FreeType 2的设计
介绍
这份文档提供了FreeType 2函数库设计与实现的细节。本文档的目标是让开发人员更好的理解FreeType 2是如何组织的,并让他们扩充、定制和调试它。
首先,我们先了解这个库的目的,也就是说,为什么会写这个库:
* 它让客户应用程序方便的访问字体文件,无论字体文件存储在哪里,并且与字体格式无关。
* 方便的提取全局字体数据,这些数据在平常的字体格式中普遍存在。(例如:全局度量标准,字符编码/字符映射表,等等)
* 方便的提取某个字符的字形数据(度量标准,图像,名字,其他任何东西)
* 访问字体格式特定的功能(例如,SFNT表,多重控制,OpenType轮廓表)
Freetype 2的设计也受如下要求很大的影响:
* 高可移植性。这个库必须可以运行在任何环境中。这个要求引入了一些非常激烈的选择,这些是FreeType2的低级系统界面的一部分。
* 可扩展性。新特性应该可以在极少改动库基础代码的前提下添加。这个要求引入了非常简单的设计:几乎所有操作都是以模块的形式提供的。
* 可定制。它应该能够很容易建立一个只包含某个特定项目所需的特性的版本。当你需要集成它到一个嵌入式图形库的字体服务器中时,这是非常重要的。
* 简洁高效。这个库的主要目标是只有很少cpu和内存资源的嵌入式系统。
这份文档的其他部分分为几个部分。首先,一些章节介绍了库的基本设计以及Freetype 2内部对象/数据的管理。
接下来的章节专注于库的定制和与这个话题相关的系统特定的界面,如何写你自己的模块和如何按需裁减库初始化和编译。
一、组件和API
FT可以看作是一组组件,每个组件负责一部分任务,它们包括
* 客户应用程序一般会调用FT高层API,它的功能都在一个组件中,叫做基础层。
* 根据上下文和环境,基础层会调用一个或多个模块进行工作,大多数情况下,客户应用程序不知道使用那个模块。
* 基础层还包含一组例程来进行一些共通处理,例如内存分配,列表处理、io流解析、固定点计算等等,这些函数可以被模块随意调用,它们形成了一个底层基础API。
如下图,表明它们的关系
另外,
* 为了一些特殊的构建,基础层的有些部分可以替换掉,也可以看作组件。例如ftsystem组件,负责实现内存管理和输入流访问,还有ftinit,负责库初始化。
* FT还有一些可选的组件,可以根据客户端应用灵活使用,例如ftglyph组件提供一个简单的API来管理字形映象,而不依赖它们内部表示法。或者是访问特定格式的特性,例如ftmm组件用来访问和管理Type1字体中Multiple Masters数据。
* 最后,一个模块可以调用其他模块提供的函数,这对在多个字体驱动模块中共享代码和表非常有用,例如truetype和cff模块都使用sfnt模块提供的函数。
见下图,是对上图的一个细化。
请注意一些要点:
* 一个可选的组件可以用在高层API,也可以用在底层API,例如上面的ftglyph;
* 有些可选组件使用模块特定的接口,而不是基础层的接口,上例中,ftmm直接访问Type1模块来访问数据;
* 一个可替代的组件能够提供一个高层API的函数,例如,ftinit提供FT_Init_FreeType()
二、公共对象和类
1、FT中的面向对象
虽然FT是使用ANSI C编写,但是采用面向对象的思想,是这个库非常容易扩展,因此,下面有一些代码规约。
1. 每个对象类型/类都有一个对应的结构类型和一个对应的结构指针类型,后者称为类型/类的句柄类型
设想我们需要管理FT中一个foo类的对象,可以定义如下
typedef struct FT_FooRec_* FT_Foo;
typedef struct FT_FooRec_
{
// fields for the foo class
…
}FT_FooRec;
依照规约,句柄类型使用简单而有含义的标识符,并以FT_开始,如FT_Foo,而结构体使用相同的名称但是加上Rec后缀。Rec是记录的缩写。每个类类型都有对应的句柄类型;
2. 类继承通过将基类包装到一个新类中实现,例如,我们定义一个foobar类,从foo类继承,可以实现为
typedef struct FT_FooBarRec_ * FT_FooBar;
typedef struct FT_FooBarRec_
{
FT_FooRec root; //基类
}FT_FooBarRec;
可以看到,将一个FT_FooRec放在FT_FooBarRec定义的开始,并约定名为root,可以确保一个foobar对象也是一个foo对象。
在实际使用中,可以进行类型转换。
后面
2、FT_Library类
这个类型对应一个库的单一实例句柄,没有定义相应的FT_LibraryRec,使客户应用无法访问它的内部属性。
库对象是所有FT其他对象的父亲,你需要在做任何事情前创建一个新的库实例,销毁它时会自动销毁他所有的孩子,如face和module等。
通常客户程序应该调用FT_Init_FreeType()来创建新的库对象,准备作其他操作时使用。
另一个方式是通过调用函数FT_New_Library()来创建一个新的库对象,它在<freetype/ftmodule.h>中定义,这个函数返回一个空的库,没有任何模块注册,你可以通过调用FT_Add_Module()来安装模块。
调 用FT_Init_FreeType()更方便一些,因为他会缺省地注册一些模块。这个方式中,模块列表在构建时动态计算,并依赖ftinit部件的内 容。(见ftinit.c[l73]行,include FT_CONFIG_MODULES_H,其实就是包含ftmodule.h,在ftmodule.h中定义缺省的模块,所以模块数组 ft_default_modules的大小是在编译时动态确定的。)
3、FT_Face类
一个外观对象对应单个字体外观,即一个特定风格的特定外观类型,例如Arial和Arial Italic是两个不同的外观。
一个外观对象通常使用FT_New_Face()来创建,这个函数接受如下参数:一个FT_Library句柄,一个表示字体文件的C文件路径名,一个决定从文件中装载外观的索引(一个文件中可能有不同的外观),和FT_Face句柄的地址,它返回一个错误码。
FT_Error FT_New_Face( FT_Library library,
const char* filepathname,
FT_Long face_index,
FT_Face* face);
函数调用成功,返回0,face参数将被设置成一个非NULL值。
外观对象包含一些用来描述全局字体数据的属性,可以被客户程序直接访问。例如外观中字形的数量、外观家族的名称、风格名称、EM大小等,详见FT_FaceRec定义。
4、FT_Size类
每个FT_Face对象都有一个或多个FT_Size对象,一个尺寸对象用来存放指定字符宽度和高度的特定数据,每个新创建的外观对象有一个尺寸,可以通过face->size直接访问。
尺寸对象的内容可以通过调用FT_Set_Pixel_Sizes()或FT_Set_Char_Size()来改变。
一个新的尺寸对象可以通过FT_New_Size()创建,通过FT_Done_Size()销毁,一般客户程序无需做这一步,它们通常可以使用每个FT_Face缺省提供的尺寸对象。
FT_Size 公共属性定义在FT_SizeRec中,但是需要注意的是有些字体驱动定义它们自己的FT_Size的子类,以存储重要的内部数据,在每次字符大小改变时 计算。大多数情况下,它们是尺寸特定的字体hint。例如,TrueType驱动存储CVT表,通过cvt程序执行将结果放入TT_Size结构体中,而 Type1驱动将scaled global metrics放在T1_Size对象中。
5、FT_GlyphSlot类
字 形槽的目的是提供一个地方,可以很容易地一个个地装入字形映象,而不管它的格式(位图、向量轮廓或其他)。理想的,一旦一个字形槽创建了,任何字形映象可 以装入,无需其他的内存分配。在实际中,只对于特定格式才如此,像TrueType,它显式地提供数据来计算一个槽地最大尺寸。
另一个字形槽地原因是他用来为指定字形保存格式特定的hint,以及其他为正确装入字形的必要数据。
基本的FT_GlyphSlotRec结构体只向客户程序展现了字形metics和映象,而真正的实现回包含更多的数据。
例如,TrueType特定的TT_GlyphSlotRec结构包含附加的属性,存放字形特定的字节码、在hint过程中暂时的轮廓和其他一些东西。
最后,每个外观对象有一个单一字形槽,可以用face->glyph直接访问。
6、FT_CharMap类
FT_CharMap类型用来作为一个字符地图对象的句柄,一个字符图是一种表或字典,用来将字符码从某种编码转换成字体的字形索引。
单个外观可能包含若干字符图,每个对应一个指定的字符指令系统,例如Unicode、Apple Roman、Windows codepages等等。
每个FT_CharMap对象包含一个platform和encoding属性,用来标识它对应的字符指令系统。每个字体格式都提供它们自己的FT_CharMapRec的继承类型并实现它们。
7、对象关系
下图正好概述了我们之前所说的关于库里的公共类托管,除此之外还明确描述了它们之前的关系。
三、内部对象和类
1、内存管理
所 有内存管理操作通过基础层中3个特定例程完成,叫做FT_Alloc、FT_Realloc、 FT_Free,每个函数需要一个 FT_Memory句柄作为它的第一个参数。它是一个用来描述当前内存池/管理器对象的指针。在库初始化时,在FT_Init_FreeType中调用函 数FT_New_Memory创建一个内存管理器,这个函数位于ftsystem部件当中。
缺省情况下,这个管理器使用ANSI malloc、realloc和free函数,不过ftsystem是基础层中一个可替换的部分,库的特定构建可以提供不同的内存管理器。即使使用缺省的 版本,客户程序仍然可以提供自己的内存管理器,通过如下的步骤,调用FT_Init_FreeType实现:
1. 手工创建一个FT_Memory对象,FT_MemoryRec位于公共文件<freetype/ftsystem.h>中。
2. 使用你自己的内存管理器,调用FT_New_Library()创建一个新的库实例。新的库没有包含任何已注册的模块。
3. 通过调用函数FT_Add_Default_Modules()(在ftinit部件中)注册缺省的模块,或者通过反复调用FT_Add_Module手工注册你的驱动。
2、输入流
字 体文件总是通过FT_Stream对象读取,FT_StreamRec的定义位于公共文件<freetype/ftsystem.h>中,可 以允许客户开发者提供自己的流实现。FT_New_Face()函数会自动根据他第二个参数,一个C路径名创建一个新的流对象。它通过调用由 ftsystem部件提供的FT_New_Stream()完成,后者时可替换的,在不同平台上,流的实现可能大不一样。
举例来说,流的缺省实现位于文件src/base/ftsystem.c并使用ANSI fopen/fseek和fread函数。不过在FT2的Unix版本中,提供了另一个使用内存映射文件的实现,对于主机系统来说,可以大大提高速度。
FT区分基于内存和基于磁盘的流,对于前者,所有数据在内存直接访问(例如ROM、只写静态数据和内存映射文件),而后者,使用帧(frame)的概念从字体文件中读出一部分,使用典型的seek/read操作并暂时缓冲。
FT_New_Memory_Face 函数可以用来直接从内存中可读取的数据创建/打开一个FT_Face对象。最后,如果需要客户输入流,客户程序能够使用FT_Open_Face()函数 接受客户输入流。这在压缩或远程字体文件的情况下,以及从特定文档抽取嵌入式字体文件非常有用。
注意每个外观拥有一个流,并且通过FT_Done_Face被销毁。总的来说,保持多个FT_Face在打开状态不是一个很好的主意。
3、模块
FT2 模块本身是一段代码,库调用FT_Add_Moudle()函数注册模块,并为每个模块创建了一个FT_Module对象。FT_ModuleRec的定 义对客户程序不是公开的,但是每个模块类型通过一个简单的公共结构FT_Module_Class描述,它定义在< freetype/ftmodule.h>中,后面将详述。
当调用FT_Add_Module是,需要指定一个FT_Module_Class结构的指针,它的声明如下:
FT_Error FT_Add_Module( FT_Library library,
const FT_Module_Class* clazz);
调用这个函数将作如下操作:
* 检查库中是否已经有对应FT_Module_Class指名的模块对象;
* 如果是,比较模块的版本号看是否可以升级,如果模块类的版本号小于已装入的模块,函数立即返回。当然,还要检查正在运行的FT版本是否满足待装模块所需FT的版本。
* 创建一个新的FT_Module对象,使用模块类的数据的标志决定它的大小和如何初始化;
* 如果在模块类中有一个模块初始器,它将被调用完成模块对象的初始化;
* 新的模块加入到库的“已注册”模块列表中,对升级的情况,先前的模块对象只要简单的销毁。
注意这个函数并不返回FT_Module句柄,它完全是库内部的事情,客户程序不应该摆弄他。最后,要知道FT2识别和管理若干种模块,这在后面将有详述,这里列举如下:
* 渲染器模块用来将原始字形映象转换成位图或象素图。FT2自带两个渲染器,一个是生成单色位图,另一个生成高质量反走样的象素图。
* 字体驱动模块用来支持多种字体格式,典型的字体驱动需要提供特定的FT_Face、FT_Size、FT_GlyphSlot和FT_CharMap的实现;
* 助手模块被多个字体驱动共享,例如sfnt模块分析和管理基于SFNT字体格式的表,用于TrueType和OpenType字体驱动;
* 最后,auto-hinter模块在库设计中有特殊位置,它不管原始字体格式,处理向量字形轮廓,使之产生优质效果。
注意每个FT_Face对象依据原始字体文件格式,都属于相应的字体驱动。这就是说,当一个模块从一个库实例移除/取消注册后,所有的外观对象都被销毁(通常是调用FT_Remove_Module()函数)。
因此,你要注意当你升级或移除一个模块时,没有打开FT_Face对象,因为这会导致不预期的对象删除。
4、库
现在来说说FT_Library对象,如上所述,一个库实例至少包含如下:
* 一个内存管理对象(FT_Memory),用来在实例中分配、释放内存;
* 一个FT_Module对象列表,对应“已安装”或“已注册”的模块,它可以随时通过FT_Add_Module()和FT_Remove_Module()管理;
* 记住外观对象属于字体驱动,字体驱动模块属于库。
还有一个对象属于库实例,但仍未提到:raster pool
光栅池是一个固定大小的一块内存,为一些内存需要大的操作作为内部的“草稿区域”,避免内存分配。例如,它用在每个渲染器转换一个向量字形轮廓到一个位图时(这其实就是它为何叫光栅池的原因)。
光栅池的大小在初始化的时候定下来的(缺省为16k字节),运行期不能修改。当一个瞬时操作需要的内存超出这个池的大小,可以另外分配一块作为例外条件,或者是递归细分任务,以确保不会超出池的极限。
这种极度的内存保守行为是为了FT的性能考虑,特别在某些地方,如字形渲染、扫描线转换等。
5、总结
最后,下图展示的上面所述内容,他表示FT基本设计的对象图
四、模块类
在FT中有若干种模块
* 渲染模块,用来管理可缩放的字形映象。这意味这转换它们、计算边框、并将它们转换成单色和反走样位图。FT可以处理任何类型的字形映像,只要为它提供了一个渲染模块,FT缺省带了两个渲染器
raster 支持从向量轮廓(由FT_Outline对象描述)到单色位图的转换
smooth 支持同样的轮廓转换到高质量反走样的象素图,使用256级灰度。这个渲染器也支持直接生成span。
* 字体驱动模块,用来支持一种或多种特定字体格式,缺省情况下,FT由下列字体驱动
truetype 支持TrueType字体文件
type1 支持PostScript Type1字体,可以是二进制(.pfb)和ASCII(.pfa)格式,包括Multiple Master字体
cid 支持Postscript CID-keyed字体
cff 支持OpenType、CFF和CEF字体(CEF是CFF的一个变种,在Adobe的SVG Viewer中使用
winfonts 支持Windows位图字体,.fon和.fnt
字体驱动可以支持位图和可缩放的字形映象,一个特定支持Bezier轮廓的字体驱动通过FT_Outline可以提供他自己的hinter,或依赖FT的autohinter模块。
* 助手模块,用来处理一些共享代码,通常被多个字体驱动,甚至是其他模块使用,缺省的助手如下
sfnt 用来支持基于SFNT存储纲要的字体格式,TrueType和OpenType字体和其他变种
psnames 用来提供有关字形名称排序和Postscript编码/字符集的函数。例如他可以从一个Type1字形名称字典中自动合成一个Unicode字符图。
psaux 用来提供有关Type1字符解码的函数,type1、cid和cff都需要这个特性
* 最后,autohinter模块在FT中是特殊角色,当一个字体驱动没有提供自己的hint引擎时,他可以在字形装载时处理各自的字形轮廓。
我们现在来学习模块是如何描述以及如何被FreeType2库管理的。
1 FT_Module_Class结构
2 FT_Module类型