从性能优化到功能闭环：CAD 框架下一步开发路线（全维度落地指南）

经过前面的基础框架搭建、性能优化、编辑功能实现后，你现在的 CAD 框架已经具备 "绘图 + 基础编辑 + 性能保障" 的核心能力，但距离一款可用的轻量级 CAD 软件，还需要完成功能闭环 和工程化升级。本文会给出一条 "循序渐进、可落地、有明确产出" 的下一步开发路线，涵盖功能完善、工程化优化、进阶拓展三个维度，每个阶段都有具体目标、核心任务和实操要点，帮你把框架从 "玩具级" 升级为 "实用级"。

一、先明确核心目标：打造 "最小可用" 的 2D CAD 软件

下一步的核心不是盲目堆砌功能，而是围绕 "用户能完成完整绘图 - 编辑 - 保存 - 导出流程" 做闭环，同时解决 "工程化短板"（如代码可维护性、兼容性），为后续拓展打下基础。整体路线分 3 个阶段，新手建议按顺序推进，每个阶段 2-3 周：

1. 功能闭环：补全 "图层管理 + 尺寸标注 + 文件读写" 核心辅助功能；
2. 工程化升级：代码重构 + 异常处理 + 用户体验优化；
3. 进阶拓展：可选方向（约束功能 / 批量绘图 / DXF 兼容）。

二、第一阶段：功能闭环（核心优先级）

这一阶段的目标是让你的 CAD 框架从 "能编辑图形" 变成 "能完成实际绘图任务"，补全 3 个用户刚需的辅助功能，每个功能都结合之前的性能优化思路，避免新增功能导致卡顿。

1. 核心任务 1：实现图层管理（CAD 的 "核心组织能力"）

图层是 CAD 软件管理图形的核心，用户可通过图层分类显示 / 隐藏、锁定 / 解锁不同类型的图形（如轮廓线层、标注层、辅助线层），这也是区分 CAD 和普通画图工具的关键特征。

实操步骤（落地要点）：

• 步骤 1：定义图层数据结构 （复用之前的分桶存储思路）：

  // 图层结构体（存储图层属性）
  struct Layer {
      QString name;          // 图层名称（如"轮廓线""尺寸标注"）
      bool isVisible;        // 是否可见
      bool isLocked;         // 是否锁定（锁定后无法编辑）
      QColor defaultColor;   // 图层默认颜色
      // 构造函数
      Layer(const QString& n) : name(n), isVisible(true), isLocked(false), defaultColor(Qt::black) {}
  };
  
  // 全局图层管理器（单例模式，方便全工程调用）
  class LayerManager {
  private:
      QMap<QString, Layer*> layers;  // 图层名→图层对象（快速查找）
      QString currentLayer;          // 当前激活图层（新图形默认加入该图层）
      LayerManager() {
          // 默认创建"0图层"（CAD行业惯例）
          layers.insert("0", new Layer("0"));
          currentLayer = "0";
      }
  public:
      static LayerManager& getInstance() {
          static LayerManager instance;
          return instance;
      }
      // 添加图层
      void addLayer(const QString& layerName) {
          if (!layers.contains(layerName)) {
              layers.insert(layerName, new Layer(layerName));
          }
      }
      // 设置当前图层
      void setCurrentLayer(const QString& layerName) {
          if (layers.contains(layerName)) {
              currentLayer = layerName;
          }
      }
      // 获取图层属性
      Layer* getLayer(const QString& layerName) {
          return layers.value(layerName, nullptr);
      }
      // 获取当前图层
      QString getCurrentLayer() { return currentLayer; }
  };
  
  // 改造图形结构体：关联图层
  struct BaseShape {
      ShapeType type;
      QColor color;
      int penWidth;
      bool isSelected;
      QString layerName;  // 所属图层名称（新增）
      BaseShape(ShapeType t) : type(t), color(Qt::black), penWidth(2), isSelected(false), layerName("0") {}
  };

• 步骤 2：实现图层交互功能 ：

  • 在主窗口添加 "图层管理窗口"（用 Qt 的QDockWidget实现，可停靠），显示所有图层列表（QListWidget）；
  • 支持 "新建图层 / 删除图层 / 重命名图层"，勾选框控制图层可见性，锁定按钮控制图层编辑权限；
  • 绘图时，新创建的图形自动关联 "当前激活图层"，且使用图层默认颜色（用户可手动修改）；
  • 渲染时，仅绘制 "可见且未锁定" 的图层中的图形（复用四叉树 + 脏矩形优化，避免无效渲染）。

• 关键优化点 ：图层切换 / 显示隐藏时，仅刷新画布（而非重建图形），通过update()触发重绘，且重绘时过滤不可见图层的图形。

2. 核心任务 2：实现尺寸标注（CAD 的 "工程化核心"）

尺寸标注是 CAD 用于工程绘图的核心功能，用户绘制图形后需要标注长度、半径、角度等参数，且标注需跟随图形同步更新（如移动直线后，长度标注自动刷新）。

实操步骤（落地要点）：

• 步骤 1：定义标注数据结构 （作为独立图形类型）：

  // 标注类型枚举
  enum DimensionType {
      LinearDimension,  // 线性标注（直线长度）
      RadiusDimension,  // 半径标注（圆/圆弧）
      AngleDimension    // 角度标注（两条直线夹角）
  };
  
  // 标注图形结构体（继承BaseShape）
  struct DimensionShape : public BaseShape {
      DimensionType dimType;       // 标注类型
      QPointF startPos;            // 标注起点（如直线的一个端点）
      QPointF endPos;              // 标注终点（如直线的另一个端点）
      QPointF textPos;             // 标注文字位置
      qreal value;                 // 标注数值（如长度、半径）
      bool isAutoUpdate;           // 是否自动更新数值
      // 构造函数
      DimensionShape(DimensionType t) : BaseShape(ShapeType::Dimension), dimType(t), value(0), isAutoUpdate(true) {}
  };

• 步骤 2：实现标注绘制与数值计算 ：

  • 线性标注：通过两点坐标计算直线长度（QLineF::length()），绘制标注线 + 箭头 + 数值文字（用QPainter::drawText()）；
  • 半径标注：获取圆的圆心和半径，绘制径向线 + 箭头 +"R + 数值" 文字；
  • 自动更新：图形移动 / 缩放时，遍历关联的标注（可在图形结构体中添加QVector<DimensionShape*>关联标注），重新计算数值并触发局部重绘。

• 关键优化点 ：标注文字绘制时使用QFontMetrics计算文字边界，避免文字超出画布；批量标注时使用离屏缓存（QPixmap），减少重复绘制开销。

3. 核心任务 3：实现文件读写与格式兼容（数据闭环）

用户绘制的图形需要能保存、打开、导出，这是软件的基础闭环能力。新手优先实现 JSON 格式（易上手），后续可拓展 DXF 格式（CAD 行业标准）。

实操步骤（落地要点）：

• 步骤 1：实现 JSON 格式读写 ：

  • 保存时：遍历所有图层和图形，将图形的 "类型、坐标、颜色、图层、选中状态" 等属性序列化为 JSON（用 Qt 的QJsonDocument），图层属性也一并保存；

  • 打开时：读取 JSON 文件，解析图层信息和图形数据，重建图层管理器和图形列表，触发画布重绘；

  • 菜单栏添加 "新建 / 打开 / 保存 / 另存为" 功能，关联文件操作函数。

    // 保存图形为JSON文件示例
    bool saveToJson(const QString& filePath) {
    QJsonObject rootObj;
    // 1. 保存图层信息
    QJsonArray layersArray;
    LayerManager& layerMgr = LayerManager::getInstance();
    for (auto layerName : layerMgr.getAllLayerNames()) {
    Layer* layer = layerMgr.getLayer(layerName);
    QJsonObject layerObj;
    layerObj["name"] = layer->name;
    layerObj["visible"] = layer->isVisible;
    layerObj["locked"] = layer->isLocked;
    layerObj["color"] = layer->defaultColor.name();
    layersArray.append(layerObj);
    }
    rootObj["layers"] = layersArray;

      // 2. 保存图形信息
      QJsonArray shapesArray;
      for (auto shape : allShapes) {
          QJsonObject shapeObj;
          shapeObj["type"] = (int)shape->type;
          shapeObj["color"] = shape->color.name();
          shapeObj["penWidth"] = shape->penWidth;
          shapeObj["layer"] = shape->layerName;
          // 按图形类型保存具体属性（如直线的起点/终点）
          if (shape->type == Line) {
              LineShape* line = dynamic_cast<LineShape*>(shape);
              shapeObj["startX"] = line->startPos.x();
              shapeObj["startY"] = line->startPos.y();
              shapeObj["endX"] = line->endPos.x();
              shapeObj["endY"] = line->endPos.y();
          }
          // 其他图形类型（圆/标注）同理...
          shapesArray.append(shapeObj);
      }
      rootObj["shapes"] = shapesArray;
    
      // 3. 写入文件
      QJsonDocument doc(rootObj);
      QFile file(filePath);
      if (!file.open(QIODevice::WriteOnly)) return false;
      file.write(doc.toJson(QJsonDocument::Indented));
      file.close();
      return true;

    }

• 步骤 2：拓展 DXF 格式兼容（可选） ：

  • 引入轻量级 DXF 解析库（如dxflib），实现 "读取 DXF 文件并还原图形""将当前图形导出为 DXF 文件"；
  • 重点处理 DXF 的图层、直线、圆、标注等基础实体，保证与 AutoCAD 的基础兼容。

三、第二阶段：工程化升级（让框架更 "健壮"）

完成功能闭环后，你的代码可能存在 "耦合度高、无异常处理、用户体验差" 等工程化问题，这一阶段重点解决这些短板，让框架从 "能用" 变成 "好用、稳定"。

1. 核心任务 1：代码重构（降低耦合，提升可维护性）

• 模块化拆分 ：将原有杂乱的CanvasWidget拆分为多个独立模块：
  • ShapeModule：负责所有图形 / 图层的数据定义和基础操作；
  • RenderModule：负责绘图、渲染、离屏缓存等渲染相关逻辑；
  • InteractionModule：负责鼠标 / 键盘事件、交互逻辑；
  • FileModule：负责文件读写、格式解析；
  • LayerModule：负责图层管理；
• 设计模式应用 ：
  • 单例模式：图层管理器、全局配置管理器（如默认颜色、线宽）；
  • 工厂模式：创建不同类型的图形（如ShapeFactory::createShape(Line)），避免在交互模块中直接new图形；
  • 观察者模式：图形 / 图层变化时，自动通知渲染模块刷新（如ShapeChanged信号触发RenderModule的update槽函数）。

2. 核心任务 2：完善异常处理与日志

• 异常处理 ：
  • 文件读写时捕获QFile的 IO 异常，给出友好提示（如 "文件无法打开""权限不足"）；
  • 图形数据解析时（如 JSON/DXF），校验数据合法性，避免非法数据导致程序崩溃；
  • 内存操作时（如new/delete），检查空指针，避免野指针访问。
• 日志系统 ：
  • 集成 Qt 的qInstallMessageHandler自定义日志处理器，将日志输出到文件 + 控制台；
  • 记录关键操作（如 "创建图层""保存文件""图形编辑"）、性能数据（如 "绘图耗时""命中测试耗时"）、错误信息（如 "文件解析失败""图形数据异常"），方便调试和问题定位。

3. 核心任务 3：用户体验（UX）优化

• 操作反馈 ：
  • 鼠标悬停在图形上时，光标变化（如选中直线时变为 "十字箭头"）；
  • 操作成功 / 失败时给出提示（如状态栏显示 "保存成功""图层已锁定，无法编辑"）；
  • 快捷键支持（如Ctrl+S保存、Ctrl+Z撤销 /Ctrl+Y重做）。
• 撤销 / 重做功能 ：

  • 用 "命令模式" 实现：将每个操作（如画直线、移动图形、删除图形）封装为Command对象，存入栈中；

  • 撤销时弹出栈顶命令，执行undo()；重做时执行redo()，保证操作可回溯。

    // 命令基类
    class Command {
    public:
    virtual void undo() = 0;
    virtual void redo() = 0;
    virtual ~Command() = default;
    };

    // 移动图形命令示例
    class MoveShapeCommand : public Command {
    private:
    BaseShape* shape;
    QPointF oldPos; // 移动前的位置
    QPointF newPos; // 移动后的位置
    public:
    MoveShapeCommand(BaseShape* s, const QPointF& oldP, const QPointF& newP)
    : shape(s), oldPos(oldP), newPos(newP) {}
    void undo() override {
    // 恢复到移动前的位置
    if (shape->type == Line) {
    LineShape* line = dynamic_cast<LineShape*>(shape);
    line->startPos = oldPos + (line->startPos - newPos);
    line->endPos = oldPos + (line->endPos - newPos);
    }
    }
    void redo() override {
    // 重新移动到新位置
    if (shape->type == Line) {
    LineShape* line = dynamic_cast<LineShape*>(shape);
    line->startPos = newPos + (line->startPos - oldPos);
    line->endPos = newPos + (line->endPos - oldPos);
    }
    }
    };

    // 命令管理器
    class CommandManager {
    private:
    QStack<Command*> undoStack;
    QStack<Command*> redoStack;
    public:
    void executeCommand(Command* cmd) {
    cmd->redo();
    undoStack.push(cmd);
    redoStack.clear(); // 执行新命令后，清空重做栈
    }
    void undo() {
    if (undoStack.isEmpty()) return;
    Command* cmd = undoStack.pop();
    cmd->undo();
    redoStack.push(cmd);
    }
    void redo() {
    if (redoStack.isEmpty()) return;
    Command* cmd = redoStack.pop();
    cmd->redo();
    undoStack.push(cmd);
    }
    };

四、第三阶段：进阶拓展（按需选择，打造差异化）

完成功能闭环和工程化升级后，你的 CAD 框架已经是一款可用的轻量级 2D CAD 软件，可根据你的学习目标选择进阶方向：

1. 方向 1：2D 功能深化（工程化 CAD）

• 约束功能：实现几何约束（平行、垂直、等长、同心、重合），用户绘制时可强制图形满足约束条件（如画一条线与已有线平行）；
• 批量绘图工具：阵列（矩形阵列 / 环形阵列）、镜像、偏移、拉伸等 CAD 常用批量操作；
• 打印与导出 ：支持将画布内容导出为 PNG/PDF，或直接打印（用 Qt 的QPrinter实现）。

2. 方向 2：3D 入门（从 2D 到 3D）

• 学习 Qt 3D/OpenGL 基础，实现简单的 3D 建模（如将 2D 图形拉伸 / 旋转为 3D 模型）；
• 实现 3D 视图控制（旋转、平移、缩放）、简单的材质和光照效果。

3. 方向 3：行业定制（如机械 / 建筑 CAD）

• 针对机械 CAD：添加标准件库（如螺栓、螺母、轴承），支持参数化建模（输入尺寸自动生成标准件）；
• 针对建筑 CAD：添加墙体、门窗、楼梯等建筑构件，支持户型图绘制。

五、落地建议与避坑指南

1. 小步迭代，逐个验证：每个功能先实现 "最小可用版本"（如图层管理先实现显示 / 隐藏，再实现锁定 / 重命名），测试通过后再优化细节，避免一次性写大量代码导致调试困难；
2. 复用已有性能优化逻辑：新增图层、标注、文件读写时，必须复用四叉树、脏矩形、对象池、异步计算等优化手段，避免新增功能导致性能回退；
3. 优先解决 "用户痛点"：比如先做 "撤销 / 重做"（用户最易犯错的需求），再做 "批量绘图"，而非先做冷门功能；
4. 参考成熟 CAD 软件的交互逻辑：打开 AutoCAD/Fusion 360 等软件，模仿其图层管理、标注、快捷键的设计，降低用户学习成本。

总结

你的 CAD 框架下一步的核心是 "从功能碎片到闭环，从玩具级到工程级"：先补全图层、标注、文件读写实现功能闭环，再通过代码重构、异常处理、UX 优化完成工程化升级，最后按需选择进阶方向。

这个过程中，不要追求 "一步到位"，而是通过 "实现 - 测试 - 优化" 的循环逐步完善 ------ 比如先实现 JSON 读写，再拓展 DXF；先实现线性标注，再实现半径 / 角度标注。每完成一个小功能，你对 CAD 的核心逻辑、Qt 的实战应用、性能优化的理解都会更深入，最终打造出一款真正可用的轻量级 CAD 软件。

如果在具体功能实现中遇到卡点（如约束功能的几何求解、3D 渲染的基础入门），可以聚焦单个问题深入突破，不用急于推进所有方向。