游戏设计模式——状态机模式

Posted 2021-01-09 killeraery

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了游戏设计模式——状态机模式相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

前言：状态机模式是一个游戏常用的经典设计模式，常被用作处理一个生物的各种状态（例如行走，站立，跳跃等）。

假如我们正在开发一款动作游戏，当前的任务是实现根据输入来控制主角的行为——当按下B键时，他应该跳跃。

直观的代码：

    if (input == PRESS_B) {
        if (!m_isJumping) {
            m_isJumping = true;
            Jump();//跳跃的代码
        }
    }

后来我们需要添加更多行为了，所有行为如下：

站立时按下 ↓ 键 =》蹲下。

蹲下时按下 ↓ 键 =》站立。

站立时按下 B 键 =》跳跃。

跳跃时按下 ↓ 键 =》触发俯冲。

    if (input == PRESS_B) {
        //如果在站立时且没在跳跃，则跳跃
        if (!m_isJumping && m_isStanding) {
            m_isJumping = true;
            player.jump();//跳跃的代码
        }
    }
    else if (input == PRESS_DOWN) {
        //如果在跳跃时且没在俯冲，则俯冲
        if (m_isJumping && !m_isDiving) {
            m_isDiving
            player.dive();//俯冲的代码
        }
        //如果没在跳跃
        else if (m_isJumping) {
            //如果站立时，则蹲下
            if (m_isStanding && !m_isJumping) {
                m_isStanding = false;
                player.sneak();//蹲下的代码
            }
            //如果蹲下时，则站立
            else {
                m_isStanding = true;
                player.stand();//站立的代码
            }
        }
    }

可以看到一堆if-else语句非常复杂，要是添加更多行为，其逻辑结构更加难以维护，而且主角的代码又得重新编译（耦合性大）

有限状态机

有限状态：有限数量的状态。

一个可行的办法是将这些 状态&&状态切换&&状态对应的行为 封装成类，

（如下图）

技术分享图片

这时候可以借助状态机这个设计模式来美化这段代码。

上面的场景中，只有4个状态（跳跃/下蹲/站立/俯冲），这就是有限状态。

于是我们设计出下面4个状态类（加一个状态的接口类）

//状态接口类
class State {
public:
    //处理输入，然后根据输入转换相应的状态
    virtual void handleInput(Player& player,const Input& input) = 0;
};
//站立状态
class StandState : public State {
public:
    void handleInput(Player& player, const Input& input) override{
        if (input == PRESS_B) {
            player.jump();//角色跳跃的代码
            player.setState(JumpState());
        }
        else if (input == PRESS_DOWN) {
            player.sneak();//角色蹲下的代码
            player.setState(SneakState());
        }
    }
};
//跳跃状态
class JumpState : public State {
public:
    void handleInput(Player& player, const Input& input) override {
        if (input == PRESS_DOWN) {
            player.dive();//角色俯冲的代码
            player.setState(DiveState());
        }
    }
};
//下蹲状态
class SneakState : public State {
public:
    void handleInput(Player& player, const Input& input) override {
        if (input == PRESS_DOWN) {
            player.stand();//角色站立的代码
            player.setState(StandState());
        }
    }
};
//俯冲状态
class DiveState : public State {
public:
    void handleInput(Player& player, const Input& input) override {
    }
};

第一次进入游戏时，给角色一个初始状态

player.setState(StandState());

然后每次接受输入，让角色当前的状态对象去处理就可以了。

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

简单小结：

可以看到利用状态类对象，我们把负责的条件逻辑封装到各个状态类里，让代码变得优雅，而且还减少了几个变量的使用（m_isJumping等）。

此外由于有限状态对象的属性是固定不变的，这意味着所有角色都能共享同一个状态（当同种状态时），

所以常见的状态对象存储方式是单例存储或者静态存储（每种状态只生成1个对象），避免了上文每次都要生成新状态对象的开销。

有限状态机的更多改良改进

平行的状态机

实际中，一些游戏的类可能需要多个状态（平行关系），于是可以写出以下代码

class Player{
    State* m_bodyState;//身体状态
    State* m_equipmentState;//装备状态
    //.....其它代码
};

然后便可以用下列方式处理状态了

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

层次状态机

把主角的行为更加具象化以后，可能会包含大量相似的状态，为了重用代码，便衍生层次状态机的概念。

层次状态主要思想是状态类继承，从而产生层次关系的状态。

例如，蹲下状态和站立状态继承于在地面状态。

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

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

class SneakState : public OnGroundState {
    //当松开↓键，才站起来
    if (input == RELEASE_DOWN) {}//...站起来的代码...
    else {OnGroundState::handleInput(player, input);}
};