行为模式--字节码

Posted 2020-09-02 夜色魅影

出处：Game Programming Patterns

理论要点

• 什么是字节码模式：将行为编码为虚拟机器上的指令，来赋予其数据的灵活性。从而让数据易于修改，易于加载，并与其他可执行部分相隔离。

• 要点
  1，字节码模式：指令集定义了可执行的底层操作。一系列的指令被编码为字节序列。 虚拟机使用中间值堆栈依次执行这些指令。 通过组合指令，可以定义复杂的高层行为。

  2，可以理解为项目中的转表工具，将excel中的数据转为二进制数据，并读取到工程中。还有如在项目中使用protobuf，json，xml等都是这么个思路。

  3，字节码类似GOF的解释器模式，这两种方式都能让我们将数据与行为相组合。其实很多时候都是两者一起使用。用来构造字节码的工具会有内部的对象树，而为了编译到字节码，我们需要递归回溯整棵树，就像用解释器模式去解释它一样。唯一的不同在于，并不是立即执行一段行为，而是生成整个字节码再执行。

• 使用场合
  像C++这样的编译型语言开发游戏，一个功能刚开发完甚至还没开发完，策划又该需求了，这里调下数值，那里调下表现，等等诸如此类，犹如家常便饭。
  而如果是大型项目，改需求难点不是实现需求，而是烦人的编译时间，而且对于上线的项目，我甚至得重新出包发布。更恐怖的如果遇到error，我程序就直接over了。

  我们是不是可以想个办法，把需求行为和游戏主逻辑隔开，这样底层不变，上层行为通过中间层传递给底层使用，这时，即使上层行为要修改或是有bug都不影响我们底层代码的运行。这有点像数据，如果能在分离的数据文件中定义行为，游戏引擎还能加载并“执行”它们，就可以实现所有目标- - -即把行为转换为数据使用。

  这其实有点类似，“开发我们自己的程序语言”，想想，我们自己定义一套指令集，分别实现编译器和解释器，编译器负责把我们自定义的语言转换为类似机器码的字节码，这种字节码然后通过我们的解释器解析为机器码。如果实现了这些，那么我们自定义的语言就真的能被计算机识别使用了，到时再把它以自己名字命名。想想是不是很激动！(像现在很多脚步语言，如Lua等都是这样发展而来的)

  但需要注意，这种中间字节码的形式比直接本地机器码代码慢，所以最好不要用于引擎对性能敏感的部分。

代码分析

1，实现自己语言前，我们先温习下与之类似的GOF的解释器模式：假设我们要让语言支持这样的算术表达式：(1 + 2) * (3 - 4)
我们的做法是把每块表达式，每条语言规则，都封装到对象中去，那么最终就会变成如下这样的抽象语法树。

创建这棵树是编译器的工作，我们这里讲的解释器模式与这无关。怎么形成的先不管，下面我们来看看怎么去解析这颗树，即实现解释器：
首先，我们定义所有表达式的基本接口：

class Expression
{
public:
  virtual ~Expression() {}
  virtual double evaluate() = 0;    //求值
};

然后，实现数字派生类：

class NumberExpression : public Expression
{
public:
  NumberExpression(double value)
  : value_(value)
  {}

  virtual double evaluate()
  {
    return value_;
  }

private:
  double value_;
};

最后就是运算符了，下面是加法的实现：

class AdditionExpression : public Expression
{
public:
  AdditionExpression(Expression* left, Expression* right)
  : left_(left),
    right_(right)
  {}

  virtual double evaluate()
  {
    // 计算操作数
    double left = left_->evaluate();
    double right = right_->evaluate();

    // 把它们加起来
    return left + right;
  }

private:
  Expression* left_;
  Expression* right_;
};

好，这样支持简单的算术计算的解释器就实现了。然而，很明显它是把每种指令都封装成对象，想想如果处理的问题比较复杂，那么会是个庞大的语法树，层次很,深，而且需要new很多对象。这样明显效率不好且耗内存。

2，上面我们已经实现了解释器模式，它的优点就是安全，因为它的语法行为是我们自己定义的，不直接接触底层。但是缺点也很明显，就是效率低、耗内存。

再想想我们现有的语言C++，它是直接把这些指令编译成机器码，机器码是一组密集的，线性的，底层的指令，硬件直接识别，它效率飞快。然而，我们总不能指望要用户编写机器码吧，这肯定不现实，也不安全(硬件直接识别，所以不安全)。

那我们想过没有，如果把它们两者结合起来，不是直接加载机器码，而是定义自己的虚拟机器码呢？ 然后，在游戏中写个小模拟器。 这与机器码类似，密集，线性，相对底层，但支持规则都是我们自己定义的，所以可以放心地将其放入沙箱。

我们将这个小模拟器称为虚拟机（或简称“VM”），它运行的虚拟机器码叫做字节码。 它有数据的灵活性和易用性，但比解释器模式有更好的性能。

这听起来有点高端吓人。不过下面经过我通俗易懂的解剖完后，其实拥有自己的语言也就那么回事！(我们风靡全球的lua脚步其实就是这个原理实现的，即使你不打算开发自己的语言，也至少能对lua语言有更多的了解)

好，下面我们就以一个通俗易懂的游戏情境来带你走进字节码模式，看看我是怎么实现这个能解析字节码的虚拟机的。
假设我们游戏中有两只怪物，他们可以互相攻击，释放法术。绝大多数法术是会改变怪物身上的某个状态，我们就从一组状态开始：如果是c++会这么设置：

void setHealth(int wizard, int amount);       //设置生命值
void setWisdom(int wizard, int amount);       //设置智力值
void setAgility(int wizard, int amount);      //设置敏捷值

参数wizard是怪物目标，比如说用0代表玩家，用1代表对手。参数amount是改变对应属性的具体数值。
上面只有数值上的变化，这样的法术未免太单调，我们再加些特效作用：

void playSound(int soundId);              //播发音效
void spawnParticles(int particleType);    //播发粒子特效

好，上面这是我们硬代码的一般形式了，看看我们怎么来一步一步把这些API抽离出来，让它用我们自己定义的指令去解析执行。
首先，我们的目标是实现自己的解析器。好，那么我们需求解析什么呢？当然是上面API操作的所有状态，我们要把这些状态定义成指令。我们可以这样枚举它们：

enum Instruction
{
  INST_SET_HEALTH      = 0x00,
  INST_SET_WISDOM      = 0x01,
  INST_SET_AGILITY     = 0x02,
  INST_PLAY_SOUND      = 0x03,
  INST_SPAWN_PARTICLES = 0x04
};

一个法术就是一系列这样的指令，每个指令对应一个行为操作。如下：

switch (instruction)
{
  case INST_SET_HEALTH:
    setHealth(0, 100);
    break;

  case INST_SET_WISDOM:
    setWisdom(0, 100);
    break;

  case INST_SET_AGILITY:
    setAgility(0, 100);
    break;

  case INST_PLAY_SOUND:
    playSound(SOUND_BANG);
    break;

  case INST_SPAWN_PARTICLES:
    spawnParticles(PARTICLE_FLAME);
    break;
}

如果我把这套东西封装好，那么以后我们的法术代码就变成了一个个字节列表，列表保存的就是这些状态的枚举值，其实这就是所谓的字节码。
好，现在我们就实现我们的第一个虚拟机，像这样它就能解析一个完整的法术：

class VM
{
public:
  void interpret(char bytecode[], int size)
  {
    for (int i = 0; i < size; i++)
    {
      char instruction = bytecode[i];
      switch (instruction)
      {
        // 每条指令的跳转分支……
      }
    }
  }
};

恩，是不是觉得这个虚拟机过于死板了，没错，它不能设置参数，我们不能设定攻击对手的法术，也不能减少状态上限。我们只能播放声音！
那要这个虚拟机生动起来，就得支持怎么引入参数？其实上面定义的状态集 + 这里的参数 = 数据。我们只要处理如何序列化的操作这个数据，其实这个过程就是我们的解析，而且释放法术这个行为也已经完美转换成纯数据了。那么现在就只有一个问题了，就是究竟怎么序列式操作这个数据呢？没错，堆栈。通过push，pop与外界交互数据，把所有数据用堆栈来保存。先我们来定义一个堆栈：

class VM
{
public:
  VM()
  : stackSize_(0)
  {}

  // 其他代码……

private:
  static const int MAX_STACK = 128;
  int stackSize_;
  int stack_[MAX_STACK];
};

到时我们的一个技能对应的一组连续字节码就保存到这个stack_堆栈数组中，遍历这个堆栈过程就是执行技能的过程。
接着来看怎么加入(push)，和取出(pop)数据：

class VM
{
private:
  void push(int value)
  {
    // 检查栈溢出
    assert(stackSize_ < MAX_STACK);
    stack_[stackSize_++] = value;
  }

  int pop()
  {
    // 保证栈不是空的
    assert(stackSize_ > 0);
    return stack_[--stackSize_];
  }

  // 其余的代码
};

现在支持引入参数的指令执行操作就会这样从堆栈中pop取了：

switch (instruction)
{
  case INST_SET_HEALTH:
  {
    int amount = pop();
    int wizard = pop();
    setHealth(wizard, amount);
    break;
  }

  case INST_SET_WISDOM:
  case INST_SET_AGILITY:
    // 像上面一样……

  case INST_PLAY_SOUND:
    playSound(pop());
    break;

  case INST_SPAWN_PARTICLES:
    spawnParticles(pop());
    break;
}

然后，我们还得为添加数据(push)也定义一个指令，接着上面枚举INST_LITERAL = 0x05：

case INST_LITERAL:
{
  //bytecode字节码数组，它就是我们的行为，我们这个虚拟机所有工作就是在解析它
  int value = bytecode[++i];     
  push(value);
  break;
}

好，这个第二次改进的虚拟机就搞完了。然后我们来个游戏实际情形分析下它的工作原理：“假设我们这次的技能操作是要给玩家自己加10点生命值。”这个行为对应的字节码数据就是这样：[0x05, 0, 0x05, 10, 0x00]。下面是示意图分析：
首先从空栈开始，虚拟机指向字节码数组的第一个：

然后，它执行第一个指令“INST_LITERAL"，把下一个字节0压入堆栈。

接着执行第二个"INST_LITERAL"，把下一个字节10压入堆栈。

最后执行”INST_SET_HEALTH"。它会弹出10存进amount，弹出0存进wizard。然后用这两个参数调用setHealth()。这就实现了我们为自己加血行为的整套字节码解析流程。

嗯，乍看上去貌似很完美了！不过还缺些行为，我们只有set属性，而没有get属性是不是？我们可以引入参数把属性设置为我们想要的值，这更像是数据。而如果我想把智力属性值设置为它的生命值，那这又怎么操作呢？很明显，我们得再添加些get指令：

case INST_GET_HEALTH:
{
  int wizard = pop();
  push(getHealth(wizard));
  break;
}

case INST_GET_WISDOM:
case INST_GET_AGILITY:
  // 你知道思路了吧……

现在，我们的虚拟机已经可以支持设置任意属性，得到当前属性，播发音效，粒子特效。好，我们接着再来丰富下它，让它支持更多的行为。接下来，我们添加一个算术指令，让它具有计算能力：

case INST_ADD:
{
  int b = pop();
  int a = pop();
  push(a + b);
  break;
}

算计指令就类似这样了，那么有了这些我们能实现什么复杂点的行为呢？来看看这么个示例：假设我们希望有个法术，能让玩家的血量增加敏捷和智慧的平均值。 用代码表示如下：

setHealth(0, getHealth(0) + (getAgility(0) + getWisdom(0)) / 2);

好，假设玩家目前有45点血量，7点敏捷，和11点智慧。 我们来看看实现这么个行为，我们是用的一组什么字节码数组和对应堆栈的数据变化，下面是演示这个过程的示例图：

左边是指令，右边是对应的堆栈数据变化。这么个过程我们就计算出了玩家的血量增加敏捷和智慧的平均值。

我可以继续下去，添加越来越多的指令，但是时候适可而止了。 如上所述，我们已经有了一个可爱的小虚拟机，可以使用简单，紧凑的数据格式，定义开放的行为。 虽然“字节码”和“虚拟机”的听起来很吓人，但你可以看到它们往往简单到只需栈，循环，和switch语句。

再回过头来想想，是不是实现自己的虚拟机其实也就那么回事，首先我们对需要处理的问题定义好指令集合(枚举)，从而某个行为就可以用这些对应指令来表示(字节码数组)，然后用堆栈来遍历这组字节码(push存储数据，pop使用数据)，执行对应操作。

3，到目前为止，我们虚拟机(解释器)已经讲完了，但是对应的编译器呢？我们上面所有操作的字节码数组都是自己手动写的，这样肯定不实用。很明显，我们需要写个上层的图形工具(编译器)，就算不是程序的人也可以轻松使用这个工具编辑行为，然后生成对应的字节码数组。类似这样的东西：

你可以做个这样的工具，用户通过单击拖动小盒子，下拉菜单项，或任何有意义的行为创建“脚本”，从而创建行为。
这样做的好处是，你的UI可以保证用户无法创建“无效的”程序。 与其向他们喷射错误警告，不如主动关闭按钮或提供默认值， 以确保他们创造的东西在任何时间点上都有效。

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这篇已经太长了，其实到目前，关于怎么实现自定义语言的编译器，解释器原理已经讲得很清楚了。相信你只要认真看完了的，实现一个小型自定义语言是完全没压力的了。
比如游戏里的技能系统，我们刚好是不是可以做个工具让策划自己去编辑行为，然后生成字节码，最后我们的虚拟机去解析执行。这套东西做好后，我们程序里将没有一个硬代码，所有工作无非是策划的编辑事情了。这时我们就可以轻松的去倒杯咖啡，看着策划们调它们要的效果，而这再也与我们无关~

相信理解好这章并运用到你项目中后，一定能让你代码提示一大波气质~~
哈哈，结束！