alt 渲染成功
Renderer–>>Shape: 正常返回
else 渲染失败
Renderer->>ErrorHandler: 捕获异常
ErrorHandler->>DrawingPanel: 标记错误状态
DrawingPanel->>Renderer: 恢复上下文
end

7.2 Undo/Redo边界条件

1 空栈处理：

public void undo() {
if (undoStack.isEmpty()) {
return; // 或抛出特定异常
}
// …正常处理
}

2 命令不可撤销：

public interface Command {
default boolean canUndo() {
return true;
}
}

附录：典型场景示例

场景1：绘制并撤销圆形

1 用户点击“添加圆形”按钮
2 系统创建Circle(100,100,50)并执行AddShapeCommand
3 用户点击“撤销”按钮
4 系统从图形列表移除该圆形并重绘

场景2：重做操作

1 用户执行步骤1-3
2 用户点击“重做”按钮
3 系统重新添加圆形并重绘

──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────── 文档版本：2.1
最后更新：2025-06-27
图表工具：Mermaid 9.3.0
相关文档：

• 架构设计规范.md
• 核心API参考.md
• 性能优化指南.md