—— 二维CAD图象数据的存储
SUN中国软件技术中心 王昱 [email protected]
摘要：本文介绍了怎样使用JAXB技术来快速开发基于XML的应用程序，通过一个简单的二维图像数据存储的例子，展现了使用XML数据表示给应用程序带来的灵活性，以及怎样使用JAXB技术来简化XML操作的复杂程度。
序言我们的一个合作伙伴，正在使用Java技术开发专业领域内的CAD二维图像应用软件。随着Java技术的不断发展，其虚拟机的速度不断的提高，越来越多的厂商使用Java语言作为他们图形软件跨平台的解决方案。特别是JDK1.4推出以后，对图形图像的操作，性能有了显著的提高。在某些二维图形图像的类（如VolatileImage）中，能够直接操纵硬件加速的图像缓存，甚至使得Java成为图形游戏的开发平台成为可能。
为了加快开发的速度，我们的合作伙伴选择了Java本身的对象序列化（serialization）技术来作为应用数据的存储。换句话说，应用程序中的所有图形图像，不管是“按钮”还是“线条”，都以对象序列化方式存储到文件系统中；在使用的时候，从文件中读出数据，恢复成内存中的Java对象。这样做的好处是简单，所有对象数据的存储和恢复都由Java平台内部的序列化机制来完成，数据保存的格式（二进制）也由Java来制定；并且在性能上，这种方法也是不错的，特别是在JDK1.4上，对象序列化的速度有了很大的提高，使得序列化技术应用得越来越广泛，不仅仅用于对象数据的存储，还大量的应用于各种分布式网络计算模型中。
但是，我们的合作伙伴在产品开发和版本升级过程中遇到了一些问题。
l 数据的兼容性差
在升级的版本中，如果对Java类的改动超出了对象序列化兼容性的范围，如：改变了类图结构中的继承关系和层次结构，改变或增减了类成员变量数量和类型等等，都会造成新老版本的数据不一致性。很有可能新版本的系统不能兼容和使用老版本系统产生的数据。
l 对数据的操作性差。
由于序列化所产生的数据是由JVM内部机制生成的二进制数据，对其进行修改和转换有一定的困难和风险。而且二进制数据的可读性比较差。而对这些图形数据的操作是此系统不可缺少的一部分。例如，不同版本之间的数据转换，不同格式之间的转换以及系统数据的导入和导出，都需要对系统数据进行不同程度的操作。
l 数据的保存量大。
用序列化保存的数据通常包含了大量无用的信息。例如，保存一个简单的"Button"，序列化会保存它所有父类对象的所有实例的成员变量，还会保存这个对象所有缺省的其他属性。而实际上，我们只要关心这个"Button"上面的文本，加上它在图面中的坐标就行了。要控制序列化保存数据量的大小需要较复杂和繁琐的设置，例如使用“transit”修饰符等等（详见参考资料）。
l JDK版本的影响。
不同的JDK的序列化实现有可能会有差异，保存数据的格式也有所不同，这就使得系统有可能被绑定在某个版本的JDK，而不能使用高版本的JDK所带来的性能上和功能上的好处！
由于存在以上的问题，需要考虑采用其他的解决方案，以保证即能够保证数据操作的灵活性，又能够使用现有的数据格式和成熟的开发工具包，减轻系统开发和维护的负担。
“XML”成为被考虑的目标之一。显然，具有“通用数据表示”之称的XML能够带来很大的灵活性，使得数据在各个平台之间的交换，各个版本之间的升级变得非常方便；而且，在XML的开发中，Java平台已经拥有很多成熟的软件开发工具和解决方案。一般来说，使用XML作为系统数据存储的格式有以下两种解决方案：
l 直接使用Java对象序列化的内部对XML的支持功能：XmlEncoder和XMLDecoder两个类。这个功能其实是对象序列化功能本身的一部分，通过使用XmlEncoder和XMLDecoder这两个类，可以使序列化的数据以XML的格式保存和恢复，而不是二进制格式。这种方式增加了对数据的可读性和可操作性。但是仍然不能灵活地按照自己的意愿和需求对数据进行保存和恢复。
l 自己定义XML的数据格式。这个方案使系统拥有了最大的灵活程度。一旦使用自己定义的XML格式，那么对此XML格式的文件进行解析、效验以及反向解析（XML文件的生成）都需要自己去开发了！一旦版本发生更新，XML的数据格式也有可能随着改变，这些解析和效验程序都有可能需要做出相应的改动。这样会大大增加了系统开发的负担和周期！
JAXB正是为解决这些问题而提出来的。在允许你自己灵活定义自己的 XML文件格式的基础上，由JAXB替你生成操作XML文件的源代码，使你的应用程序将重点放到Java对象上，而不用直接面对XML操作。这正是JAXB的目的所在。
二. JAXB技术介绍 2.1 .什么是JAXB？Java Architecture for XML Binding (JAXB) 是一个业界的标准，是一项可以根据XML Schema产生Java类的技术。该过程中，JAXB也提供了将XML实例文档反向生成Java对象树的方法，并能将Java对象树的内容重新写到XML实例文档。从另一方面来讲，JAXB提供了快速而简便的方法将XML模式绑定到Java表示，从而使得Java开发者在Java应用程序中能方便地结合XML数据和处理函数。
这意味着你不需要处理甚至不需要知道XML编程技巧就能在Java应用程序中利用平台核心XML数据的灵活性。而且，可以充分利用XML的优势而不用依赖于复杂的XML处理模型如SAX或DOM。JAXB 隐藏了细节并且取消了SAX和DOM中没用的关系——生成的JAXB类仅描述原始模型中定义的关系。其结果是结合了高度可移植Java代码和高度可移植的XML数据。其中这些代码可用来创建灵活、轻便的应用程序和Web服务。
2.2. JAXB的体系结构
图 1 JAXB体系结构
JAXB的体系结构和应用过程如图1所示，一般来说包含以下几个步骤：
l 根据你的应用程序所要操作的XML数据格式，撰写相应的XML Schema，有关XML Schema的知识，请参阅“参考资料”
l 使用JAXB 所带的编译工具（Binding Compiler），将这个XML Schema文件作为输入，产生一系列相关的Java Class和Interface
l 在使用JAXB编译工具的时候，可以有选择性的提供一个配置文件（图1的虚线部分），来控制JAXB编译工具的一些高级属性。
l 这些Java Class和Interface是你的应用程序操纵XML数据的主要接口和方法。
l 通过JAXB对XML文档进行的操作主要包括：将符合XML Schema规定的XML文档解析生成一组相应的Java对象；对这些对象进行操作（修改、增加和删除对象的属性等等）；然后将这些对象的内容保存到这个XML文档中。
下面我们结合本文的示例来进一步说明使用JAXB的过程。
三. 实例分析 3.1. 示例运行的环境和步骤
本示例运行的Java环境是JDK1.3.1以上。本示例在Jdk1.4.1运行测试通过。
l 从这里(bin.zip)可以下载已经编译好的可单独运行的示例程序。
l 展开此压缩文件，在bin目录下找到可执行文件rundemo.bat（for windows）或rundemo.sh。 （for unix）
l 确保环境变量JAVA_HOME已经正确设置，指向你系统所安装的JDK的目录。
l 运行rundemo.bat 或rundemo.sh，就会出现如下图所示的运行画面。
3.2. 示例运行的场景
图2 demo运行场景
如图2所示，本示例演示了一个非常简单的场景，它允许你在画布上使用鼠标绘制大小一定的正方形或圆形。
l 你的鼠标点到什么位置，就会在相应的位置上绘制图形。
l 你可以通过（Color）菜单改变当前画笔的颜色：绿色或红色。
l 你可以通过（Graph）菜单改变当前图形的形状：正方形或圆形。
l 你还可以通过（File）菜单中的“save”或“save as”子菜单将当前已经绘制的图形以XML格式保存起来。
l 你还可以通过（File）菜单中的“open”子菜单，选择以前保存过的图形文件，将它显示在画布上。
3.3. JAXB使用过程分析l 下载JAXB开发工具包
JAXB1.0 的正式版本的一个实现（大家一定要记住，JAXB只是一个标准，Sun公司提供的此工具包只能说是这个标准的一个实现）已经发布了。由于XML在Web Services中的大量应用，所以，JAXB1.0作为Web Services 开发包的一部分，可以从WSDP1.1 下载。其中jaxb包含在jaxb-1.0子目录下。
l 设置环境变量
要使用JAXB，在下载JAXB开发包以后，还要设置一些环境变量，主要是设置classpath的路径，以提供JAXB包所带的库文件的位置。一般来说，可以写一个专门用来设置环境变量的执行文件。例如，在Windows 上可以写这样一个setenv.bat的文件：
set JAVA_HOME=c:\application\java\jdk1.4.1_01
set JWSDP_HOME=c:\application\wsdp1.1
set JAXB_HOME=%JWSDP_HOME%\jaxb-1.0
set JAXB_LIBS=%JAXB_HOME%\lib
set JAXP_LIBS=%JWSDP_HOME%\jaxp-1.2.2\lib
set JWSDP_LIBS=%JWSDP_HOME%\jwsdp-shared\lib
set PATH=%JAXB_HOME%\bin;%JWSDP_HOME%\jwsdpshared\bin;%PATH%
set CLASSPATH=%JAXB_LIBS%\jaxb-api.jar;%JAXB_LIBS%\jaxb-ri.jar;%JAXB_LIBS%\jaxb-xjc.jar;%JAXB_LIBS%\jaxb-libs.jar;%JAXP_LIBS%\jaxb-api.jar;%JAXP_LIBS%\endorsed\xercesImpl.jar;%JAXP_LIBS%\endorsed\xalan.jar;%JAXP_LIBS%\endorsed\sax.jar;%JAXP_LIBS%\endorsed\dom.jar;%JWSDP_LIBS%\jax-qname.jar;%JWSDP_LIBS%\namespace.jar;.
l 确定XML Schema
要确定XML Schema意味着你要确定一个规则，来约束你的XML文档，使所有符合这个规则的XML文档看上去都很类似。例如，在这个例子中，我们希望XML文档的格式如下：
<?xml version="1.0" encoding="UTF-8" standalone="yes" ?>
<shapeContainer>
<shape>
<xposition>185</xposition>
<yposition>83</yposition>
<shapename>circle</shapename>
<shapecolor>red</shapecolor>
</shape>
<shape>
<xposition>169</xposition>
<yposition>177</yposition>
<shapename>circle</shapename>
<shapecolor>green</shapecolor>
</shape>
<shape>
<xposition>358</xposition>
<yposition>155</yposition>
<shapename>rect</shapename>
<shapecolor>green</shapecolor>
</shape>
</shapeContainer>
文如其意，用不着太多的解释，大家就能明白上面的XML文档所包含的意思。<shapeContainer>表示了画布，在画布中有各种各样的形状，每个形状都包含了一些显示信息，例如x,y坐标，形状的类型和颜色等。在应用程序中想要操纵此XML文档，还要根据这个XML文档，产生一个Schema文档。例如：（此schema下载）
<xsd:schema xmlns:xsd="http://www.w3.org/2001/XMLSchema">
<xsd:element name="appversion" type="xsd:string"/>
<xsd:element name="shapeContainer" type="ShapeContainerType"/>
<xsd:complexType name="ShapeContainerType">
<xsd:sequence>
<xsd:element name="shape" type="ShapeType" minOccurs="1" maxOccurs="unbounded"/>
</xsd:sequence>
</xsd:complexType>
<xsd:complexType name="ShapeType">
<xsd:sequence>
<xsd:element name="xposition" type="xsd:int"/>
<xsd:element name="yposition" type="xsd:int"/>
<xsd:element name="shapename" type="ShapeNameType"/>
<xsd:element name="shapecolor" type="ShapeColorType"/>
</xsd:sequence>
</xsd:complexType>
<xsd:simpleType name="ShapeColorType">
<xsd:restriction base="xsd:string">
<xsd:enumeration value="green"/>
<xsd:enumeration value="red"/>
</xsd:restriction>
</xsd:simpleType>
<xsd:simpleType name="ShapeNameType">
<xsd:restriction base="xsd:string">
<xsd:enumeration value="circle"/>
<xsd:enumeration value="rect"/>
</xsd:restriction>
</xsd:simpleType>
</xsd:schema>
这个Schema描述了对xml文档的约束。例如，
<xsd:complexType name="ShapeContainerType">
<xsd:sequence>
<xsd:element name="shape" type="ShapeType" minOccurs="1" maxOccurs="unbounded"/>
</xsd:sequence>
</xsd:complexType>
它规定了<shapeContainer>这个节点内可以包含一个或多个<shape>的节点。而
<xsd:complexType name="ShapeType">
<xsd:sequence>
<xsd:element name="xposition" type="xsd:int"/>
<xsd:element name="yposition" type="xsd:int"/>
<xsd:element name="shapename" type="ShapeNameType"/>
<xsd:element name="shapecolor" type="ShapeColorType"/>
</xsd:sequence>
</xsd:complexType>
则规定了每个<shape>节点必须包含x,y坐标、形状类型和颜色等属性。
在schema的其他部分还规定了“颜色”属性由“红色”和“绿色”组成，形状“类型属性”由“圆形”和“方形”组成。另外，在Schema中还使用了一些专用的描述符，例如“complexType”，“simpleType”，“element”，“sequence”以及大量的"NameSpace"的知识，我就不一一介绍了，想要详细了解XML Schema，请访问“参考资料”。
Schema和XML文档之间的关系，就好象Java中类与实例的关系。每个符合schema的XML文档，都是这个Schema的一个实例；而Schema本身是一个模板，它规定了XML文档应该是什么样的。
l 使用编译工具生成相应的Java类
有了Schema文件以后，我们就可以利用JAXB工具包，让它来替我们生成操纵符合这个Schema规定的所有XML实例文档的所有Java源代码。
如果已经设置好了环境变量的话（请参考“设置环境变量”），那么只需要运行JAXB包所带的“xjc”运行程序，例如
%JAXB_HOME%\bin\xjc.bat demo.xsd -d src -p epri.jaxb
其中
u %JAXB_HOME%是你安装JAXB工具包的位置，通常在jwsdp工具包的子目录下。
u demo.xsd 是Schema的文件名，一般以xsd作为文件名的后缀。
u -d 的选项，是指定系统生成的Java源代码所放置的目录
u -p 的选项，是指定系统生成的Java源代码所在的Java Package的名称。
u 还有更多的选项，请参考JAXB的相关文档。
如果运行成功的话，就会在你"-d"选项指定的目录下产生一些java代码。如果感兴趣的话，大家可以查看这些代码进行详细的研究。如果你就想知道怎样使用它们的话，那么只需要简单的了解就行了。
l 在应用程序中使用这些代码
下面我们分析一下如何在我们的应用程序中使用JAXB工具包替我们生成的代码。在我们的实例中，主要有两个Java源文件：JaxbDemoFrame.java和MyCanvas.java。当然，大家也可以从此处下载所有的源代码。
JaxbDemoFrame.java
JaxbDemoFrame.java中大部分都是处理Frame中组件的代码。包括画布、菜单的初始化，以及各种事件的处理代码。其中和JAXB有关的有JAXB初始化代码：
126 //init jaxb
127 try {
128 JAXBContext jc = JAXBContext.newInstance( "epri.jaxb" );
129
130 ObjectFactory objFactory = new ObjectFactory();
131 myContainer = objFactory.createShapeContainer();
......
134 m = jc.createMarshaller();
135 u = jc.createUnmarshaller();
136 m.setProperty( Marshaller.JAXB_FORMATTED_OUTPUT, Boolean.TRUE );
137
138
139 } catch( JAXBException je ) {
140 je.printStackTrace();
141 }
JAXBContext 提供了一个入口，通过这个入口可以管理必要的XML/Java绑定信息。客户端应用程序通过newInstance(contextPath)方法得到该类的新实例。contextPath 参数包含一个或多个Java包名，这些Java包就是了JAXB编译器所产生的接口代码所在的Java包。该参数值初始化JAXBContext 对象，使得它能够管理JAXB编译器产生的接口；而通过ObjectFactory，可以直接生成根节点java对象ShapeContainer；对于Marshaller和Unmarshaller，这两个对象主要是用于Java对象和XML文档互相转换的主要接口（Marshaller负责从Java对象到XML文档的转换，Unmarshaller负责从XML文档到Java对象的转换）。
在打开文件的操作代码中，也有对JAXB的操作：
150 private void openFile() {
151 FileDialog open = new FileDialog(this,"open file..",FileDialog.LOAD);
152 open.setVisible(true);
153 filename = open.getDirectory()+open.getFile();
154 try {
155 myContainer =(ShapeContainer)u.unmarshal( new FileInputStream(filename));
156 this.canvas.setShapeContainer(myContainer);
157 this.canvas.repaint();
158 } catch( JAXBException je ) {
159 je.printStackTrace();
160 } catch (FileNotFoundException fe) {
161 System.out.println("file not found!");
162 }
163 }
Unmarshaller.unmarshal() 的方法可以直接将一个XML文件里的数据转换成Java对象。此对象应该是整个java对象树中最靠近根的对象（在本例中为ShapeContainer）。其他的对象都可以通过这个根对象的其他方法进一步获得，下面的章节会介绍到。
在文件保存的操作代码中，也有对JAXB的操作：
182 private void saveAsFile() {
......
187 m.marshal(myContainer, new FileOutputStream(filename));
......
193 }
Marshaller.marshal()的方法是将一个根节点的Java对象，连同这个对象内部所包含的其他所有对象，都按照Schema的要求将对象中的内容输出到XML文档中去。
MyCanvas.java
MyCanvas.java主要是画布的绘图操作，包含了鼠标事件的响应和绘制屏幕的方法中。在MyCanvas.java也有一些代码使用了JAXB生成的class。
53 public void mousePressed(MouseEvent e) {
.......
65 java.util.List shapeList = myContainer.getShape();
66 try {
67 ShapeType newType = this.objectFactory.createShapeType();
68 newType.setShapecolor(this.currentColor);
69 newType.setShapename(this.currentgraph);
70 newType.setXposition(this.currentX);
71 newType.setYposition(this.currentY);
72 shapeList.add(newType);
73 } catch( JAXBException je ) {
74 je.printStackTrace();
75 }
76 repaint();
77 }
90 public void paint(Graphics g) {
91 if (myContainer !=null){
92 java.util.List shapeList = myContainer.getShape();
......
95 for( Iterator iter = shapeList.iterator(); iter.hasNext(); ) {
96 ShapeType myshape = (ShapeType)iter.next();
97 String shapename = myshape.getShapename();
98 String shapeColor = myshape.getShapecolor();
99 int xposition = myshape.getXposition();
100 int yposition = myshape.getYposition();
101 if (shapeColor.equals("red")) g.setColor(Color.red);
102 if (shapeColor.equals("green")) g.setColor(Color.green);
103 if(shapename.equals("circle")) g.drawOval(xposition-25,yposition-25,50,50);
104 if(shapename.equals("rect")) g.drawRect(xposition-25,yposition-25,50,50);
105 this.setForeground(currentcolor);
106 }
107 }
108 }
在鼠标点击事件的处理中和屏幕绘制的方法中有大量使用JAXB所生成的类的代码（黑体字所表示的）。这些代码比较清楚的表现了怎样使用JAXB所生成的类。鼠标点击事件的处理中，根据程序的逻辑，每次鼠标的点击都应该根据鼠标当前的位置，画笔的当前颜色和当前的形状，来创建一个图形,并将此图形添加到整个对象树中去；而在屏幕绘制的paint()方法中，应用程序遍历整个对象树，找到每个图形的属性，并将它们绘制在屏幕上。
JAXB所生成的代码都有一定的规律（遵循JAXB标准），这些规律非常简单易用。例如，在Schema中我们规定了，在ShapeContainer中允许有一个或多个shap节点，那么在生成的ShapeContainer这个类中就getShape()方法来返回一个shape的集合。又比如，在Schema中我们规定了每个shape都有一些属性（shapename, shapecolor, xposition, yposition）。那么在相应的ShapeType的类中，我们就会看到get和set的一些方法去设置和获得这些属性的值。
四. 使用XML和JAXB的优势l 简单易用。
通过上面的例子，大家可以发现所有对XML文档的操作都隐藏起来了，你的应用程序不用使用SAX或DOM接口编程去操纵XML文档，使程序量降低，错误率减少，有助于程序质量的提高。
l 维护性好。
当你的产品需要更新，或是数据模型需要改变时，只需要重新定义Schema，然后让JAXB重新生成对XML文档进行操纵的类，使得你的应用程序具有很好的维护性。
l 数据兼容性好。
当你进行版本更新的时候，往往要考虑兼容性问题。由于你使用了XML作为数据交换的格式，只需要提供XSLT的模板就能将原有的数据格式自动转换成新版本的格式。除此以外，你可以将你的XML表示的图形数据文件任意转换成其他标准的CAD数据格式，一切都在你的掌握之中。
l 有较好的性能。
因为JAXB在运行时在大部分时间中都是直接操纵内存中的Java对象，只有在读取和存储文件的时候才会与XML文件进行IO操作，实质上是为XML文件做了一个缓存，因此运行时的性能很好。
跟直接使用Java对象序列化相比，JAXB也有它的限制。在使用Java序列化的时候，Java对象和XML文档是直接对应起来的。例如，在画布上有一个“java.awt.Button”对象，那么当你进行序列化的时候，“java.awt.Button”的所有数据被直接存储到序列化文件中；在进行图形恢复的时候，文件中的序列化数据直接就转换成“java.awt.Button”对象了。然而在使用JAXB的时候，由于JAXB没有将XML文档转换成指定的Java类的功能,在XML和应用程序中间会多一层。例如，你不能要求JAXB从XML文档数据中直接生成“java.awt.Button”对象，JAXB在大多数环境中只能生成中间进行数据传递的对象。用“java.awt.Button”作为例子，使用JAXB，你只能根据XML中的数据生成JAXB特有的“MyButton”对象，在再通过“MyButton”对象中的数据去初始化“java.awt.Button”对象。这种间接的数据传递所带来的负面影响是使用JAXB的系统会产生大量传递数据的中间对象。虽然说，由于Java虚拟机自动回收内存的特点，大量中间对象的产生有可能在长时间运行的Server应用中降低系统的性能，但是这种数据传递的方法在许多系统设计中都是可行的。
六. 总结本文通过一个简单的实例程序，演示了如何运用JAXB和XML设计开发你的应用系统，并且分析了JAXB的优势和劣势。现在JAXB越来越多的运用到各种应用程序当中，在越来越多的开放源码的产品都能看到JAXB的影子。尤其是Web Services和XML的应用的迅速发展，JAXB越来越受到广大Java开发人员的重视。
七. 参考资料1. JAXB开发包下载 http://java.sun.com/webservices/downloads/webservicespack.html
2. JAXB学习文档 http://java.sun.com/webservices/docs.html
3. XML Schema资料 http://www.w3.org/XML/Schema
4. Java对象序列化文档 http://java.sun.com/j2se/1.4.1/docs/guide/serialization/index.html
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