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第3章游戲場(chǎng)景的轉(zhuǎn)換——狀態(tài)模式(State)

3.1 游戲場(chǎng)景本書使用Unity3D游戲引擎作為開(kāi)發(fā)工具，而Unity3D是使用場(chǎng)景(Scene)作為游戲運(yùn)行時(shí)的環(huán)境。開(kāi)始制作游戲時(shí)，開(kāi)發(fā)者會(huì)將游戲需要的素材(3D模型、游戲?qū)ο?放到一個(gè)場(chǎng)景中，然后編寫對(duì)應(yīng)的程序代碼，之后只要單擊Play按鈕，就可以開(kāi)始運(yùn)行游戲。除了Unity3D之外，筆者過(guò)去開(kāi)發(fā)游戲時(shí)使用的游戲引擎(Game Engine)或開(kāi)發(fā)框架(SDK、Framework)，多數(shù)也都存在“場(chǎng)景”的概念，例如：? 早期Java Phone的J2ME開(kāi)發(fā)SDK中使用的Canvas類；? Android的Java開(kāi)發(fā)SDK中使用的Activity類；? iOS上2D游戲開(kāi)發(fā)工具Cocos2D中使用的CCScene類。雖然各種工具不見(jiàn)得都使用場(chǎng)景(Scene)這個(gè)名詞，但在實(shí)現(xiàn)上，一樣可使用相同的方式來(lái)呈現(xiàn)。而上面所列的各個(gè)類，都可以被拿來(lái)作為游戲?qū)崿F(xiàn)中“場(chǎng)景”轉(zhuǎn)換的目標(biāo)。3.1.1 場(chǎng)景的轉(zhuǎn)換當(dāng)游戲比較復(fù)雜時(shí)，通常會(huì)設(shè)計(jì)成多個(gè)場(chǎng)景，讓玩家在幾個(gè)場(chǎng)景之間轉(zhuǎn)換，某一個(gè)場(chǎng)景可能是角色在一個(gè)大地圖上行走，而另一個(gè)場(chǎng)景則是在地下洞穴探險(xiǎn)。這樣的設(shè)計(jì)方式其實(shí)很像是舞臺(tái)劇的呈現(xiàn)方式，編劇們?cè)O(shè)計(jì)了一幕幕的場(chǎng)景讓演員們?cè)谄溟g穿梭演出，而每幕之間的差異，可能是在布景擺設(shè)或參與演出角色的不同，但對(duì)于觀眾來(lái)說(shuō)，同時(shí)間只會(huì)看到演員們?cè)谀骋粋€(gè)場(chǎng)景中的演出。要怎樣才能真正應(yīng)用“場(chǎng)景”來(lái)開(kāi)發(fā)游戲呢？讀者可以回想一下，當(dāng)我們打開(kāi)游戲App或開(kāi)始運(yùn)行游戲軟件時(shí)，會(huì)遇到什么樣的畫面：出現(xiàn)游戲Logo、播放游戲片頭、加載游戲數(shù)據(jù)、出現(xiàn)游戲主畫面、等待玩家登錄游戲、進(jìn)入游戲主畫面，接下來(lái)玩家可能是在大地圖上打怪或進(jìn)入副本刷關(guān)卡……。游戲畫面轉(zhuǎn)換如圖3-1所示。 圖3-1 游戲畫面轉(zhuǎn)換就以上面的說(shuō)明為例，我們可規(guī)劃出下面數(shù)個(gè)場(chǎng)景，每個(gè)場(chǎng)景分別負(fù)責(zé)多項(xiàng)功能的執(zhí)行，如圖3-2所示。 圖3-2 每個(gè)場(chǎng)景負(fù)責(zé)執(zhí)行的游戲功能? 登錄場(chǎng)景：負(fù)責(zé)游戲片頭、加載游戲數(shù)據(jù)、出現(xiàn)游戲主畫面、等待玩家登錄游戲。? 主畫面場(chǎng)景：負(fù)責(zé)進(jìn)入游戲畫面、玩家在主城/主畫面中的操作、在地圖上打怪打?qū)?hellip;…? 戰(zhàn)斗場(chǎng)景：負(fù)責(zé)與玩家組隊(duì)之后進(jìn)入副本關(guān)卡、挑戰(zhàn)王怪……在游戲場(chǎng)景規(guī)劃完成后，就可以利用“狀態(tài)圖”將各場(chǎng)景的關(guān)系連接起來(lái)，并且說(shuō)明它們之間的轉(zhuǎn)換條件以及狀態(tài)轉(zhuǎn)換的流程，如圖3-3所示。 圖3-3 各場(chǎng)景轉(zhuǎn)換條件以及狀態(tài)轉(zhuǎn)換的“狀態(tài)圖”即便我們換了一個(gè)游戲類型來(lái)實(shí)現(xiàn)，一樣可以使用相同的場(chǎng)景分類方式，將游戲功能進(jìn)行歸類，例如：卡牌游戲可按如下分類：? 登錄場(chǎng)景：負(fù)責(zé)游戲片頭、加載游戲數(shù)據(jù)、出現(xiàn)游戲主畫面、等待玩家登錄游戲。? 主畫面場(chǎng)景：玩家抽卡片、合成卡牌、查看卡牌……? 戰(zhàn)斗場(chǎng)景：挑戰(zhàn)關(guān)卡、卡片對(duì)戰(zhàn)……轉(zhuǎn)珠游戲可按如下分類：? 登錄場(chǎng)景：負(fù)責(zé)游戲片頭、加載游戲數(shù)據(jù)、出現(xiàn)游戲主畫面、等待玩家登錄游戲。? 主畫面場(chǎng)景：查看關(guān)卡進(jìn)度、關(guān)卡信息、商城、抽轉(zhuǎn)珠……? 戰(zhàn)斗場(chǎng)景：挑戰(zhàn)關(guān)卡、轉(zhuǎn)珠對(duì)戰(zhàn)……當(dāng)然，如果是更復(fù)雜的單機(jī)版游戲或大型多人在線游戲(MMORPG)，還可以再細(xì)分出多個(gè)場(chǎng)景來(lái)負(fù)責(zé)對(duì)應(yīng)的游戲功能。切分場(chǎng)景的好處將游戲中不同的功能分類在不同的場(chǎng)景中來(lái)執(zhí)行，除了可以將游戲功能執(zhí)行時(shí)需要的環(huán)境明確分類之外，“重復(fù)使用”也是使用場(chǎng)景轉(zhuǎn)換的好處之一。從上面幾個(gè)例子中可以看出，“登錄場(chǎng)景”幾乎是每款游戲必備的場(chǎng)景之一。而一般在登錄場(chǎng)景中，會(huì)實(shí)現(xiàn)游戲初始化功能或玩家登錄游戲時(shí)需要執(zhí)行的功能，例如：? 單機(jī)游戲：登錄場(chǎng)景可以有加載游戲數(shù)據(jù)、讓玩家選擇存盤、進(jìn)入游戲等步驟。? 在線游戲：登錄場(chǎng)景包含了許多復(fù)雜的在線登錄流程，比如使用第三方認(rèn)證系統(tǒng)、使用玩家自定義賬號(hào)、與服務(wù)器連接、數(shù)據(jù)驗(yàn)證……對(duì)于大多數(shù)的游戲開(kāi)發(fā)公司來(lái)說(shuō)，登錄場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)的功能，會(huì)希望通用于不同的游戲開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，使其保持流程的一致性。尤其對(duì)于在線游戲這種類型的項(xiàng)目而言，由于登錄流程較為復(fù)雜，若能將各項(xiàng)目共同的部分(場(chǎng)景)獨(dú)立出來(lái)，由專人負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)維護(hù)并同步更新給各個(gè)項(xiàng)目，那么效率就能獲得提升，也是比較安全的方式。在項(xiàng)目開(kāi)發(fā)時(shí)，若是能重復(fù)使用這些已經(jīng)設(shè)計(jì)良好的場(chǎng)景，將會(huì)減少許多開(kāi)發(fā)時(shí)間。更多的優(yōu)點(diǎn)將在后續(xù)章節(jié)中說(shuō)明。本書范例場(chǎng)景的規(guī)劃在本書范例中，《P級(jí)陣地》規(guī)劃了3個(gè)場(chǎng)景，如圖3-4所示。 圖3-4 《P級(jí)陣地》規(guī)劃的3個(gè)場(chǎng)景? 開(kāi)始場(chǎng)景(StarScene)：GameLoop游戲?qū)ο?GameObject)的所在，游戲啟動(dòng)及相關(guān)游戲設(shè)置的加載。? 主畫面場(chǎng)景(MainMenuScene)：顯示游戲名稱和“開(kāi)始”按鈕。? 戰(zhàn)斗場(chǎng)景(BattleScene)：游戲主要執(zhí)行的場(chǎng)景。3.1.2 游戲場(chǎng)景可能的實(shí)現(xiàn)方式實(shí)現(xiàn)Unity3D的場(chǎng)景轉(zhuǎn)換較為直接的方式如下：Listing 3-1 一般場(chǎng)景控制的寫法public class SceneManager{ private string m_state = "開(kāi)始"; // 改換場(chǎng)景 public void ChangeScene(string StateName) { m_state = StateName;

switch(m_state) { case "菜單": Application.LoadLevel(“MainMenuScene”); break; case "主場(chǎng)景": Application.LoadLevel(“GameScene”); break; } } // 更新 public void Update() { switch(m_state) { case "開(kāi)始": //... break; case "菜單": //... break; case "主場(chǎng)景": //... break; } }}

上述的實(shí)現(xiàn)方式會(huì)有以下缺點(diǎn)：只要增加一個(gè)狀態(tài)，則所有switch(m_state)的程序代碼都需要增加對(duì)應(yīng)的程序代碼。與每一個(gè)狀態(tài)有關(guān)的對(duì)象，都必須在SceneManager類中被保留，當(dāng)這些對(duì)象被多個(gè)狀態(tài)共享時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生混淆，不太容易識(shí)別是由哪個(gè)狀態(tài)設(shè)置的，造成游戲程序調(diào)試上的困難。每一個(gè)狀態(tài)可能使用不同的類對(duì)象，容易造成SceneManager類過(guò)度依賴其他類，讓SceneManager類不容易移植到其他項(xiàng)目中。為了避免出現(xiàn)上述缺點(diǎn)，修正的目標(biāo)會(huì)希望使用一個(gè)“場(chǎng)景類”來(lái)負(fù)責(zé)維護(hù)一個(gè)場(chǎng)景，讓與此場(chǎng)景相關(guān)的程序代碼和對(duì)象能整合在一起。這個(gè)負(fù)責(zé)維護(hù)的“場(chǎng)景類”，其主要工作如下：? 場(chǎng)景初始化；? 場(chǎng)景結(jié)束后，負(fù)責(zé)清除資源；? 定時(shí)更新游戲邏輯單元；? 轉(zhuǎn)換到其他場(chǎng)景；? 其他與該場(chǎng)景有關(guān)的游戲?qū)崿F(xiàn)。由于在范例程序中我們規(guī)劃了3個(gè)場(chǎng)景，所以會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的3個(gè)“場(chǎng)景類”，但如何讓這3個(gè)“場(chǎng)景類”相互合作、彼此轉(zhuǎn)換呢？我們可以使用GoF的狀態(tài)模式(State)來(lái)解決這些問(wèn)題。3.2 狀態(tài)模式(State)狀態(tài)模式(State)，在多數(shù)的設(shè)計(jì)模式書籍中都會(huì)提及，它也是游戲程序設(shè)計(jì)中應(yīng)用最頻繁的一種模式。主要是因?yàn)?ldquo;狀態(tài)”經(jīng)常被應(yīng)用在游戲設(shè)計(jì)的許多環(huán)節(jié)中，包含AI人工智能狀態(tài)、賬號(hào)登錄狀態(tài)、角色狀態(tài)……3.2.1 狀態(tài)模式(State)的定義狀態(tài)模式(State)，在GoF中的解釋是：“讓一個(gè)對(duì)象的行為隨著內(nèi)部狀態(tài)的改變而變化，而該對(duì)象也像是換了類一樣”。如果將GoF對(duì)狀態(tài)模式(State)的定義改以游戲的方式來(lái)解釋，就會(huì)像下面這樣：“當(dāng)?shù)卖斠?對(duì)象)由人形變化為獸形狀態(tài)(內(nèi)部狀態(tài)改變)時(shí)，他所施展的技能(對(duì)象的行為)也會(huì)有所變化，玩家此時(shí)就像是在操作另一個(gè)不同的角色(像是換了類)”。“德魯伊“是一種經(jīng)常出現(xiàn)在角色扮演游戲(RPG)中的角色名稱。變化外形是他們常使用的能力，通過(guò)外形的變化，使德魯伊具備了轉(zhuǎn)換為其他形體的能力，而變化為“獸形”是比較常見(jiàn)的游戲設(shè)計(jì)。當(dāng)玩家決定施展外形轉(zhuǎn)換能力時(shí)，德魯伊?xí)M(jìn)入“獸形狀態(tài)”，這時(shí)候的德魯伊?xí)?ldquo;獸形”來(lái)表現(xiàn)其行為，包含移動(dòng)和攻擊施展的方式；當(dāng)玩家決定轉(zhuǎn)換回人形時(shí)，德魯伊?xí)?fù)原為一般形態(tài)，繼續(xù)與游戲世界互動(dòng)。所以，變化外形的能力可以看成是德魯伊的一種“內(nèi)部狀態(tài)的轉(zhuǎn)換”。通過(guò)變化外形的結(jié)果，角色表現(xiàn)出另外一種行為模式，而這一切的轉(zhuǎn)化過(guò)程都可以由德魯伊的內(nèi)部控制功能來(lái)完成，玩家不必理解這個(gè)轉(zhuǎn)化過(guò)程。但無(wú)論怎么變化，玩家操作的角色都是德魯伊，并不會(huì)因?yàn)樗麅?nèi)部狀態(tài)的轉(zhuǎn)變而有所差異。當(dāng)某個(gè)對(duì)象狀態(tài)改變時(shí)，雖然它“表現(xiàn)的行為”會(huì)有所變化，但是對(duì)于客戶端來(lái)說(shuō)，并不會(huì)因?yàn)檫@樣的變化，而改變對(duì)它的“操作方法”或“信息溝通”的方式。也就是說(shuō)，這個(gè)對(duì)象與外界的對(duì)應(yīng)方式不會(huì)有任何改變。但是，對(duì)象的內(nèi)部確實(shí)是會(huì)通過(guò)“更換狀態(tài)類對(duì)象”的方式來(lái)進(jìn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。當(dāng)狀態(tài)對(duì)象更換到另一個(gè)類時(shí)，對(duì)象就會(huì)通過(guò)新的狀態(tài)類，表現(xiàn)出它在這個(gè)狀態(tài)下該有的行為。但這一切只會(huì)發(fā)生在對(duì)象內(nèi)部，對(duì)客戶端來(lái)說(shuō)，不需要了解這些狀態(tài)轉(zhuǎn)換的過(guò)程及對(duì)應(yīng)的方式。3.2.2 狀態(tài)模式(State)的說(shuō)明狀態(tài)模式(State)的結(jié)構(gòu)如圖3-5所示。 圖3-5 狀態(tài)模式的結(jié)構(gòu)圖參與者的說(shuō)明如下：? Context(狀態(tài)擁有者)? 是一個(gè)具有“狀態(tài)”屬性的類，可以制定相關(guān)的接口，讓外界能夠得知狀態(tài)的改變或通過(guò)操作讓狀態(tài)改變。? 有狀態(tài)屬性的類，例如：游戲角色有潛行、攻擊、施法等狀態(tài)；好友上線、脫機(jī)、忙碌等狀態(tài)；GoF使用TCP聯(lián)網(wǎng)為例，有已連接、等待連接、斷線等狀態(tài)。這些類中會(huì)有一個(gè)ConcreteState[X]子類的對(duì)象為其成員，用來(lái)代表當(dāng)前的狀態(tài)。? State(狀態(tài)接口類)：制定狀態(tài)的接口，負(fù)責(zé)規(guī)范Context(狀態(tài)擁有者)在特定狀態(tài)下要表現(xiàn)的行為。? ConcreteState(具體狀態(tài)類)? 繼承自State(狀態(tài)接口類)。? 實(shí)現(xiàn)Context(狀態(tài)擁有者)在特定狀態(tài)下該有的行為。例如，實(shí)現(xiàn)角色在潛行狀態(tài)時(shí)該有的行動(dòng)變緩、3D模型變半透明、不能被敵方角色察覺(jué)等行為。3.2.3 狀態(tài)模式(State)的實(shí)現(xiàn)范例首先定義Context類：Listing 3-2 定義Context類(State.cs)public class Context{ State m_State = null;

public void Request(int Value) { m_State.Handle(Value); }

public void SetState(State theState ) { Debug.Log ("Context.SetState:" theState); m_State = theState; }}Context類中，擁有一個(gè)State屬性用來(lái)代表當(dāng)前的狀態(tài)，外界可以通過(guò)Request方法，讓Context類呈現(xiàn)當(dāng)前狀態(tài)下的行為。SetState方法可以指定Context類當(dāng)前的狀態(tài)，而State狀態(tài)接口類則用來(lái)定義每一個(gè)狀態(tài)該有的行為：Listing 3-3 State類(State.cs)public abstract class State{ protected Context m_Context = null; public State(Context theContext) { m_Context = theContext; } public abstract void Handle(int Value);}在產(chǎn)生State類對(duì)象時(shí)，可以傳入Context類對(duì)象，并將其指定給State的類成員m_Context，讓State類在后續(xù)的操作中，可以獲取Context對(duì)象的信息或操作Context對(duì)象。然后定義Handle抽象方法，讓繼承的子類可以重新定義該方法，來(lái)呈現(xiàn)各自不同的狀態(tài)行為。定義3個(gè)繼承自State類的子類：Listing 3-4 定義3個(gè)狀態(tài)(State.cs)// 狀態(tài)Apublic class ConcreteStateA : State{ public ConcreteStateA(Context theContext):base(theContext) {}

public override void Handle (int Value) { Debug.Log ("ConcreteStateA.Handle"); if( Value > 10) m_Context.SetState( new ConcreteStateB(m_Context)); }}

// 狀態(tài)Bpublic class ConcreteStateB : State{ public ConcreteStateB(Context theContext):base(theContext) {}

public override void Handle (int Value) { Debug.Log ("ConcreteStateB.Handle"); if( Value > 20) m_Context.SetState( new ConcreteStateC(m_Context)); } }

// 狀態(tài)Cpublic class ConcreteStateC : State{ public ConcreteStateC(Context theContext):base(theContext) {} public override void Handle (int Value) { Debug.Log ("ConcreteStateC.Handle"); if( Value > 30) m_Context.SetState( new ConcreteStateA(m_Context)); } }上述3個(gè)子類，都要重新定義父類State的Handle抽象方法，用來(lái)表示在各自狀態(tài)下的行為。在范例中，我們先讓它們各自顯示不同的信息(代表當(dāng)前的狀態(tài)行為)，再按照本身狀態(tài)的行為定義來(lái)判斷是否要通知Context對(duì)象轉(zhuǎn)換到另一個(gè)狀態(tài)。Context類中提供了一個(gè)SetState方法，讓外界能夠設(shè)置Context對(duì)象當(dāng)前的狀態(tài)，而所謂的“外界”，也可以是由另一個(gè)State狀態(tài)來(lái)調(diào)用。所以實(shí)現(xiàn)上，狀態(tài)的轉(zhuǎn)換可以有下列兩種方式：? 交由Context類本身，按條件在各狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換；? 產(chǎn)生Context類對(duì)象時(shí)，馬上指定初始狀態(tài)給Context對(duì)象，而在后續(xù)執(zhí)行過(guò)程中的狀態(tài)轉(zhuǎn)換則交由State對(duì)象負(fù)責(zé)，Context對(duì)象不再介入。筆者在實(shí)現(xiàn)時(shí)，大部分情況下會(huì)選擇第2種方式，原因在于：狀態(tài)對(duì)象本身比較清楚“在什么條件下，可以讓Context對(duì)象轉(zhuǎn)移到另一個(gè)State狀態(tài)”。所以在每個(gè)ConcreteState類的程序代碼中，可以看到“狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件”的判斷，以及設(shè)置哪一個(gè)ConcreteState對(duì)象成為新的狀態(tài)。每個(gè)ConcreteState狀態(tài)都可以保持自己的屬性值，作為狀態(tài)轉(zhuǎn)換或展現(xiàn)狀態(tài)行為的依據(jù)，不會(huì)與其他的ConcreteState狀態(tài)混用，在維護(hù)時(shí)比較容易理解。因?yàn)榕袛鄺l件及狀態(tài)屬性都被轉(zhuǎn)換到ConcreteState類中，故而可縮減Context類的大小。4個(gè)類定義好之后，我們可以通過(guò)測(cè)試范例來(lái)看看客戶端程序會(huì)怎樣利用這個(gè)設(shè)計(jì)：Listing 3-5 State的測(cè)試范例(StateTest.cs) void UnitTest() { Context theContext = new Context(); theContext.SetState( new ConcreteStatA(theContext ));

theContext.Request( 5 ); theContext.Request( 15 ); theContext.Request( 25 ); theContext.Request( 35 ); }首先產(chǎn)生Context對(duì)象theContext，并立即設(shè)置為ConcreteStateA狀態(tài)；然后調(diào)用Context類的Request方法，并傳入作為“狀態(tài)轉(zhuǎn)換判斷”用途的參數(shù)，讓當(dāng)前狀態(tài)(ConcreteStateA)判斷是否要轉(zhuǎn)移到ConcreteStateB；調(diào)用幾次Request方法，并傳入不同的參數(shù)。從輸出的信息中可以看到，Context對(duì)象的狀態(tài)由ConcreteStateA按序轉(zhuǎn)換到ConcreteStateB、 ConcreteStateC狀態(tài)，回到ConcreteStateA狀態(tài)。 State測(cè)試范例產(chǎn)生的信息 Context.SetState:DesignPattern_State.ConcreteStateA ConcreteStateA.Handle ConcreteStateA.Handle Context.SetState:DesignPattern_State.ConcreteStateB Context.SetState:DesignPattern_State.ConcreteStateC Context.SetState:DesignPattern_State.ConcreteStateA3.3 使用狀態(tài)模式(State)實(shí)現(xiàn)游戲場(chǎng)景的轉(zhuǎn)換在Unity3D的環(huán)境中，游戲只會(huì)在一個(gè)場(chǎng)景中運(yùn)行，所以我們可以讓每個(gè)場(chǎng)景都由一個(gè)“場(chǎng)景類”來(lái)負(fù)責(zé)維護(hù)。此時(shí)，如果將場(chǎng)景類當(dāng)成“狀態(tài)”來(lái)比喻的話，那么就可以利用狀態(tài)模式(State)的轉(zhuǎn)換原理，來(lái)完成場(chǎng)景轉(zhuǎn)換的功能。由于每個(gè)場(chǎng)景所負(fù)責(zé)執(zhí)行的功能不同，通過(guò)狀態(tài)模式(State)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移，除了可以實(shí)現(xiàn)游戲內(nèi)部功能的轉(zhuǎn)換外，對(duì)于客戶端來(lái)說(shuō)，也不必根據(jù)不同的游戲狀態(tài)來(lái)編寫不同的程代碼，同時(shí)也減少了外界對(duì)于不同游戲狀態(tài)的依賴性。而原本的Unity3D場(chǎng)景轉(zhuǎn)換判斷功能，可以在各自的場(chǎng)景類中完成，并且狀態(tài)模式(State)同時(shí)間也只會(huì)讓一個(gè)狀態(tài)存在(同時(shí)間只會(huì)有一個(gè)狀態(tài)在運(yùn)行)，因此可以滿足Unity3D執(zhí)行時(shí)只能有一個(gè)場(chǎng)景(狀態(tài))存在的要求。3.3.1 SceneState的實(shí)現(xiàn)《P級(jí)陣地》的場(chǎng)景分成3個(gè)：開(kāi)始場(chǎng)景(StarScene)、主畫面場(chǎng)景(MainM