Gameplay Complexity and Building Blocks⚓︎

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游戏玩法的挑战

多系统之间的协作
即便在同一游戏中，可能也有多个游戏玩法
快速迭代
- 例子：Epic 称他们借助《堡垒之夜》的基本框架，在大约两个月内迅速开发出一个大逃杀模式

Event Mechanism⚓︎

我们早在第三讲就已经介绍过事件的大致原理。若有遗忘，建议先点击链接回顾后再继续往下阅读，下面将不再赘述。

更进一步，在游戏引擎中常用的一种设计模式是发布 - 订阅模式(publish-subscribe pattern)。

发布者(publisher) 将发布的消息（事件）分类
订阅者(subscriber) 只接收感兴趣的消息（事件），无需知道这些消息来自哪些发布者

发布 - 订阅模式由三部分组成：

事件定义(event definition)
回调注册(callback registration)
事件分发(event dispatching)

Event Definition⚓︎

事件的定义包括：

事件类型(type)
事件参数(argument)

由于玩法是随时变化的，所以利用硬编码实现事件的定义是不太现实的。

而在 UE 中，事件定义可通过上一讲介绍的反射机制和代码生成器，以可视化的方式很容易地得到实现。

但我们还得考虑一个问题：如果设计师每对某个事件做修改，那么所有代码就得重新编译一遍，这样看起来很麻烦啊。仍然以 UE 为例，它的做法是：通过上述方法定义的事件本质上还是 C++ 代码，如果对事件做了修改，那么仅需重新编译对应的代码，在引擎运行时将其看作一段 DLL 注入进去。其他引擎也有各自的解决方案，比如通过别的脚本语言定义事件，这里就不展开了。

Callback Registration⚓︎

回调(callback) 函数是一种任何作为其他代码参数传递的可执行代码引用。

回调函数的注册和执行的时间点是不同的。正常的时间顺序都是先注册后执行的。

引擎中一个很容易出现的问题是对象的生命周期和回调函数安全性。比如一个对象已经被删掉了，但由于代码设计缺陷，在这之后仍然调用了一个和该对象相关的回调函数。此时原本表示该对象的变量是一个野指针，因此调用回调函数后程序就很有可能崩溃掉。

解决方案有：

强引用(strong reference)：确保在删除对象之前注销回调函数，以避免内存泄漏问题
- 问题：要求过于严格，导致留在内存中的东西越来越多，所以现在很少这么做了
弱引用(weak reference)：允许直接删除对象，但每次调用回调函数前会先检查其依赖的对象是否存在 >很像 C++ 的智能指针

Event Dispatching⚓︎

事件分发是指向合适的目的地发送事件的功能。

分发的实现方法有：

即时(immediate) 分发：父函数在回调函数返回后立即返回
- 问题：
  - 假如一枚炸弹爆炸了（一个事件），那它会引爆周围所有的炸弹，以此类推，这样回调函数的调用栈会变得相当深
  - 被其他函数阻塞：假如子弹击中角色，这引发的一个事件是流血效果，但这个粒子效果无法瞬间完成，因此会阻塞后续函数的进行，从而导致游戏帧率不稳定
  - 难以并行化：函数调用是一层套一层的，很难将这些运算并行化
事件队列(event queue)
- 基本实现：将事件存储在队列中，以便在未来任意时间中处理
- 通过事件序列化和反序列化（借助反射机制）来存储不同类型的事件
- 具体方式：
  - 环形缓冲区（循环队列）
  - 批处理(batching)：对事件分类，按不同类别划分多个队列，便于调试
- 问题：
  - 时间线无法由发布者决定，也就是说无法保证事件的执行顺序
  - 单帧延迟：由于事件触发的连锁反应，后面的事件可能来不及在同一帧中表现出来，得到下一帧再发生，这样的表现效果可能会怪怪的

Script System⚓︎

早期游戏中，游戏逻辑的编程通常采用的是编译型语言(compiled language)，且大多为 C/C++。因为这类语言不仅相比汇编语言更易使用，而且编译成机器码后执行效率也很高。

例子

void Player::tick(Float delta) {
    updateDirection();

    if (isKeyPressed(MOUSE_LEFT)) {
        fire();
    }

    if (isKeyDown(KEY_W)) {
        moveForward(delta);
    } else if (isKeyDown(KEY_S)) {
        moveBackward(delta);
    }

    if (isKeyDown(KEY_A)) {
        moveLeftward(delta);
    } else if (isKeyDown(KEY_D)) {
        moveRightward(delta);
    }

    ...
}

但随着硬件进步，游戏需求也变得愈加复杂，要求游戏逻辑能够做到快速迭代，这边暴露出编译型语言的种种弊端：

即便稍作修改也要重新编译整个程序
若代码不正确，程序很容易就崩溃
设计师也是游戏逻辑的开发者，虽然他们的代码基础不多，但是他们需要对游戏逻辑进行直接控制；另外艺术家也有在运行时环境下快速调整资产内容的需求

因此现代游戏开发中主要由脚本语言(script language) 负责游戏逻辑的编写，因为这类语言具备以下特点：

支持快速迭代
易学易写
支持热更新(hot update)
由于在沙箱(sandbox) 环境中运行，因此更稳定且崩溃更少

例子

Lua Script

function tick(delta)
    if input_system.isKeyDown(KeyCode.W) then
        self:moveForward(delta)
    elseif input_system.isKeyDown(KeyCode.S) then
        self:moveBackward(delta)
    end

    if input_system.isKeyDown(KeyCode.MouseLeft) then
        self:fire(delta)
    end
    ...
end

脚本先通过编译器被转换为字节码(bytecode)，然后在虚拟机(virtual machine) 上运行。

脚本和引擎中的对象生命周期管理

- 需提供对象生命周期管理机制
- 脚本使用原生对象时不太安全（因为可能会被析构）
原生引擎代码(native engine code)
脚本
- 对象生命周期由脚本的 GC（垃圾回收）自动管理
- 对象被释放的时间是无法控制的（因为是由 GC 控制的）
- 如果脚本中的引用关系过于复杂，很容易会出现内存泄漏问题
  
  注：由于 GC 算法效率并不是很高，所以可能会影响到性能，因此需做好权衡

适用于脚本系统的架构

- 多数游戏逻辑位于原生代码中
- 脚本扩展原生代码的功能
- 由编译型语言带来的高性能
原生语言主导
脚本语言主导
- 多数游戏逻辑位于脚本中
- 原生引擎代码为脚本提供必要的功能
- 由脚本语言带来的快速迭代能力

现在关注脚本的另一个功能：热更新

允许在游戏运行时修改逻辑
- 可对特定逻辑进行快速迭代
- 允许在线游戏修复脚本中的错误
问题：所有引用旧函数的变量也要更新

脚本语言的问题

性能通常比编译型语言低
- 弱类型语言(weakly typed language) 通常难以在编译时优化
- 需要虚拟机运行字节码
- JIT（即时编译）是其中一种优化方案
弱类型语言通常难以重构 (refactor)

因此，采用脚本语言时需考虑：

语言性能
内建功能（比如 OOP 支持）
选择合适的架构（原生引擎代码 / 脚本）
- 由谁负责对象生命周期的管理
- 由谁主导游戏逻辑的编写

流行的脚本语言

Lua（用于《魔兽世界》《文明 V》等）
- 健壮且成熟
- 优秀的运行时性能
- 轻量级，高扩展性
Python（用于《模拟人生 4》《EVE Online》）
- 支持反射
- 内建 OOP 支持
- 丰富的标准库和第三方模块
C#（用于 Unity）
- 学习曲线低，易读易理解
- 内建 OOP 支持
- 有很多活跃的开发者的优秀社区

Visual Scripts⚓︎

为何需要视觉脚本系统

对非程序员友好，尤其是设计师和艺术家
拖放操作相比写代码更不易出错

例子

不过视觉脚本依然是一种编程语言，因为它通常需要：

变量：用于保留被处理和输出的数据
- 类型：基本类型（整数、浮点数等）、复杂类型（结构体等）
- 作用域：局部变量、成员变量 ...
- 可视化：通过数据引脚(pin) 和连线(wire) 传递变量（每个数据类型对应唯一的引脚颜色）
语句和表达式:：控制数据的处理
- 语句：表达需要执行的行动，包括赋值语句、函数语句等
- 表达式：经求解后返回一个具体的值，包括函数表达式、数学表达式等
- 可视化：使用节点(nodes)
控制流：控制语句执行的顺序
- 顺序(sequence) 语句：默认顺序，一条接一条地执行语句
- 条件(conditional) 语句：下一条要执行的语句由条件决定
- 循环(loop) 语句：迭代执行语句，直到条件不为真
- 可视化：通过执行引脚(pin) 和连线(wire) 确定语句顺序，并使用控制语句节点来构建不同的控制流
函数：接收并处理数据，最后返回结果的逻辑模块，由输入参数、函数体和返回值三部分构成
- 可视化：用带有多个连接节点的图(graph) 来表示一个函数
类（OOP 语言）：某类对象的原型
- 成员变量：其生命周期由对象实例管理
- 成员函数：可以直接访问成员变量，可被派生类 (derived classes) 重写 (override)
- 可视化：通过蓝图(blueprint) 定义一个继承自原生类的类，包括了事件回调函数、成员函数和成员变量等