FreeType 2的设计——《The design of FreeType 2》中译版

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）

如下需求对Freetype 2的设计有很大的影响：

* 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（模块的接口表示为带颜色的三角形）：

另外，有一些附加的模块，可以加到这个图形中，使之更加完善：

* 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。

注意FT_FooBar句柄也指向一个foo对象，可以类型转换FT_Foo句柄。同样，如果库返回应用程序一个foo句柄，该句柄可能指向foobar对象或者其他的foo派生类的对象。

后面的章节中，我们将用“FT_Foo类”来表示FT_Foo指向的对象类型。他可以指向foo和foobar等。

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。在本文的后面章节中，还将会详细介绍。

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，而真正的实现会包含更多的数据。

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

下图简要的说明了上述类对象，也描述他们之间的关系：在下一章的结尾，我们会更新这张图。

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，需要确保没有打开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；

* 记住外观对象隶属于字体驱动，字体驱动模块隶属于库。

还有一个对象属于库实例，但仍未提到：光栅池（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