功能反应式 F# - 在游戏中存储状态

Posted 2023-02-27

【中文标题】功能反应式 F# - 在游戏中存储状态

【英文标题】：Functional Reactive F# - Storing States in Games

【发布时间】：2011-03-22 00:11:32

【问题描述】：

我是一名学生，目前正在使用 F# 学习功能响应式范式。这对我来说是全新的观点。昨天我学习了使用这种范例创建一个简单的乒乓球游戏。到目前为止，我掌握的想法是：我们认为价值是时间的函数。就其纯粹的形式而言，它是无国籍的。但是，我需要记住球（或状态）的位置。所以我总是把球的当前位置作为全局函数的参数传进去。

如果我们谈论稍微复杂一点的游戏，比如 Space Invaders，我们有很多状态（外星人的位置、外星人当前的 HP、剩余的炸弹数量等）

有没有一种优雅/最好的方法来解决这个问题？我们总是将状态存储在顶层吗？是否应将所有当前状态作为全局函数的附加输入参数给出？

任何人都可以使用 F# 上的简单示例来解释这一点吗？ 非常感谢。

【参考方案1】：

我对 F# 下的响应式编程没有任何经验，但是纯函数系统中的全局状态问题很常见，并且有一个相当优雅的解决方案：Monads。

虽然 monad 本身主要在 Haskell 中使用，但基本概念在 F# 中作为 computation expressions 使用。

这个想法是你实际上并没有改变状态，而只是描述状态的转换，即如何产生新的状态。状态本身可以完全隐藏在程序中。通过使用特殊的 monadic 语法，您几乎可以强制编写纯粹但有状态的程序。

从this source 获取（修改）实现，State monad 可能如下所示

let (>>=) x f =
   (fun s0 ->
      let a,s = x s0    
      f a s)       
let returnS a = (fun s -> a, s)

type StateBuilder() =
  member m.Delay(f) = f()
  member m.Bind(x, f) = x >>= f
  member m.Return a = returnS a
  member m.ReturnFrom(f) = f

let state = new StateBuilder()     

let getState = (fun s -> s, s)
let setState s = (fun _ -> (),s) 

let runState m s = m s |> fst

让我们举个例子：我们想编写一个函数，在继续进行时可以将值写入日志（只是一个列表）。因此我们定义

let writeLog x = state 
  let! oldLog = getState // Notice the ! for monadic computations (i.e. where the state is involved)
  do! setState (oldLog @ [x]) // Set new state
  return () // Just return (), we only update the state

在state 中，我们现在可以在命令式语法中使用它，而无需手动处理日志列表。

let test = state 
   let k = 42
   do! writeLog k // It's just that - no log list we had to handle explicitly
   let b = 2 * k
   do! writeLog b
   return "Blub"


let (result, finalState) = test [] // Run the stateful computation (starting with an empty list)
printfn "Result: %A\nState: %A" result finalState

不过，这里的一切都是纯粹的功能；）

【讨论】：

这主要是关于一个状态单子。函数式反应式编程通常涉及 monad，但通常不涉及这种简单的 state monad。

如我所说，我没有 FRP 的经验。尽管如此，状态单子（或根本单子）似乎是所要求的概念 - 方便地存储和修改上下文数据而不会失去参考透明度。如果 FTP 已经使用一元基础设施，那就更好了。一个 State monad 转换器应该做这件事（你的意思是用 simple kind 吗？）。但如果没有解释基本原理，这些信息将毫无用处！

FRP 的要点是允许将行为定义为时间的连续函数 - 例如您可以将重力下球的 z 位置定义为 z(t)=9.8*t*t 。单子状态仅与进行离散更改的状态相关 - FRP 中也允许离散更改，但它们的中心性较低，并且通常不符合单子的确切形式。

@RD1：很有趣，谢谢。但是，大多数与用户输入相关的操作难道不是固有的离散吗？即使不是 - 为 一个球 定义一个连续的世界函数也很简单，但如果系统稍微复杂一些（更多的球），这一切不都归结为求解（即积分）微分吗方程？

鼠标的实际位置是一个连续变量，在 FRP 中也是这样处理的。当然，可用的位置数据只是对实际位置进行采样和近似，但这无论如何都会在 FRP 中发生，如果鼠标位置用于控制屏幕上某物的位置，将鼠标位置视为时间的连续函数是很自然的或在游戏中。微分方程在某些方法中是相关的，但不是必需的。我不是专家 - 请参阅：***.com/questions/1028250/…

【参考方案2】：

Tomas 提供了nice talk 关于 F# 中的响应式编程的信息。许多概念应该适用于您的案例。

【讨论】：

函数式反应式编程不仅仅是函数式语言中的反应式编程。主要技术是将行为表示为时间的函数。这些行为可以相互依赖，也可以依赖于事件。所以这个谈话并不是那么直接相关 - 它有一些相关性，但只是因为事件是 FRP 的一部分。 （不过我同意这是一个很好的谈话。）

【参考方案3】：

制作 FRP 的方法不止一种，而且它是一个活跃的研究领域。什么是最好的很大程度上取决于事物如何相互作用的细节，未来可能会出现新的更好的技术。

从广义上讲，这个想法是让行为成为时间的函数，而不是普通的价值观（如你所说）。行为可以根据其他行为来定义，并且可以定义为在特定事件发生时在其他行为之间交换。

在您的示例中，您通常不需要通过参数记住球的位置（但对于某些类型的 FRP，您可能会这样做）。相反，你可以有一个行为：ballPos : time -> (float * float) 这可能具有全局范围，或者对于更大的程序，最好有一个本地范围，在该范围内使用它。

随着事情变得越来越复杂，您将以越来越复杂的方式定义行为，依赖于其他行为和事件 - 包括在不同 FRP 框架中以不同方式处理的递归依赖项。在 F# 中，对于递归依赖项，我希望您需要一个 let rec 包括所有涉及的行为。这些仍然可以组织成结构 - 在顶层你可能有：

type alienInfo =   pos : float*float; hp : float 
type playerInfo =  pos : float*float; bombs : int  
let rec aliens : time -> alienInfo array =             // You might want laziness here.
    let behaviours = [| for n in 1..numAliens -> 
                        (alienPos player n, alienHP player n) |]
    fun t -> [| for (posBeh, hpBeh) in behaviours -> 
                pos=posBeh t; hp=hpBeh t |]          // You might want laziness here.
and player : time -> playerInfo  = fun t ->
     pos=playerPos aliens t; bombs=playerBombs aliens t

然后可以定义alienPos，alienHP的行为，依赖玩家，playerPos，playerBombs可以定义依赖外星人。

无论如何，如果您能提供更多关于您正在使用哪种 FRP 的详细信息，那么提供更具体的建议会更容易。 （如果您想了解哪种类型的建议 - 我个人建议阅读：http://conal.net/papers/push-pull-frp/push-pull-frp.pdf）

【参考方案4】：

也许你会想看看FsReactive。

【讨论】：

解释 FsReactive 如何帮助回答问题将提高您回答的实用性。

【参考方案5】：

Elm 是现代 FRP 实现。对于在 Space Invaders 等游戏中普遍存在的动态集合建模，它包含一个基于箭头 FRP 概念的Automaton library。你一定要看看。