【CG】常见的空间加速结构:不容忽视的建筑组件
前言
本文开始介绍一些常见的空间加速结构,这些加速结构可能会被广泛地应用于各个开发场景,在渲染、光线追踪等情境下尤甚。本文是一个开始,只入门性质地介绍一些浅显的理论和精简的实现。
常见的空间加速结构
- 八叉树
- bvh树
- k-d树
八叉树(Octree)
是一种耳熟能详的数据结构,它本质上二叉树(Binarytree)
及四叉树(Quadtree)
没什么区别。只不过在树的规模,划分的维度上有些区别,但划分的方法都是绝对公平的均匀划分。
四叉树会均匀地将平面划分为四等份,然后继续递归划分。
Quadtree
八叉树会均匀地将空间划分为八等份,然后继续递归划分。所以八叉树的节点是基于空间的,代表着场景空间中的一块区域。
Octree
八叉树的实现相当简单,会写二叉树的同学十六叉树应该也是信手拈来。关于其在工程上的实现后文会提到。而其在算法上的实现,这里可以参考一道古老的关于四叉树的算法题稍作了解。
Quadtrees UVA-297
char s1[maxn], s2[maxn];
int id, deep;
const int root = 1;
int Left[maxn], Right[maxn], Up[maxn], Down[maxn], cnt;
int val[maxn];
void init() {
Left[root] = Right[root] = Up[root] = Down[root] = 0;
cnt = root;
met(val, 0);
}
int newnode() {
int u = ++cnt;
Left[u] = Right[u] = Up[u] = Down[u] = 0;
return u;
}
void build(char s[], int rt, int depth) {
if(s[id] == 'f') {
if(val[rt] == 0) val[rt] = 1;
Left[rt] = Right[rt] = Up[rt] = Down[rt] = 0;
}
else if(s[id] == 'e') {}
else {
if(Left[rt] == 0) Left[rt] = newnode();
++id; build(s, Left[rt], depth+1);
if(Right[rt] == 0) Right[rt] = newnode();
++id; build(s, Right[rt], depth+1);
if(Up[rt] == 0) Up[rt] = newnode();
++id; build(s, Up[rt], depth+1);
if(Down[rt] == 0) Down[rt] = newnode();
++id; build(s, Down[rt], depth+1);
}
}
int solve() {
int ans = 0;
queue<int> q, d;
q.push(root); d.push(0);
while(!q.empty()) {
int t = q.front(); q.pop();
int dp = d.front(); d.pop();
if(val[t] == 1) { ans += pow(4,deep-dp); continue; }
if(Left[t] != 0) q.push(Left[t]), d.push(dp+1);
if(Right[t] != 0) q.push(Right[t]), d.push(dp+1);
if(Up[t] != 0) q.push(Up[t]), d.push(dp+1);
if(Down[t] != 0) q.push(Down[t]), d.push(dp+1);
}
return ans;
}
从实现上看一般分为两个步骤,建树
和查询
。其中建树过程会递归地划分场景空间直到达到最小粒度。而查询则是普通树的深搜或者广搜。
对于动态变化的场景,我们可能还会额外添加物体进入和离开某个八叉树节点的条件,比如离开时需要远离到更大的距离才算离开,防止某物体在两个节点间反复横跳。这种八叉树又被叫做是松散
的。
八叉树可以应用于场景管理,特别是地广人稀的室外空间的管理。还会被用在光线追踪、物理碰撞检测等方面。
bvh树
又称层次包围盒(bounding volume hierarchy based on tree)
。
bvh树
是一个二叉树
,每个节点最多只有两个子节点。
bvh树
的节点与八叉树不同,它并不是基于空间的,而是基于场景中物体的图元的,更准确的说,是基于图元的包围盒的。它首先需要将场景中所有的物体的图元(物体本身、物体的一部分或三角形面片等各个粒度都可)的包围盒(AABB包围盒或球形包围盒都可)作为输入。
bvh
bvh树
的建树过程也是一个递归的过程。它需要将场景中所有的图元加到根结点上,然后从根节点递归地进行划分,直到某节点的图元数量为1或者达到最小粒度终止。
其一次划分的结果是给当前被划分的节点生成了左右两个子节点,子节点的内容是其包含的图元列表。然后再分别用同样的方式划分左右两个子节点。划分一个节点的过程大致如下。
1.首先遍历当前节点的所有图元,构建一个最小的包含所有图元的中心点的包围盒,并求出这个包围盒最长的那个轴。
2.延该轴进行划分,划分的方法有很多种,这里介绍一下其中比较经典的一种
SAH(surface area heuristic)
。
SAH
如上图所示。这种方法首先把场景按该轴的方向划分成多个同等宽度的桶bucket
。
然后遍历当前节点的所有图元,将它们放到它们的中心点所性的bucket里,并更新bucket的包围盒大小。至此生成完备的bucket
数据。
然后遍历每一个bucket
,求如果以这个bucket作为分界线划分右左右两个子节点会产生多少消耗。从中选取消耗最小的bucket
作为划分的边界。将该bucket
左边的所有bucket里的图元放到左子节点里,右边的放到右子节点里。
而消耗的计算,则使用以下公式。
其中
和
是两个可配置的与光线追踪有关的系数,这里可以认为是常数。
分别是两边包围盒的大小占该节点总包围盒大小的面积比例。
分别是两边所拥有的图元数量。
上述公式转换成求每个bucket
的消耗的代码如下。
<<Compute costs for splitting after each bucket>>=
Float cost[nBuckets - 1];
for (int i = 0; i < nBuckets - 1; ++i) {
Bounds3f b0, b1;
int count0 = 0, count1 = 0;
for (int j = 0; j <= i; ++j) {
b0 = Union(b0, buckets[j].bounds);
count0 += buckets[j].count;
}
for (int j = i+1; j < nBuckets; ++j) {
b1 = Union(b1, buckets[j].bounds);
count1 += buckets[j].count;
}
cost[i] = .125f + (count0 * b0.SurfaceArea() +
count1 * b1.SurfaceArea()) / bounds.SurfaceArea();
}
3.对划分出来的左右子节点同样进行步骤1、2,直到图元数量为1或者达到最小粒度终止。
以上过程可参考pbrt 4.3 Bounding Volume Hierarchies
在pbrt
里介绍了很多种划分方法,上面只是其中一种SAL
。
<<BVHAccel Public Types>>=
enum class SplitMethod { SAH, HLBVH, Middle, EqualCounts };
可以看出,正因为bvh树
的节点是基于图元而非基于空间的,所以它具有更灵活的粒度来分割物体,比八叉树更适合用于光线追踪,划分效率更高。
我们也可以选择不同类型的包围盒参与bvh树
的划分,如AABB包围盒可以生成AABB层次包围盒树
,或者最简单的球体包围盒生成球体树
,都有其异同和优缺点。
k-d树(k-dimensional tree)
也是一个二叉树,每个节点也是最多只有左右两个子节点。
k-d树
的节点也不是基于空间的,也是和物体相关的,但它并非是真正服务于物体的,而是真正服务于坐标点的。我们会将场景中所有物体的中心坐标点作为数据输入来建树。
k-d树
的建树过程也是递归的。首先需要将所有的坐标点作为输入数据加到根节点上,其递归过程大致如下。
1.对于当前节点的所有坐标点,选择一个方差最大的维度作为其主维度开始进行划分。
2.在主维度上,选定中值所在的坐标点作为当前节点的主坐标点,经过该坐标点并与主维度垂直可确定一个唯一的平面,这个平面称作超平面,每个节点其实代表着一个超平面。
3.在主维度上小于中值的坐标点放在左节点上,大于的放在右节点上,生成当前节点两个子节点。
4.对各个子节点,重复步骤1、2、3直到不可继续划分或达到划分粒度。
k-d tree build
k-d tree result
k-d树
其实在每个维度上都是一个相对严格的二叉树,只不过各个维度的数据交错起来了。在一个维度上生成二叉树的时间复杂度是O(nlogn)
,所以k-d树的
建树时间复杂度为
。
k-d树
的查询是极快的O(logn)
,因为对于每一个节点来说,都只需要比较它的某一个维度的数据。所以它经常被用作给定坐标点的最近邻查询
,即查询与给定坐标点最接近的k个点及其最近距离。即使是进行区间查询,k-d树
的时间复杂度也可以达到
。
其在算法上的实现也可以参考一道老题。
HDU-4347 The Closest M Points
struct Point
{
int x[maxk];
bool operator<(const Point &o)const
{
return x[idx]<o.x[idx];
}
}poi[maxn];
typedef pair<double,Point> P;
priority_queue<P> Q;
struct kdTree
{
#define sqr(x) ((x)*(x))
#define ls (rt<<1)
#define rs (rt<<1|1)
int k;
Point o[maxn<<2];
int son[maxn<<2];
void build(int rt, int l, int r, int dep)
{
if(l > r) { return; }
son[rt] = r-l, son[ls] = son[rs] = -1;
idx = dep % k;
int mid = (l+r) >> 1;
nth_element(poi+l, poi+mid, poi+r+1);
o[rt]=poi[mid];
build(ls,l,mid-1,dep+1);
build(rs,mid+1,r,dep+1);
}
void query(int rt, Point p, int m, int dep)
{
if(son[rt] == -1) { return; };
P nd(0, o[rt]);
for(int i = 0; i < k; i++) { nd.fi += sqr(nd.se.x[i]-p.x[i]); }
bool fg=0;
int dim = dep % k, x = ls, y = rs;
if(p.x[dim] >= o[rt].x[dim]) { swap(x, y); }
if(~son[x]) { query(x, p, m, dep+1); }
if(Q.size() < m)
{
Q.push(nd);
if(~son[y]) { query(y, p, m, dep+1); }
}
else
{
if(nd.fi < Q.top().fi) { Q.pop(); Q.push(nd); }
if(sqr(p.x[dim] - o[rt].x[dim]) < Q.top().fi)
{
if(~son[y]) { query(y, p, m, dep+1); }
}
}
}
}kdtree;
像这种以超平面为节点的二叉空间分割树,有一个更一般的数据结构叫做bsp树(binary space partitioning tree)
,其每个节点的超平面可以是任意超平面。
bsp truee
所以k-d树
实际上是一种特殊的bsp树
,它是超平面只与坐标轴平行的bsp树
。
由于可以是任意超平面,所以bsp树
的构建比k-d树
要更复杂些,主要原因是判断该超平面与物体的关系时的情况有些复杂,无法像k-d树
那样只通过一个维度的数据就可判断,而且还有可能出现同一个物体有一部分在超平面前,有一部分在超平面后的情况,此时则需要进一步分割物体,使其一部分添加在前方的节点里,一部分添加在后方的结点里。
可以发现,上述三者一个最明显的区别就是节点内容。
八叉树的节点内容是空间的区域以及该区域内的物体列表。 bvh树的节点内容是场景中的划分到该节点的图元(及其包围盒)列表。 k-d树的节点内容是三维的空间坐标点,以及当前深度的维度,从而确定一个当前节点所代表的超平面。
上面是各加速结构在算法上的原理及实现,但在工程上的实现却又不完全是那么回事,下面以unreal中的八叉树实现来体会一下。
unreal中的八叉树实现
八叉树(Octree)
在ue4中工程化的实现方式的大部分代码位于Engine\Source\Runtime\Engine\Public
下的GenericOctree.h
和GenericOctree.inl
。
/** An octree. */
template<typename ElementType,typename OctreeSemantics>
class TOctree
{
public:
typedef TArray<ElementType, typename OctreeSemantics::ElementAllocator> ElementArrayType;
typedef typename ElementArrayType::TConstIterator ElementConstIt;
/** A node in the octree. ============================== */
class FNode
{
public:
friend class TOctree;
explicit FNode(const FNode* InParent);
~FNode();
private:
mutable ElementArrayType Elements;
const FNode* Parent;
mutable FNode* Children[8];
mutable uint32 InclusiveNumElements : 31;
mutable uint32 bIsLeaf : 1;
};
/** A node in the octree. ============================== */
/** An octree node iterator. =========================== */
template<typename StackAllocator = DefaultStackAllocator>
class TConstIterator
{
public:
void PushChild(FOctreeChildNodeRef ChildRef);
void Advance();
bool HasPendingNodes() const;
FNodeReference CurrentNode;
TArray<FNodeReference,StackAllocator> NodeStack;
};
/** An octree node iterator. =========================== */
void AddElement(typename TTypeTraits<ElementType>::ConstInitType Element);
void RemoveElement(FOctreeElementId ElementId);
TOctree(const FVector& InOrigin,float InExtent);
private:
FNode RootNode;
FOctreeNodeContext RootNodeContext;
float MinLeafExtent;
void AddElementToNode(
typename TTypeTraits<ElementType>::ConstInitType Element,
const FNode& InNode,
const FOctreeNodeContext& InContext
);
};
这是一个模板类。其模板参数ElementType
是每个节点的真正内容。OctreeSemantics
是模板的辅助语义,它使得使用者在该类中某些固定的流程结构中定制特定的步骤或数据,这在设计模式中称为模板方法模式(Template Method)
。
以ue4场景中的物体为例,它使用了以下类型作为模板参数来达到定制化的八叉树。
typedef TOctree<class FPrimitiveSceneInfoCompact,struct FPrimitiveOctreeSemantics> FScenePrimitiveOctree;
class FPrimitiveSceneInfoCompact
{
// ...
};
struct FPrimitiveOctreeSemantics
{
enum { MaxElementsPerLeaf = 256 };
enum { MinInclusiveElementsPerNode = 7 };
enum { MaxNodeDepth = 12 };
typedef TInlineAllocator<MaxElementsPerLeaf> ElementAllocator;
FORCEINLINE static const FBoxSphereBounds& GetBoundingBox(const FPrimitiveSceneInfoCompact& PrimitiveSceneInfoCompact)
{
return PrimitiveSceneInfoCompact.Bounds;
}
FORCEINLINE static bool AreElementsEqual(const FPrimitiveSceneInfoCompact& A,const FPrimitiveSceneInfoCompact& B)
{
return A.PrimitiveSceneInfo == B.PrimitiveSceneInfo;
}
FORCEINLINE static void SetElementId(const FPrimitiveSceneInfoCompact& Element,FOctreeElementId Id)
{
Element.PrimitiveSceneInfo->OctreeId = Id;
}
};
建树参数
template<typename ElementType,typename OctreeSemantics>
TOctree<ElementType,OctreeSemantics>::TOctree(const FVector& InOrigin,float InExtent)
: RootNode(NULL)
, RootNodeContext(FBoxCenterAndExtent(InOrigin,FVector(InExtent,InExtent,InExtent)),0,0)
, MinLeafExtent(InExtent * FMath::Pow((1.0f + 1.0f / (float)FOctreeNodeContext::LoosenessDenominator) / 2.0f,OctreeSemantics::MaxNodeDepth))
, TotalSizeBytes(0)
{
}
构建一个八叉树需要以下参数。
Origin -- 树的原点。 Extent -- 树的范围(最大的包围盒)。 LoosenessDenominator -- 松散度分母,用于计算同级节点重合部分。由此也可以看出unreal实现的八叉树其实是一个松散八叉树。 MaxNodeDepth -- 最大的节点深度。
建树流程
unreal中的建树流程,即添加一个物体到八叉树中的流程,如下所示。
1.以根节点作为当前Node,开始使用迭代器遍历node。
这里的迭代器实现了一种深度优先遍历,它维护了一个以节点索引为元素的栈。
对于当前的节点,调用TConstIterator::PushChild()
将其子元素压入栈顶。并调用TConstIterator::Advance()
进行迭代,每次迭代将栈顶元素出栈。
2.如果当前节点非最终的叶子节点或者当前节点拥有的元素过多,则尝试创建其子节点。
创建子结点的规则是,如果某个子节点完全包含物体,则将该子节点压入迭代器,等下次迭代便可处理该子节点。
如果当前节点并没有子节点可以完全包含物体,则直接将该物体放入当前节点中。
3.如果当前节点为最小粒度的叶节点,则直接将物体放入其中。
template<typename ElementType,typename OctreeSemantics>
void TOctree<ElementType,OctreeSemantics>::AddElementToNode(
typename TTypeTraits<ElementType>::ConstInitType Element,
const FNode& InNode,
const FOctreeNodeContext& InContext
)
{
const FBoxCenterAndExtent ElementBounds(OctreeSemantics::GetBoundingBox(Element));
for(TConstIterator<TInlineAllocator<1> > NodeIt(InNode,InContext); NodeIt.HasPendingNodes(); NodeIt.Advance())
{
const FNode& Node = NodeIt.GetCurrentNode();
const FOctreeNodeContext& Context = NodeIt.GetCurrentContext();
const bool bIsLeaf = Node.IsLeaf();
bool bAddElementToThisNode = false;
Node.InclusiveNumElements++;
if(bIsLeaf)
{
if(Node.Elements.Num() + 1 > OctreeSemantics::MaxElementsPerLeaf && Context.Bounds.Extent.X > MinLeafExtent)
{
Node.InclusiveNumElements = 0;
Node.bIsLeaf = false;
AddElementToNode(Element,Node,Context);
return;
}
else { bAddElementToThisNode = true; }
}
else
{
const FOctreeChildNodeRef ChildRef = Context.GetContainingChild(ElementBounds);
if(ChildRef.IsNULL()) { bAddElementToThisNode = true; }
else
{
if(!Node.Children[ChildRef.Index])
{
Node.Children[ChildRef.Index] = new typename TOctree<ElementType,OctreeSemantics>::FNode(&Node);
}
// iterate child node
NodeIt.PushChild(ChildRef);
}
}
// add to this node and return
if(bAddElementToThisNode)
{
new(Node.Elements) ElementType(Element);
OctreeSemantics::SetElementId(Element,FOctreeElementId(&Node,Node.Elements.Num() - 1));
return;
}
}
}
后记
本文所阐述的空间加速结构只是一个初步的概念认识和简单实现,后续会继续更新一些使用细节和扩展,以及更高科技一些的使用方式,如在GPU上并行建树等具有实际价值的方法。但无论如何,掌握理论总是首要的。
推荐阅读
-
【CG】常见的空间加速结构:不容忽视的建筑组件
-
SSM三大框架基础面试题-一、Spring篇 什么是Spring框架? Spring是一种轻量级框架,提高开发人员的开发效率以及系统的可维护性。 我们一般说的Spring框架就是Spring Framework,它是很多模块的集合,使用这些模块可以很方便地协助我们进行开发。这些模块是核心容器、数据访问/集成、Web、AOP(面向切面编程)、工具、消息和测试模块。比如Core Container中的Core组件是Spring所有组件的核心,Beans组件和Context组件是实现IOC和DI的基础,AOP组件用来实现面向切面编程。 Spring的6个特征: 核心技术:依赖注入(DI),AOP,事件(Events),资源,i18n,验证,数据绑定,类型转换,SpEL。 测试:模拟对象,TestContext框架,Spring MVC测试,WebTestClient。 数据访问:事务,DAO支持,JDBC,ORM,编组XML。 Web支持:Spring MVC和Spring WebFlux Web框架。 集成:远程处理,JMS,JCA,JMX,电子邮件,任务,调度,缓存。 语言:Kotlin,Groovy,动态语言。 列举一些重要的Spring模块? Spring Core:核心,可以说Spring其他所有的功能都依赖于该类库。主要提供IOC和DI功能。 Spring Aspects:该模块为与AspectJ的集成提供支持。 Spring AOP:提供面向切面的编程实现。 Spring JDBC:Java数据库连接。 Spring JMS:Java消息服务。 Spring ORM:用于支持Hibernate等ORM工具。 Spring Web:为创建Web应用程序提供支持。 Spring Test:提供了对JUnit和TestNG测试的支持。 谈谈自己对于Spring IOC和AOP的理解 IOC(Inversion Of Controll,控制反转)是一种设计思想: 在程序中手动创建对象的控制权,交由给Spring框架来管理。IOC在其他语言中也有应用,并非Spring特有。IOC容器实际上就是一个Map(key, value),Map中存放的是各种对象。 将对象之间的相互依赖关系交给IOC容器来管理,并由IOC容器完成对象的注入。这样可以很大程度上简化应用的开发,把应用从复杂的依赖关系中解放出来。IOC容器就像是一个工厂一样,当我们需要创建一个对象的时候,只需要配置好配置文件/注解即可,完全不用考虑对象是如何被创建出来的。在实际项目中一个Service类可能由几百甚至上千个类作为它的底层,假如我们需要实例化这个Service,可能要每次都搞清楚这个Service所有底层类的构造函数,这可能会把人逼疯。如果利用IOC的话,你只需要配置好,然后在需要的地方引用就行了,大大增加了项目的可维护性且降低了开发难度。 Spring中的bean的作用域有哪些? 1.singleton:该bean实例为单例 2.prototype:每次请求都会创建一个新的bean实例(多例)。 3.request:每一次HTTP请求都会产生一个新的bean,该bean仅在当前HTTP request内有效。 4.session:每一次HTTP请求都会产生一个新的bean,该bean仅在当前HTTP session内有效。 5.global-session:全局session作用域,仅仅在基于Portlet的Web应用中才有意义,Spring5中已经没有了。Portlet是能够生成语义代码(例如HTML)片段的小型Java Web插件。它们基于Portlet容器,可以像Servlet一样处理HTTP请求。但是与Servlet不同,每个Portlet都有不同的会话。 Spring中的单例bean的线程安全问题了解吗? 概念用于理解:大部分时候我们并没有在系统中使用多线程,所以很少有人会关注这个问题。单例bean存在线程问题,主要是因为当多个线程操作同一个对象的时候,对这个对象的非静态成员变量的写操作会存在线程安全问题。 有两种常见的解决方案(用于回答的点): 1.在bean对象中尽量避免定义可变的成员变量(不太现实)。 2.在类中定义一个ThreadLocal成员变量,将需要的可变成员变量保存在ThreadLocal(线程本地化对象)中(推荐的一种方式)。 ThreadLocal解决多线程变量共享问题(参考博客):https://segmentfault.com/a/1190000009236777 Spring中Bean的生命周期: 1.Bean容器找到配置文件中Spring Bean的定义。 2.Bean容器利用Java Reflection API创建一个Bean的实例。 3.如果涉及到一些属性值,利用set方法设置一些属性值。 4.如果Bean实现了BeanNameAware接口,调用setBeanName方法,传入Bean的名字。 5.如果Bean实现了BeanClassLoaderAware接口,调用setBeanClassLoader方法,传入ClassLoader对象的实例。 6.如果Bean实现了BeanFactoryAware接口,调用setBeanClassFacotory方法,传入ClassLoader对象的实例。 7.与上面的类似,如果实现了其他*Aware接口,就调用相应的方法。 8.如果有和加载这个Bean的Spring容器相关的BeanPostProcessor对象,执postProcessBeforeInitialization方法。 9.如果Bean实现了InitializingBean接口,执行afeterPropertiesSet方法。 10.如果Bean在配置文件中的定义包含init-method属性,执行指定的方法。 11.如果有和加载这个Bean的Spring容器相关的BeanPostProcess对象,执行postProcessAfterInitialization方法。 12.当要销毁Bean的时候,如果Bean实现了DisposableBean接口,执行destroy方法。 13.当要销毁Bean的时候,如果Bean在配置文件中的定义包含destroy-method属性,执行指定的方法。 Spring框架中用到了哪些设计模式? 1.工厂设计模式:Spring使用工厂模式通过BeanFactory和ApplicationContext创建bean对象。 2.代理设计模式:Spring AOP功能的实现。 3.单例设计模式:Spring中的bean默认都是单例的。 4.模板方法模式:Spring中的jdbcTemplate、hibernateTemplate等以Template结尾的对数据库操作的类,它们就使用到了模板模式。 5.包装器设计模式:我们的项目需要连接多个数据库,而且不同的客户在每次访问中根据需要会去访问不同的数据库。这种模式让我们可以根据客户的需求能够动态切换不同的数据源。 6.观察者模式:Spring事件驱动模型就是观察者模式很经典的一个应用。 7.适配器模式:Spring AOP的增强或通知(Advice)使用到了适配器模式、Spring MVC中也是用到了适配器模式适配Controller。 还有很多。。。。。。。 @Component和@Bean的区别是什么 1.作用对象不同。@Component注解作用于类,而@Bean注解作用于方法。 2.@Component注解通常是通过类路径扫描来自动侦测以及自动装配到Spring容器中(我们可以使用@ComponentScan注解定义要扫描的路径)。@Bean注解通常是在标有该注解的方法中定义产生这个bean,告诉Spring这是某个类的实例,当我需要用它的时候还给我。 3.@Bean注解比@Component注解的自定义性更强,而且很多地方只能通过@Bean注解来注册bean。比如当引用第三方库的类需要装配到Spring容器的时候,就只能通过@Bean注解来实现。 @Configuration public class AppConfig { @Bean public TransferService transferService { return new TransferServiceImpl; } } <beans> <bean id="transferService" class="com.kk.TransferServiceImpl"/> </beans> @Bean public OneService getService(status) { case (status) { when 1: return new serviceImpl1; when 2: return new serviceImpl2; when 3: return new serviceImpl3; } } 将一个类声明为Spring的bean的注解有哪些? 声明bean的注解: @Component 组件,没有明确的角色 @Service 在业务逻辑层使用(service层) @Repository 在数据访问层使用(dao层) @Controller 在展现层使用,控制器的声明 注入bean的注解: @Autowired:由Spring提供 @Inject:由JSR-330提供 @Resource:由JSR-250提供 *扩:JSR 是 java 规范标准 Spring事务管理的方式有几种? 1.编程式事务:在代码中硬编码(不推荐使用)。 2.声明式事务:在配置文件中配置(推荐使用),分为基于XML的声明式事务和基于注解的声明式事务。 Spring事务中的隔离级别有哪几种? 在TransactionDefinition接口中定义了五个表示隔离级别的常量:ISOLATION_DEFAULT:使用后端数据库默认的隔离级别,Mysql默认采用的REPEATABLE_READ隔离级别;Oracle默认采用的READ_COMMITTED隔离级别。ISOLATION_READ_UNCOMMITTED:最低的隔离级别,允许读取尚未提交的数据变更,可能会导致脏读、幻读或不可重复读。ISOLATION_READ_COMMITTED:允许读取并发事务已经提交的数据,可以阻止脏读,但是幻读或不可重复读仍有可能发生ISOLATION_REPEATABLE_READ:对同一字段的多次读取结果都是一致的,除非数据是被本身事务自己所修改,可以阻止脏读和不可重复读,但幻读仍有可能发生。ISOLATION_SERIALIZABLE:最高的隔离级别,完全服从ACID的隔离级别。所有的事务依次逐个执行,这样事务之间就完全不可能产生干扰,也就是说,该级别可以防止脏读、不可重复读以及幻读。但是这将严重影响程序的性能。通常情况下也不会用到该级别。 Spring事务中有哪几种事务传播行为? 在TransactionDefinition接口中定义了八个表示事务传播行为的常量。 支持当前事务的情况:PROPAGATION_REQUIRED:如果当前存在事务,则加入该事务;如果当前没有事务,则创建一个新的事务。PROPAGATION_SUPPORTS: 如果当前存在事务,则加入该事务;如果当前没有事务,则以非事务的方式继续运行。PROPAGATION_MANDATORY: 如果当前存在事务,则加入该事务;如果当前没有事务,则抛出异常。(mandatory:强制性)。 不支持当前事务的情况:PROPAGATION_REQUIRES_NEW: 创建一个新的事务,如果当前存在事务,则把当前事务挂起。PROPAGATION_NOT_SUPPORTED: 以非事务方式运行,如果当前存在事务,则把当前事务挂起。PROPAGATION_NEVER: 以非事务方式运行,如果当前存在事务,则抛出异常。 其他情况:PROPAGATION_NESTED: 如果当前存在事务,则创建一个事务作为当前事务的嵌套事务来运行;如果当前没有事务,则该取值等价于PROPAGATION_REQUIRED。 二、SpringMVC篇 什么是Spring MVC ?简单介绍下你对springMVC的理解? Spring MVC是一个基于Java的实现了MVC设计模式的请求驱动类型的轻量级Web框架,通过把Model,View,Controller分离,将web层进行职责解耦,把复杂的web应用分成逻辑清晰的几部分,简化开发,减少出错,方便组内开发人员之间的配合。 Spring MVC的工作原理了解嘛? image.png Springmvc的优点: (1)可以支持各种视图技术,而不仅仅局限于JSP; (2)与Spring框架集成(如IoC容器、AOP等); (3)清晰的角色分配:前端控制器(dispatcherServlet) , 请求到处理器映射(handlerMapping), 处理器适配器(HandlerAdapter), 视图解析器(ViewResolver)。 (4) 支持各种请求资源的映射策略。 Spring MVC的主要组件? (1)前端控制器 DispatcherServlet(不需要程序员开发) 作用:接收请求、响应结果,相当于转发器,有了DispatcherServlet 就减少了其它组件之间的耦合度。 (2)处理器映射器HandlerMapping(不需要程序员开发) 作用:根据请求的URL来查找Handler (3)处理器适配器HandlerAdapter 注意:在编写Handler的时候要按照HandlerAdapter要求的规则去编写,这样适配器HandlerAdapter才可以正确的去执行Handler。 (4)处理器Handler(需要程序员开发) (5)视图解析器 ViewResolver(不需要程序员开发) 作用:进行视图的解析,根据视图逻辑名解析成真正的视图(view) (6)视图View(需要程序员开发jsp) View是一个接口, 它的实现类支持不同的视图类型(jsp,freemarker,pdf等等) springMVC和struts2的区别有哪些? (1)springmvc的入口是一个servlet即前端控制器(DispatchServlet),而struts2入口是一个filter过虑器(StrutsPrepareAndExecuteFilter)。 (2)springmvc是基于方法开发(一个url对应一个方法),请求参数传递到方法的形参,可以设计为单例或多例(建议单例),struts2是基于类开发,传递参数是通过类的属性,只能设计为多例。 (3)Struts采用值栈存储请求和响应的数据,通过OGNL存取数据,springmvc通过参数解析器是将request请求内容解析,并给方法形参赋值,将数据和视图封装成ModelAndView对象,最后又将ModelAndView中的模型数据通过reques域传输到页面。Jsp视图解析器默认使用jstl。 SpringMVC怎么样设定重定向和转发的? (1)转发:在返回值前面加"forward:",譬如"forward:user.do?name=method4" (2)重定向:在返回值前面加"redirect:",譬如"redirect:http://www.baidu.com" SpringMvc怎么和AJAX相互调用的? 通过Jackson框架就可以把Java里面的对象直接转化成Js可以识别的Json对象。具体步骤如下 : (1)加入Jackson.jar (2)在配置文件中配置json的映射 (3)在接受Ajax方法里面可以直接返回Object,List等,但方法前面要加上@ResponseBody注解。 如何解决POST请求中文乱码问题,GET的又如何处理呢? (1)解决post请求乱码问题: 在web.xml中配置一个CharacterEncodingFilter过滤器,设置成utf-8; <filter> <filter-name>CharacterEncodingFilter</filter-name> <filter-class>org.springframework.web.filter.CharacterEncodingFilter</filter-class> <init-param> <param-name>encoding</param-name> <param-value>utf-8</param-value> </init-param> </filter> <filter-mapping> <filter-name>CharacterEncodingFilter</filter-name> <url-pattern>/*</url-pattern> </filter-mapping> (2)get请求中文参数出现乱码解决方法有两个: ①修改tomcat配置文件添加编码与工程编码一致,如下: <ConnectorURIEncoding="utf-8" connectionTimeout="20000" port="8080" protocol="HTTP/1.1" redirectPort="8443"/> ②另外一种方法对参数进行重新编码: String userName = new String(request.getParamter("userName").getBytes("ISO8859-1"),"utf-8") ISO8859-1是tomcat默认编码,需要将tomcat编码后的内容按utf-8编码。 Spring MVC的异常处理 ? 统一异常处理: Spring MVC处理异常有3种方式: (1)使用Spring MVC提供的简单异常处理器SimpleMappingExceptionResolver; (2)实现Spring的异常处理接口HandlerExceptionResolver 自定义自己的异常处理器; (3)使用@ExceptionHandler注解实现异常处理; 统一异常处理的博客:https://blog.csdn.net/ctwy291314/article/details/81983103 SpringMVC的控制器是不是单例模式,如果是,有什么问题,怎么解决? 是单例模式,所以在多线程访问的时候有线程安全问题,不要用同步,会影响性能的,解决方案是在控制器里面不能写成员变量。(此题目类似于上面Spring 中 第5题 有两种解决方案) SpringMVC常用的注解有哪些? @RequestMapping:用于处理请求 url 映射的注解,可用于类或方法上。用于类上,则表示类中的所有响应请求的方法都是以该地址作为父路径。 @RequestBody:注解实现接收http请求的json数据,将json转换为java对象。 @ResponseBody:注解实现将conreoller方法返回对象转化为json对象响应给客户。 SpingMvc中的控制器的注解一般用那个,有没有别的注解可以替代? 一般用@Controller注解,也可以使用@RestController,@RestController注解相当于@ResponseBody + @Controller,表示是表现层,除此之外,一般不用别的注解代替。 如果在拦截请求中,我想拦截get方式提交的方法,怎么配置? 可以在@RequestMapping注解里面加上method=RequestMethod.GET。 怎样在方法里面得到Request,或者Session? 直接在方法的形参中声明request,SpringMVC就自动把request对象传入。 如果想在拦截的方法里面得到从前台传入的参数,怎么得到? 直接在形参里面声明这个参数就可以,但必须名字和传过来的参数一样。 如果前台有很多个参数传入,并且这些参数都是一个对象的,那么怎么样快速得到这个对象? 直接在方法中声明这个对象,SpringMVC就自动会把属性赋值到这个对象里面。 SpringMVC中函数的返回值是什么? 返回值可以有很多类型,有String, ModelAndView。ModelAndView类把视图和数据都合并的一起的。 SpringMVC用什么对象从后台向前台传递数据的? 通过ModelMap对象,可以在这个对象里面调用put方法,把对象加到里面,前台就可以拿到数据。 怎么样把ModelMap里面的数据放入Session里面? 可以在类上面加上@SessionAttributes注解,里面包含的字符串就是要放入session里面的key。 SpringMvc里面拦截器是怎么写的: 有两种写法,一种是实现HandlerInterceptor接口,另外一种是继承适配器类,接着在接口方法当中,实现处理逻辑;然后在SpringMvc的配置文件中配置拦截器即可: <!-- 配置SpringMvc的拦截器 --> <mvc:interceptors> <!-- 配置一个拦截器的Bean就可以了 默认是对所有请求都拦截 --> <bean id="myInterceptor" class="com.zwp.action.MyHandlerInterceptor"></bean> <!-- 只针对部分请求拦截 --> <mvc:interceptor> <mvc:mapping path="/modelMap.do" /> <bean class="com.zwp.action.MyHandlerInterceptorAdapter" /> </mvc:interceptor> </mvc:interceptors> 注解原理: 注解本质是一个继承了Annotation的特殊接口,其具体实现类是Java运行时生成的动态代理类。我们通过反射获取注解时,返回的是Java运行时生成的动态代理对象。通过代理对象调用自定义注解的方法,会最终调用AnnotationInvocationHandler的invoke方法。该方法会从memberValues这个Map中索引出对应的值。而memberValues的来源是Java常量池 三、Mybatis篇 什么是MyBatis? MyBatis是一个可以自定义SQL、存储过程和高级映射的持久层框架。 讲下MyBatis的缓存 MyBatis的缓存分为一级缓存和二级缓存,一级缓存放在session里面,默认就有, 二级缓存放在它的命名空间里,默认是不打开的,使用二级缓存属性类需要实现Serializable序列化接口, 可在它的映射文件中配置<cache/> Mybatis是如何进行分页的?分页插件的原理是什么? 1)Mybatis使用RowBounds对象进行分页,也可以直接编写sql实现分页,也可以使用Mybatis的分页插件。 2)分页插件的原理:实现Mybatis提供的接口,实现自定义插件,在插件的拦截方法内拦截待执行的sql,然后重写sql。 举例:select * from student,拦截sql后重写为:select t.* from (select * from student)t limit 0,10 简述Mybatis的插件运行原理,以及如何编写一个插件? 1)Mybatis仅可以编写针对ParameterHandler、ResultSetHandler、StatementHandler、 Executor这4种接口的插件,Mybatis通过动态代理, 为需要拦截的接口生成代理对象以实现接口方法拦截功能, 每当执行这4种接口对象的方法时,就会进入拦截方法, 具体就是InvocationHandler的invoke方法,当然, 只会拦截那些你指定需要拦截的方法。 2)实现Mybatis的Interceptor接口并复写intercept方法, 然后在给插件编写注解,指定要拦截哪一个接口的哪些方法即可, 记住,别忘了在配置文件中配置你编写的插件。 Mybatis动态sql是做什么的?都有哪些动态sql?能简述一下动态sql的执行原理不? 1)Mybatis动态sql可以让我们在Xml映射文件内, 以标签的形式编写动态sql,完成逻辑判断和动态拼接sql的功能。 2)Mybatis提供了9种动态sql标签:trim|where|set|foreach|if|choose|when|otherwise|bind。 3)其执行原理为,使用OGNL从sql参数对象中计算表达式的值, 根据表达式的值动态拼接sql,以此来完成动态sql的功能。 #{}和${}的区别是什么? 1)#{}是预编译处理,${}是字符串替换。 2)Mybatis在处理#{}时,会将sql中的#{}替换为?号,调用PreparedStatement的set方法来赋值(有效的防止SQL注入); 3)Mybatis在处理${}时,就是把${}替换成变量的值。 为什么说Mybatis是半自动ORM映射工具?它与全自动的区别在哪里? Hibernate属于全自动ORM映射工具, 使用Hibernate查询关联对象或者关联集合对象时, 可以根据对象关系模型直接获取,所以它是全自动的。 而Mybatis在查询关联对象或关联集合对象时, 需要手动编写sql来完成,所以,称之为半自动ORM映射工具。 Mybatis是否支持延迟加载?如果支持,它的实现原理是什么? 1)Mybatis仅支持association关联对象和collection关联集合对象的延迟加载, association指的就是一对一,collection指的就是一对多查询。 在Mybatis配置文件中, 可以配置是否启用延迟加载lazyLoadingEnabled=true|false。 2)它的原理是,使用CGLIB创建目标对象的代理对象, 当调用目标方法时,进入拦截器方法, 比如调用a.getB.getName, 拦截器invoke方法发现a.getB是null值, 那么就会单独发送事先保存好的查询关联B对象的sql, 把B查询上来,然后调用a.setB(b), 于是a的对象b属性就有值了, 接着完成a.getB.getName方法的调用。 这就是延迟加载的基本原理。 MyBatis与Hibernate有哪些不同? 1)Mybatis和hibernate不同,它不完全是一个ORM框架, 因为MyBatis需要程序员自己编写Sql语句, 不过mybatis可以通过XML或注解方式灵活配置要运行的sql语句, 并将java对象和sql语句映射生成最终执行的sql, 最后将sql执行的结果再映射生成java对象。 2)Mybatis学习门槛低,简单易学,程序员直接编写原生态sql, 可严格控制sql执行性能,灵活度高,非常适合对关系数据模型要求不高的软件开发, 例如互联网软件、企业运营类软件等,因为这类软件需求变化频繁, 一但需求变化要求成果输出迅速。但是灵活的前提是mybatis无法做到数据库无关性, 如果需要实现支持多种数据库的软件则需要自定义多套sql映射文件,工作量大。 3)Hibernate对象/关系映射能力强,数据库无关性好, 对于关系模型要求高的软件(例如需求固定的定制化软件) 如果用hibernate开发可以节省很多代码,提高效率。 但是Hibernate的缺点是学习门槛高,要精通门槛更高, 而且怎么设计O/R映射,在性能和对象模型之间如何权衡, 以及怎样用好Hibernate需要具有很强的经验和能力才行。 总之,按照用户的需求在有限的资源环境下只要能做出维护性、 扩展性良好的软件架构都是好架构,所以框架只有适合才是最好。 MyBatis的好处是什么? 1)MyBatis把sql语句从Java源程序中独立出来,放在单独的XML文件中编写, 给程序的维护带来了很大便利。 2)MyBatis封装了底层JDBC API的调用细节,并能自动将结果集转换成Java Bean对象, 大大简化了Java数据库编程的重复工作。 3)因为MyBatis需要程序员自己去编写sql语句, 程序员可以结合数据库自身的特点灵活控制sql语句, 因此能够实现比Hibernate等全自动orm框架更高的查询效率,能够完成复杂查询。 简述Mybatis的Xml映射文件和Mybatis内部数据结构之间的映射关系? Mybatis将所有Xml配置信息都封装到All-In-One重量级对象Configuration内部。 在Xml映射文件中,<parameterMap>标签会被解析为ParameterMap对象, 其每个子元素会被解析为ParameterMapping对象。 <resultMap>标签会被解析为ResultMap对象, 其每个子元素会被解析为ResultMapping对象。 每一个<select>、<insert>、<update>、<delete> 标签均会被解析为MappedStatement对象, 标签内的sql会被解析为BoundSql对象。 什么是MyBatis的接口绑定,有什么好处? 接口映射就是在MyBatis中任意定义接口,然后把接口里面的方法和SQL语句绑定, 我们直接调用接口方法就可以,这样比起原来了SqlSession提供的方法我们可以有更加灵活的选择和设置. 接口绑定有几种实现方式,分别是怎么实现的? 接口绑定有两种实现方式,一种是通过注解绑定,就是在接口的方法上面加 上@Select@Update等注解里面包含Sql语句来绑定, 另外一种就是通过xml里面写SQL来绑定,在这种情况下, 要指定xml映射文件里面的namespace必须为接口的全路径名. 什么情况下用注解绑定,什么情况下用xml绑定? 当Sql语句比较简单时候,用注解绑定;当SQL语句比较复杂时候,用xml绑定,一般用xml绑定的比较多 MyBatis实现一对一有几种方式?具体怎么操作的? 有联合查询和嵌套查询,联合查询是几个表联合查询,只查询一次, 通过在resultMap里面配置association节点配置一对一的类就可以完成; 嵌套查询是先查一个表,根据这个表里面的结果的外键id, 去再另外一个表里面查询数据,也是通过association配置, 但另外一个表的查询通过select属性配置。 Mybatis能执行一对一、一对多的关联查询吗?都有哪些实现方式,以及它们之间的区别? 能,Mybatis不仅可以执行一对一、一对多的关联查询, 还可以执行多对一,多对多的关联查询,多对一查询, 其实就是一对一查询,只需要把selectOne修改为selectList即可; 多对多查询,其实就是一对多查询,只需要把selectOne修改为selectList即可。 关联对象查询,有两种实现方式,一种是单独发送一个sql去查询关联对象, 赋给主对象,然后返回主对象。另一种是使用嵌套查询,嵌套查询的含义为使用join查询, 一部分列是A对象的属性值,另外一部分列是关联对象B的属性值, 好处是只发一个sql查询,就可以把主对象和其关联对象查出来。 MyBatis里面的动态Sql是怎么设定的?用什么语法? MyBatis里面的动态Sql一般是通过if节点来实现,通过OGNL语法来实现, 但是如果要写的完整,必须配合where,trim节点,where节点是判断包含节点有 内容就插入where,否则不插入,trim节点是用来判断如果动态语句是以and 或or 开始,那么会自动把这个and或者or取掉。 Mybatis是如何将sql执行结果封装为目标对象并返回的?都有哪些映射形式? 第一种是使用<resultMap>标签,逐一定义列名和对象属性名之间的映射关系。 第二种是使用sql列的别名功能,将列别名书写为对象属性名, 比如T_NAME AS NAME,对象属性名一般是name,小写, 但是列名不区分大小写,Mybatis会忽略列名大小写,