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Encapsulation
A library conveniently integrates into a single package a multitude of object files without explicitly revealing its internal composition. As an 
example, the NetBSD C library
[133]
consists of more than 600 compiled C files, providing both public interfaces such asbsearch 
[134]
and 
internally used functions such as ___errno().
[135]
Thus a library packages a large set of interrelated files into a coherent whole.
[133]
netbsdsrc/lib/libc
[134]
netbsdsrc/lib/libc/stdlib/bsearch.c
[135]
netbsdsrc/lib/libc/gen/_errno.c
Structure
Libraries are often used to structure large systems into manageable units. Consider the directory structure of the rayshade ray-tracing 
renderer
[136]
illustrated in Figure 9.24
. Apart from the four files located in the rayshade/rayshade directory the program is built by 
combining eight different libraries. The libshade  library contains the program operation and the scene description modules, while the libray
library is composed of six other libraries that provide the ray-tracing functionality: libimage  (image-loading functions), libcommo  (common 
mathematical functions), liblight (light sources), libobj (object definitions), libsurf (surface properties), and libtext (textures).
[136]
http://graphics.stanford.edu/~cek/rayshade/
Figure 9.24. The library-structured rayshade program.
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Optimization of the Build Process
Libraries are also often used to reduce the complexity and increase the efficiency of the build process. 
Instead of linking hundreds of object files, the build process is often organized so as to link large object file 
collections in the form of a library. Libraries are often more efficiently structured than is an equivalent 
collection of object files, thereby reducing the link time. You may counter that the problem is merely 
transferred to the building of the actual libraries, but this is not the case due to the locality of reference 
exhibited in most software development efforts. Large parts of the code may be relatively stable over the 
lifetime of a system; these are often efficiently packaged into a library. As an example, important parts of 
the apache Web server are separately compiled and then linked in the form of libraries. These include the 
expat XML parser toolkit,
[137]
the sdbm hashed database library,
[138]
and the regex package.
[139]
[137]
apache/src/lib/expat-lite
[138]
apache/src/lib/sdbm
[139]
apache/src/regex
Reduction of Code Size
In many systems the appropriate use of libraries can lead to a reduction of the space a program occupies 
both when stored on a disk and while it is executing. Shared libraries (also called dynamic shared objects
under many flavors of Unix and dynamic link libraries or DLLs under Microsoft Windows) allow a single 
instance of machine code or data to be shared by multiple programs. The library providing the 
corresponding code is stored in a globally known place; programs that require it link with it once they are 
loaded, thus reducing their size. Most operating systems also arrange for a single copy of the library to be 
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loaded in memory and shared by multiple programs, thereby reducing the combined memory footprint of 
the programs using the particular library. As an example, under Linux the size of the X Window System 
shared library is almost 1MB; this is 1MB saved for every program stored on disk and for every client 
loaded in memory. However, since shared libraries exist independently of the program that uses them, 
there are often cases where a library's version may fail to match the library version the program was 
originally linked against. In such cases, at best the program or the dynamic linker may detect the problem 
and terminate the execution with an error message; at worst the program may exhibit subtle bugs that 
cannot be reproduced on different installations. Under the Windows environment this situation is aptly 
named "DLL hell."
Dynamic Linking
Finally, libraries are often used to simplify the configuration of large systems by post-poning it from the buildtime to the actual system 
execution. A system built in this way typically incorporates into its main body only the most general core functionality. All additional 
features required are dynamically linked as libraries during the system's execution. This approach keeps the base system lean without 
affecting the functionality it offers. The kernel modules of NetBSD
[140]
and Linux, as well as the dynamic module loading mechanisms of 
apache
[141]
and Perl,
[142]
are prime examples of this approach. Under Microsoft WindowsD LLs are also often used for the dynamic setup 
of localized application versions. In addition, dynamic linking decouples elements of the development process, allowing separate teams to 
work completely independently, submitting as deliverables updated versions of the compiled library.
[140]
netbsdsrc/sys/kern/kern_lkm.c
[141]
apache/src/modules/standard/mod_so.c
[142]
perl/ext/DynaLoader/dlutils.c
9.3.7 Processes and Filters
In cases where the functionality that a package will provide is well defined, the associated interfaces are extremely stable, and the 
communication requirements are either simple or have an overhead that cannot be avoided, a process is used to encapsulate the 
corresponding functionality. You will find that large and distributed systems are often implemented as a number of cooperating processes, 
often communicating by using the mechanisms we described in Section 9.1.1
.
As an encapsulation mechanism, a process has a number of advantages. First of all, a process acts as a fault isolation barrier. For 
example, a stray pointer in one process cannot directly affect the memory contents of another. In addition, a process allows us to 
independently examine and manage the resources it uses. Through operating system management tools such as the Microsoft Windows 
task manager and the Unix ps command we can directly view a process's memory andC PU utilization, network connections, open files, 
threads, and other resources. Some distributed systems (such as the apache Web server) are even structured in a way that allows
throughput increases to be realized by running multiple instances of a single process. In multiprocessor systems, multiple processes—i n
common with multiple threads—will automatically distribute the processing load among  CPUs.
Finally, a process, being an independently compiled entity, simplifies the build procedures of a large system by lessening team 
coordination requirements and reducing the impact of build errors across the project.
As a concrete example, consider the process structure of the GNU compiler collection
[143]
and associated back-end tools (as, ld
illustrated in Figure 9.25
. A compilation sequence is typically invoked by running acompiler driver  such as the traditional Unix C compiler 
interface cc or the GNU C++ front-end g++. The driver examines the command-line arguments and separately compiles each source file 
specified by running a number of processes: the preprocessor cpp, the compiler proper, the assembler, and the linker. The processes 
communicate with each other through intermediate files or pipelines. The GNU compiler collection supports a number of different 
languages; each one is implemented as a different compiler-proper process that typically takes as input a preprocessed source file and 
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produces as output the compiled result in assembly language. Each one of the processes we described is separately maintained, and 
many have an independent release schedule. Most changes typically affect only a single process: a new Fortran language feature will 
require only an updated f 771  executable, a new type of executable might affect only the linker. Only when an interface change occurs (for 
example, the addition of a new debugging tag) must the release of multiple executables be coordinated.
[143]
http://www.gnu.org/software/gcc
Figure 9.25. The process structure of the 
GNU
compiler system.
filter is a special type of process that interacts with others through data flow from its input to its output. In 
Section 9.1.2
we describe how filters can be combined to construct larger systems. Many types of 
programs can be viewed and operated as filters if they follow some simple rules, which you can verify from 
the program's documentation, operation, and source code. First, you should ensure that the program runs 
synchronously and not in the background; Unix daemon-style programs and Microsoft Windows services 
and nonconsole applications do not qualify. In addition, the process should be able to receive data from its 
standard input (the keyboard or another redirected source), send its results to its standard output (the 
screen or a redirected target), and operate without any user intervention. If the program has an interactive 
user interface, its operation should be optional and there should be an option to disable it. Finally, the 
program should follow standard conventions for its input and output. Many useful filters operate on simple 
textual data where each line is regarded as a single record; in some cases space-separated items are also 
interpreted as individual fields. Elaborately formatted output with items spanning an arbitrary number of 
lines is difficult for other filter programs to use. Similarly, decorative headers, copyright messages, and 
output that relies on the existence of a screen should be avoided or made optional. The beauty of the 
filter-packaging abstraction is that simple programs that perform a single processing function are also often 
effective reusable filters.
9.3.8 Components
A software component is a typically self-contained unit of program composition with documented and well-defined interfaces. Components 
can in most cases be deployed without access to the original developers and are often distributed and used by third parties. In common 
with objects, components encapsulate state, allow access to it through separately described interfaces, and support modular design based 
on separation of concerns. However, components differ from objects in a number of ways: they can be implemented in different 
languages, they are often packaged in binary containers, they can encapsulate multiple objects, and they are typically more robustly 
packaged than objects. A number of development environments provide support for the seamless integration of new components into the 
environment's framework. Component-packaging technologies you are likely to encounter include CORBA, ActiveX, and JavaBeans.
You can see a simple JavaBean component and its use in a Java server page illustrated in Figures 9.26
[144]
and 9.27
.
[145]
The bean 
implements a simple number-guessing game. As you can see, it uses a standard naming convention for providing access to its data fields 
(often termed properties in the context of components). Java development environments can use Java's reflection functionality to examine 
the bean's internal structure and expose it appropriately to the component-using developer. If a bean's designer does not find this default 
behavior sufficient, she or he can always provide custom methods for differentiating it. Keep in mind that the amount of support code a 
component developer has to write differs radically between various component technologies and programming environments. For 
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Use corresponding namespaces; using RasterEdge.Imaging.Basic; using RasterEdge.XDoc.PDF; VB.NET: Extract All Images from PDF Document.
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Form Process. Data: Read, Extract Field Data. Data: Auto Redact Text Content. Redact Images. Redact Pages. Annotation & Add Text Box. Drawing Markups. PDF Print.
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example, you will find that ActiveX components can be written in Visual Basic with minimal support code, while the same components 
when implemented in C++ require more complex code structures, even when they use Microsoft's Active Template Library (ATL).
[144]
jt4/webapps/examples/WEB-INF/classes/num/NumberGuessBean.java:66–11 9
[145]
jt4/webapps/examples/jsp/num/numguess.jsp:10–2 7
9.3.9 Data Repositories
In some cases, you will see decomposition centered around pure data repositories. These can be simple files, directory hierarchies, 
structured documents, or even complete databases. For example, recent versions of Microsoft Windows store user information as a tree 
under the Documents and Settings directory containing elements such as Cookies, DesktopFavoritesMy Documents, and Start Menu. 
Unix systems store many types of configuration data in flat text files. For example, the file /etc/inetd.conf specifies the Internet services 
supported by a given host.
Figure 9.26 A simple JavaBean servlet component.
public class NumberGuessBean {
<-- a
int answer;
boolean success;
String hint;
int numGuesses;
<-- b
public NumberGuessBean() {
reset();
}
<-- c
public void reset() {
answer = Math.abs(new Random().nextInt() % 100) + 1;
success = false;
numGuesses = 0;
}
public void setGuess(String guess) {
numGuesses++;
int g;
[...] g = Integer.parseInt(guess); [...]
if (g == answer) {
success = true;
} else if (g == -1) {
hint = "a number next time";
} else if (g < answer) {
hint = "higher";
} else if (g > answer) {
hint = "lower";
}
}
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public boolean getSuccess() {
return success;
}
public String getHint() {
return "" + hint;
}
public int getNumGuesses() {
return numGuesses;
}
}
(a) Internal component state
(b) Component initialization
(c) Method
Set property access function
Get property access functions
Figure 9.27 Using a JavaBean in a Java server page.
<%@ page import = "num.NumberGuessBean" %>        
<-- a
<jsp:useBean id="numguess" class="num.NumberGuessBean" scope="session"/>
<jsp:setProperty name="numguess" property="*"/>        
<-- b
<html>
<head><title>Number Guess</title></head>
<body bgcolor="white">
<font size=4>
<% if (
numguess.getSuccess()
) { %>   Congratulations! You got it.
And after just <%= 
numguess.getNumGuesses()  %> tries.<p>
<% 
numguess.reset() ; %>   
<-- c
Care to <a href="numguess.jsp">try again</a>?
(a) Use component
(b) Component methods to set bean properties from the form element values
Access component property)
(c) Call component method
Relational databases are used as a centralized repository for data that can be structured in the form of records and fields; the Microsoft 
Internet Information Server log file is maintained by using this method. Complex data is also often stored in a structured file accessed by 
using representation assumptions shared between different applications (this is the method used for the revision repository of the RCS
revision control system). Although many such files are structured in a proprietary format, XML is increasingly employed as a common 
underlying representation schema.
In many cases, you can decipher the structure of a text-based data repository by browsing through the data stored in it. Consider the Unix 
Internet daemon (inetd) configuration file.
[146]
[146]
netbsdsrc/etc/inetd.conf:7–1 8
ftp    stream tcp nowait root /usr/libexec/ftpd ftpd -ll
telnet stream tcp nowait root /usr/libexec/telnetd telnetd
[...]
ntalk  dgram udp wait nobody.tty /usr/libexec/ntalkd ntalkd
By looking at the entries you can discern that each line contains a service name, the networking protocol used, whether the daemon 
should wait for the program's completion, the identity under which the service runs, and the way the service is to be invoked. In addition, 
most Unix file formats are documented in Section 5 of the on-line manual. Microsoft also documents some of the file formats used by its 
applications in the Microsoft Developer Network Library (MSDN).
[147]
Sometimes you can increase your insight by adding, modifying, or 
removing entries from the repository to observe the changes in the program's behavior.
[147]
http://msdn.microsoft.com
You will have to use a different approach when working to get behind the structure of data stored in a relational database. Database data 
is stored in a binary format and is manipulated using a query language; therefore there is often no easily discernable correspondence 
between a program's source code and the underlying database files. However, all databases offer facilities for examining the database 
schema: a high-level description of the database's contents in terms of the employed data model. Relational database systems typically 
store information about each table and its columns in a separate database, often referred to as the data dictionary. You can examine a 
relational database's schema by performing queries on the tables of the data dictionary or by using database-specific SQL commands 
such as show table.
Exercise 9.13 Discuss how namespace management issues can affect the reuse of code and outline how the global function identifier
namespace is occupied by the standard C library.
Exercise 9.14 Locate in the book's CD-ROM four useful modules that could be reused in other situations. For each one, describe the most 
appropriate packaging mechanism.
Exercise 9.15 Find code written in an object-oriented language you are not familiar with, and locate in it the basic constructs for dealing
with classes, objects, methods, fields, visibility, inheritance, and polymorphism. If you are a polyglot, draw a table describing how the 
above features are syntactically handled in the languages you know.
Exercise 9.16 Locate in the book's CD-ROM code instances that would benefit from the use of a generic implementation.
Exercise 9.17 Provide an approximate count of the number of linked-list implementations you can find in the book's CD-ROM.
Exercise 9.18 Locate instances of operator overloading and classify their use. How can you recognize that a given operator is overloaded?
Exercise 9.19 Search the Web for popular sites containing code libraries. Find in the book's CD-ROM corresponding code that could have 
been implemented using those libraries.
Exercise 9.20 Component software vendors often provide a chart of their wares ordered by component popularity. Find such a chart and
discuss its composition.
Exercise 9.21 Locate a PC running Microsoft Windows and explore its registry (the database storing the system's configuration) through 
the regedit command. Without using other information sources, document its structure.
[ Team LiB ]
[ Team LiB ]
9.4 Architecture Reuse
Many systems are designed following established architectures. Frameworks and code wizards are two mechanisms through which 
architectures are reused at the code level. At a higher level of abstraction, design patterns and various domain-specific architectures
prescribe architectural elements that can be tailored to satisfy a considerable number of diverse requirements. Reading code that reuses 
an existing architecture can be challenging because its implementers often consider the underlying architecture known and not worth 
documenting or commenting. Furthermore, reusable architectures, having to satisfy a diverse set of applications, tend to be more 
complicated than tailor-made, application-specific structures. On the other hand, you can be sure that the application you are examining 
does follow an architectural style, which in most cases is carefully structured, has been successfully used in other contexts, and is 
documented (somewhere). After recognizing a reused architectural element, look up its original description to gain additional insight on 
the way it is used or abused.
9.4.1 Frameworks
You will often see large system designs implementing or relying on organized collections of classes serving a common goal, such as the 
provision of a GUI front end or a communication facility. These class collections and their associated interfaces are typically termed a 
framework. In contrast to a single class, which is a fine-grain design abstraction, a framework has room for enough structural material 
(classes) to allow the expression of sophisticated architectures. As an example, the Adaptive Communication Environment (ACE) that 
you can find in the book's CD-ROM
[148]
contains frameworks supporting reactive and proactive I/O, the dynamic configuration of 
objects, the modular integration of hierarchically related communication services, various types of higher-level concurrency, control and 
synchronization patterns, the dynamic allocation of shared and local memory, and CORBA integration. Each one of these frameworks 
consists of multiple classes designed to harmoniously work together, providing you with a subsystem architecture you can readily reuse 
in other systems.
[148]
ace/ace
One particular class of framework architectures you will often encounter concerns the implementation of GUI application front ends.
[149]
The provision of a consistent user interface that correctly handles keyboard and mouse input, windowing system events, and the 
coordination of multiple input and output widgets (controls) can be a fiendishly difficult task. Systems like the Microsoft Foundation 
Classes (MFC), the Java Abstract Windowing Toolkit (AWT) and Swing libraries, and the X Window System–based Xt and Motif toolkit s
typically implement a Model-View-Controller (MVC) framework. User and environment input events are received and processed by the 
controller classes. The processing updates the application's model of the world and generates appropriate view modification messages. 
The application's view can always be regenerated by querying the model state.
[149]
vcf/src
Despite the help that a framework provides, you will often find that applications built using a framework are anything but simple. As an 
example, a simple application to display a message box on the screen
[150]
adds up to more than 800 lines of code under Xt. This level 
of complexity can be explained by the fact that frameworks, typically designed to build large and sophisticated applications, impose their 
own all-encompassing and necessarily intricate views on the systems that use them. Notable exceptions are frameworks packaged in the 
form of a domain-specific language such as Tcl/Tk and Visual Basic (both often used to create GUI applications) or awk and Perl (often 
applied to report-generation tasks).
[150]
XFree86-3.3/contrib/programs/xmessage
When examining in depth an application built on top of a framework, the best course of action is to begin by studying the framework 
itself. Many frameworks come with a bare-bones application that follows the framework conventions without adding any major 
functionality. The message box Xt application is one example, the NetBSD null filesystem implementation
[151]
is another; the most 
common example you will encounter, however, is likely to be a humble "hello world" program. Study the example carefully, build it, and 
try to modify it. These actions will significantly ease the framework's initial steep learning curve and will help you discern code that is 
functional from code that merely satisfies the framework's requirements.
[151]
netbsdsrc/sys/miscfs/nullfs
9.4.2 Code Wizards
The steep learning curve of many framework architectures has bred a class of tools termed code wizards. These present the application 
developer with a series of questions or selections and then generate canned code that satisfies the user's stated requirements. Limit your 
expectations when reading wizard-generated code and you will not be disappointed. The code you will be examining was created by 
programmers who trusted the wizard's judgment more than their own and was subsequently modified based on a probably limited 
understanding of the underlying code structures.
A typical feature of wizard-generated code is comments written by the wizard and directed toward the application customizer.
[152]
[152]
ace/TAO/examples/mfc/server.cpp:26–11 0
BEGIN_MESSAGE_MAP(CServerApp, CWinApp)
//{{AFX_MSG_MAP(CServerApp)
ON_COMMAND(ID_APP_ABOUT, OnAppAbout)
// NOTE - the ClassWizard will add and remove mapping macros here.
//    DO NOT EDIT what you see in these blocks of generated code!
//}}AFX–MSG_MA P
// Standard file based document commands
ON_COMMAND(ID_FILE_NEW, CWinApp::OnFileNew)
ON_COMMAND(ID_FILE_OPEN, CWinApp::OnFileOpen)
// Standard print setup command
ON_COMMAND(ID_FILE_PRINT_SETUP, CWinApp::OnFilePrintSetup)
END_MESSAGE_MAP()
[...]
CServerApp::CServerApp()
{
// TODO: add construction code here,
// Place all significant initialization in InitInstance
}
One other problem associated with wizard-generated code is that most wizards cannot modify the code they generated once it has been 
customized. Therefore, the only way to change the initial options given to the wizard is often to regenerate the code from scratch. You 
can sometimes save some of the effort by viewing the file difference between the wizard-generated code (with the options you assume 
were used) and the code at hand. In some cases you can even reapply those changes (generated in the form of a context diff—se e
Section 10.4
) to new wizard code generated with different options; as in the common disclaimer, your mileage may vary.
9.4.3 Design Patterns
Probably the most general-purpose way in which an architectural form can be reused is a design pattern. The notion of design patterns 
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