遊戲設計模式——有限狀態機

時間 2019-11-11

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前言：狀態機模式是一個遊戲經常使用的經典設計模式，常被用做管理一種物體的各類狀態（例如管理人物的行走，站立，跳躍等狀態）。html

（Unity裏的Animator就是一種典型的狀態機，用於控制動畫狀態之間的切換）設計模式

假如咱們正在開發一款動做遊戲，當前的任務是實現根據輸入來控制主角的行爲——當按下B鍵時，他應該跳躍。ide

直觀的代碼：動畫

    if (input == PRESS_B) {
        if (!m_isJumping) {
            m_isJumping = true;
            Jump();//跳躍的代碼
        }
    }

後來咱們須要添加更多行爲了，全部行爲以下：ui

站立時按下 ↓ 鍵 =》蹲下。this

蹲下時按下 ↓ 鍵 =》站立。spa

站立時按下 B 鍵 =》跳躍。設計

跳躍時按下 ↓ 鍵 =》觸發俯衝。3d

    if (input == PRESS_B) {
        //若是在站立時且沒在跳躍，則跳躍
        if (!m_isJumping && m_isStanding) {
            m_isJumping = true;
            player.jump();//跳躍的代碼
        }
    }
    else if (input == PRESS_DOWN) {
        //若是在跳躍時且沒在俯衝，則俯衝
        if (m_isJumping && !m_isDiving) {
            m_isDiving
            player.dive();//俯衝的代碼
        }
        //若是沒在跳躍
        else if (!m_isJumping) {
            //若是站立時，則蹲下
            if (m_isStanding) {
                m_isStanding = false;
                player.sneak();//蹲下的代碼
            }
            //若是蹲下時，則站立
            else {
                m_isStanding = true;
                player.stand();//站立的代碼
            }
        }
    }

能夠看到一堆if-else語句很是複雜，要是添加更多行爲，其邏輯結構更加難以維護，並且主角的代碼又得從新編譯（耦合性大）code

有限狀態機

有限狀態：有限數量的狀態。

一個可行的辦法是將這些 狀態&狀態切換&狀態對應的行爲 封裝成類，

（以下圖）

這時候能夠藉助狀態機這個設計模式來美化這段代碼。

上面的場景中，只有4個狀態（跳躍/下蹲/站立/俯衝），這就是有限狀態。

因而咱們設計出下面4個狀態類（加一個狀態的接口類）:

//狀態接口類
class State {
public:
    //處理輸入，而後根據輸入轉換相應的狀態
    virtual void handleInput(Player& player,const Input& input) = 0;
};
//站立狀態
class StandState : public State {
public:
    void handleInput(Player& player, const Input& input) override{
        if (input == PRESS_B) {
            player.jump();//角色跳躍的代碼
            player.setState(JumpState());
        }
        else if (input == PRESS_DOWN) {
            player.sneak();//角色蹲下的代碼
            player.setState(SneakState());
        }
    }
};
//跳躍狀態
class JumpState : public State {
public:
    void handleInput(Player& player, const Input& input) override {
        if (input == PRESS_DOWN) {
            player.dive();//角色俯衝的代碼
            player.setState(DiveState());
        }
    }
};
//下蹲狀態
class SneakState : public State {
public:
    void handleInput(Player& player, const Input& input) override {
        if (input == PRESS_DOWN) {
            player.stand();//角色站立的代碼
            player.setState(StandState());
        }
    }
};
//俯衝狀態
class DiveState : public State {
public:
    void handleInput(Player& player, const Input& input) override {
    }
};

第一次進入遊戲時，給角色一個初始狀態

player.setState(new StandState());

而後每次接受輸入，讓角色當前的狀態對象去處理就能夠了。

player.getState().handleInput(player,input);

簡單小結：

能夠看到利用狀態類對象，咱們把負責的條件邏輯封裝到各個狀態類裏，讓代碼變得優雅，並且還減小了幾個變量的使用（m_isJumping等）。

此外因爲有限狀態對象的屬性是固定不變的，這意味着全部角色都能共享同一個狀態（當同種狀態時），

因此常見的狀態對象存儲方式是單例存儲或者靜態存儲（每種狀態只生成1個對象），避免了上文每次都要生成新狀態對象的開銷。

有限狀態機的更多改良改進

平行的狀態機

實際中，一些遊戲的類可能須要多個狀態（平行關係），因而能夠寫出如下代碼

class Player{
    State* m_bodyState;//身體狀態
    State* m_equipmentState;//裝備狀態
    //.....其它代碼
};

而後即可以用下列方式處理狀態了

void Player::handleInput(const Input& input) {
    m_bodyState->handleInput(*this,input);
    m_equipmentState->handleInput(*this,input);
}

層次狀態機

把主角的行爲更加具象化之後，可能會包含大量類似的狀態，爲了重用代碼，便衍生層次狀態機的概念。

層次狀態主要思想是狀態類繼承，從而產生層次關係的狀態。

例如，蹲下狀態和站立狀態繼承於在地面狀態。

class OnGroundState : public State {
    void handleInput(Player& player, const Input& input) override {
        if (input == PRESS_B){}//....跳躍
    }
};

class StandState : public OnGroundState {
    void handleInput(Player& player, const Input& input) override {
        //當鬆開↓鍵，才蹲下去
        if (input == RELEASE_DOWN) {}//...蹲下去的代碼...
        else {OnGroundState::handleInput(player,input);}
    }
};

class SneakState : public OnGroundState {
    void handleInput(Player& player, const Input& input) override {
        //當鬆開↓鍵，才站起來
        if (input == RELEASE_DOWN) {}//...站起來的代碼...
        else {OnGroundState::handleInput(player, input);}
   } 
};