游戏编程设计模式-state
認錯時刻：在這一章里，我有的包裝和修飾有點過分了。看起來是在講狀態模式，但是我發現如果不講有限狀態機的基本概念，我幾乎沒法討論狀態模式和游戲。但是一旦我講了，感覺就像是在介紹分層狀態機和下推自動機。
這樣牽扯的太多了，所以為了盡量保持簡潔，實例代碼留下了一些細節需要你自己去填寫。我希望他們仍然能夠表達清楚大體意思。
如果你沒聽說過狀態機也不要慌。雖然在AI和編譯器黑客們那里很常見，但是其他領域的程序員可能不熟悉。我想他們應該被廣泛認知，所以我將在不同的問題中拋出他們。
其實我們早就知道
我們在做一個橫向卷軸的小游戲。我們的工作是實現一個女英雄（heroine），就是玩家在游戲世界的阿凡達。也就是說她要相應玩家的輸入。按B鍵她就會跳。很簡單：
出Bug了？
沒有東西能夠組織“跳躍”動作——當她在空中的時候持續按B鍵，她就永遠懸在空中了。簡單地解決辦法是為Heroine類添加一個isJumping_布爾值，當她起跳的時候設為true，然后：
然后，當她站立時，一旦玩家按向下鍵，我們想讓heroine下水。放開按鍵后回到站立狀態。
仍然有bug？
這些代碼，玩家可以：
1、按向下鍵入水。
2、按B鍵從潛水的位置上起跳。
3、在空中釋放向下鍵。
heroine就會在跳躍中間變成站立樣子。應該加入另一個標志了：
下一步，如果玩家在跳躍的中間按向下鍵，進行一個俯沖攻擊，那一定很酷：
又到了找bug時間了。
我們發現你再跳躍時不能再次跳躍，但是在俯沖和其他狀態下可以…
通過我們的方法，能找到一些明顯的錯誤。每次我們動一動這些棘手的代碼，都會引起一些錯誤。我們需要加入更多地運動——我們甚至還沒有加入“走路”——但是照這樣下去，在我們處理它之前，就會引起一系列的bug。
有限狀態機救駕
面對這種挫折，你要清理掉桌面上的所有東西，只剩下一支筆和一張紙，開始畫流程圖。你畫一個矩形代表heroine可以做的每一個動作：站立、跳躍、下潛和俯沖。當她能從一種狀態響應一個按鍵消息，你畫一個從這個矩形出發的箭頭，并且用這個按鈕來標記箭頭，用它來指向下一個狀態。
?
恭喜，你已經創建了一個有限狀態機（FSM）。這出自計算機科學的一個叫做自動機理論的分支。這個家族里里還有大名鼎鼎的圖靈機。FSM是這個家族最簡單地一個成員。要點如下：
1、狀態機的狀態集合是確定的。例如在我們的例子里，有站立、跳躍、下蹲和俯沖。
2、狀態機在某一時刻只能處于一種狀態。我們的heroine不能同時跳躍和站立。其實，避免出現這種狀況正是我們使用FSM的原因。
3、一連串的輸入或者事件發送到這個狀態機。我們的例子里，就是一串按鍵和釋放消息。
4、每一種狀態都由一些轉化路徑，每一個路徑都通過一個輸入關聯到另外一種狀態。當一個輸入進來后，如果正好跟一個當前的轉化路徑匹配，狀態機就會轉到它所指向的另一個狀態。
例如，站立的時候按向下鍵，轉換到下蹲狀態，跳躍的時候按向下鍵，轉換到俯沖狀態。如果當前狀態下沒有定義某種操作相應的轉化，那這種操作將會被忽略。
理想狀態下，狀態機里就只有：狀態，輸入，轉化這些東西了。你可以畫一個很小的圖表示出來。但是編譯器并不能識別我們的草圖，我們要怎么實現他們呢？GOF的State模式就是一種方法，下面將會講到，讓我從簡單的入手。
枚舉與開關
我們的Heroine類有一個問題就是無法使用這幾個布爾值得組合，例如isJumping_和isDucking_永遠不可能都為true。當你確定這些標志不可能同時為true時，這就表示你真正應該使用的是枚舉。
在這個例子中，枚舉就是我們FSM的狀態集合，所以我們可以這樣定義：
Heroine類不再需要一堆標志了，取而代之的是一個state_屬性。并且需要顛倒代碼的順序。在前面的代碼里，我們先判斷輸入，然后是狀態。這把一個鍵的相關代碼放在了一起，但是關于狀態的代碼被分散了。我們希望讓它們集中起來，所以先判斷狀態，代碼如下：
這看起來很散亂，但是其實已經比前面的代碼有很大進步了。我們仍然有很多判斷分支，但是我們把分散的狀態歸納到了一個地方。處理同一個狀態的代碼被很好的集中在一起。這是實現狀態機的最簡單的方式，而且在某些應用場景工作的很好。
但是你遇到的問題會超出這個解決方案的范圍。比如說手游賬號買號，我們想添加一個改動，讓heroine能夠下蹲蓄力然后發出一個特殊的大招。當她下蹲的時候，我們要記錄時間。
我們在Heroine中添加一個 chargeTime_屬性，用來記錄她下蹲了多長時間。假如我們有一個update()函數，每幀調用一次。我們在其中加入代碼：
我們需要在她開始下蹲前重置這個計時器，所以修改handleInput函數：
總之，為了添加大招，我們必須修改兩個方法，并且在Heroine類中加入chargeTime_屬性。盡管它只在下蹲狀態下有意義。我們最理想的情況是把這些代碼和數據封裝在一起，GOF該出場了。
State模式
面向對象思想已經深入人心，每一種判斷分支都提供了一個動態分配的機會（C++中用的是另外一個說法叫虛函數調用）。我想這是個坑，優勢其實你所需要的只是一個if語句。
但是在我們的實例中，恰好更適合面向對象。它讓我們能夠使用State模式，GOF的描述是：
允許一個對象在內部狀態改變時，改變其行為。這個對象會表現為改變它的類型。
這并沒有告訴我們太多信息。搞笑的是swtch卻做到了。這個模式的描述如果應用到我們的heroine上，會是這一個樣子：
一個state 接口
首先，我們定義一個state的接口。每一個狀態依賴的方法——之前我們放switch語句的地方——變成了一個虛方法。在這里就是handleInput() 和 update()
每一個狀態對應的類
對每種狀態我們定義一個類去實現這個接口。它的方法定義了heroine在這個狀態下的行為。也就是說，我們把原來swtich語句中每個case下的代碼，移到了他們各自狀態對應的類中。例如：
注意我們把chargeTime_從Heroine類中移到了DuckingState類中。這是極好的——這條數據只在這個狀態下有意義，現在我們的對象模型很明顯得反應了這一點。
狀態的代理
下一步，我們在Heroine中添加一個指向當前狀態的指針，去掉那些大switch語句，把他們代理給state：
如果要切換狀態，我們只需要將state_指針指向另外一個HeroineState對象即可。這就是State模式的
State對象在哪里
我在這里隱藏了一點細節。為了改變狀態，我們需要讓state_指向一個新的State對象，但是這些對象從哪里來呢？在我們的枚舉實現中，他們是一些簡單的數。但是現在狀態是類，這就意味著我們需要指向一個實在的對象實例。這里有兩種答案：
靜態狀態
如果狀態對象沒有其他的屬性，那么他只會存儲一個指向內部虛函數表的指針。這樣，沒有理由創建多個實例。每一個狀態的實例都應該是唯一的。
這樣，你可以用一個靜態實例。即使你有一堆FSM 都用到了同一個狀態，他們也可以指向同一個狀態對象，因為它沒有對某個狀態機進行特化。
這些靜態實例放在什么地方，取決于你。找一個合適的地方。如果沒有特殊原因，我們可以放在基類里：
每一個靜態域都是游戲中用到的狀態對象。為了讓heroine跳躍，站立狀態可以像這樣：
實例化狀態
有時這種方法并不可行。靜態狀態不適合下蹲狀態，它有一個chargeTime_屬性，這個屬性綁定在下蹲的heroine。不過這個恰巧在我們的游戲中也能用，因為我們只有一個heroine，但如果我們要加入兩個玩家的玩法，在同一個名目中有兩個heroine，就會出問題了。
這種情況下，我們必須在切換到一個狀態的時候，創建它。這樣才能做到每一個FSM都有專屬自己的狀態實例。當然，每當我們構建一個新狀態，就要釋放掉當前的狀態對象。這里需要小心，因為觸發切換的代碼是在當前的狀態對象中，我們不希望在這些對象中用delete this的方式銷毀自己。
取而代之的是我們讓HeroineState中的handleInput()方法能夠返回一個新狀態。如果返回了，Heroine就銷毀老狀態，切換到新狀態上，就像這樣：
這樣，我們直到返回一個新狀態后，才銷毀掉前一個狀態。現在站立狀態可以用創建新對象的方式切換到下蹲狀態。
如果可能，我會盡量使用靜態狀態，因為他們不消耗更多的內存和用來申請內存的CPU時鐘。對狀態來說，這些消耗太大了，盡管這也是一個方法。
進入和退出動作
State模式的目的在于把一種狀態的代碼和數據歸到一個單獨的類中。我們基本實現了，但是還有一些收尾工作。
當heroine改變狀態，我們還要切換她的圖片。現在這些代碼被放在了前一個狀態中。從下蹲到站立的過程，在下蹲的狀態中設置站立的圖片：
我們想要的是每一個狀態都控制它自己的圖片，我們可以給狀態添加一個entry動作，來做這個事情：
回到Heroine，我們修改代碼，把狀態改變后的變化放在新狀態的調用中：
現在我們就可以簡化下蹲代碼了：
它只需要切換到站立狀態，而讓站立狀態自己去關心圖像。現在我們的狀態才算真正的歸類了。進入事件只需要關注進入狀態，而不用關心是從哪個狀態轉化而來。
現實中的狀態圖中，會有多個轉化路徑到同一個狀態。例如，heroine跳躍和俯沖后都會進入站立狀態。這就意味著我們會把一些相同的代碼散布在這些地方。進入事件讓我們可以把它們歸攏到一個地方。
當然，我們也可以支持退出事件。其實就是一個離開一個狀態時調用的方法。
有坑嗎？
我用了大量的時間向大家兜售FSM，現在我要收一收了。到目前為止我說的都對，FSM也很好得解決了一些問題。但是他們最大的優點也是最大的缺點。
狀態機幫助你整理一些雜亂的代碼，用的方法把他們強制套用到一個結構中。你得到的就是一些狀態集合，一個當前狀態，和一些寫死的轉化。
如果你試著用狀態機去做一些復雜的工作，如游戲AI，你會被它帶來的很多限制甩一臉。幸運的是，我們的前輩們已經找到了很多方法去避開這些坑。在最后，我帶大家來看看這些辦法。
并發狀態機
我們決定讓heroine能帶槍。當她帶槍的時候，她仍然可以做他之前能做的所有動作：跑、跳、下蹲等等。但是她需要在做這些動作的同時開槍。
如果我們嚴格按照FSM來做，我們必須有原來兩倍數量的狀態機。對每個已有的狀態，我們都要有一個對應的持槍動作：站立，持槍站立，跳躍，持槍跳躍。。。你懂得。
添加更多的武器，會組合出更多的狀態。不止會產生大量的狀態，還會產生大量的冗余。有武器和沒有武器的狀態幾乎是相同的，除了少數的開火代碼。
問題是我們把兩種狀態——她做了什么和她拿著什么——混淆進了一個狀態機。為了產生所有組合，我們需要為每一對組合產生一個狀態。解決辦法也很明顯：用兩個分離的狀態機。
我們保留原有的狀態機，支持原來的功能。然后為她攜帶的武器單獨定義一個狀態機。Heroine將會兩個狀態引用，就像這樣：
當heroine響應狀態輸入的時候，她要處理兩者：
每個狀態機都可以響應輸入，產生行為，并且變換狀態時相互沒有依賴。如果兩個撞他集合幾乎沒有聯系，它們會工作的很好。
在實際應用中，你會發現有的情況下這些狀態會有交集。例如，可能她在跳躍的時候不能開火，或者可能她有裝備的時候不能俯沖。要處理這個問題，在一種狀態的代碼里，你可能加入一些if語句去判斷另一個狀態機的狀態。這不是一個優雅的解決方案，但是有效。
分層狀態機
在給我們的heroine加強了一些行為以后，她擁有了一些相似的狀態。例如，她會有站立，行走，跑，滑行等狀態。它們都是按B跳躍，按向下就下蹲。
用簡單的狀態機實現方法，我們必須把這些代碼在每一個狀態中寫一遍。如果我們能實現一遍然后在所有的狀態中復用，那就更好了。
如果這只是一些面向對象的代碼而不是狀態機，一個復用代碼的方法就是用繼承。我們需要定義一個底層的狀態，處理跳躍和下蹲。站立，行走，跑和滑行要繼承它，并且加入他們附加的行為。
原來，這是一個常見的結構叫做分層狀態機。一個狀態可以有一個超狀態（這樣它就成了子狀態）。當一個事件進來后，如果子狀態不去處理它，事件將會沿著鏈條傳遞給超狀態。另一種說法，它就像覆蓋繼承方法。
事實上，如果我們用到State模式去實現FSM，我們可以使用類繼承去實現層次化。定義一個超狀態基類：
然后每個子狀態繼承它：
這當然不是實現層次化的唯一方法。如果你不用GOF的State模式，這就不會奏效。然而，你可以用顯式得使用狀態棧來表示當前的超狀態鏈，在宿主類（Heroine）中用它來替換那個單一的狀態（state_）。
當前的狀態就是棧頂的那個狀態，它下面的就是它的直接超狀態，然后是超狀態的超狀態，以此類推。當你遇到這個狀態對應的行為時，從棧頂開始往下傳遞，直到有一個狀態處理了它。（如果沒有，就忽略。）
下推自動機
有限狀態機另外有一個擴展就是使用棧式狀態。不過容易使人迷惑的是，棧代表了完全不同的東西，經常被用來解決其他問題。
有限狀態機的一個問題在于它不保留歷史記錄。你知道你當前的狀態是什么，但是不記得之前的狀態。并且沒有返回到之前狀態的簡單辦法。
這里有一個例子：前面，我們把我們無畏的heroine武裝到了牙齒。當她開火的時候，我們需要一個新狀態來播放開火動畫，發射子彈和一些視覺特效。所以我們把他們放在FiringState中，在所有能夠開火的狀態中，添加一個到開火狀態的轉化。
問題是，當她開火完了之后，進入什么狀態呢？她在站立、跑動、跳躍或者下蹲的時候，都能突然開火。當開火的一系列動作完成后，她應該返回到原來的的狀態下。
如果我們必須要使用傳統FSM，就已經忘掉她之前的狀態了。為了解決這個問題，我們必須定義一些特定的狀態——站著射擊，跑著射擊，跳著射擊等等——這僅僅為了能寫死一些代碼，使得能轉化回原來的狀態。
我們真正希望的是一種能夠記住射擊前狀態的方法，供后面使用。自動機就是一個有用的策略。相應的數據結構叫做下推自動機。
有限狀態機有一個指向狀態的指針，而下推自動機卻有一個由這些指針構成的棧。在FSM中，轉換狀態用的是用一個新狀態替換原來的。一個下推自動機也允許你這么做，不過它還提供另外一種操作：
1、你可以在棧中壓入一個新狀態，當前狀態始終位于棧頂，所以這也相當于轉換了新狀態。但這把原狀態留在了它下面，而不是直接丟棄掉。
2、你可以彈出棧頂的狀態，丟掉，它下面的狀態就變成了當前狀態。
?
這正是我們開火所需要的。我們只需要創建一個開火狀態。當在其他狀態下開火鍵被按下時，我們把開火狀態壓入到棧中。等到開火動作結束后，我們彈出這個狀態，然后下推自動機會自動得幫我們把狀態轉換到原有狀態上。
那么他們有用嗎？
即使那些擴展過的狀態機，也有很多限定條件。當今游戲AI發展趨勢是那些更吸引人的東西，如行為樹，計劃系統。如果你對更復雜的AI感興趣，本章的內容旨在喚起你的興趣。你需要閱讀其他書籍來滿足你的需求。
這不說明有限狀態機，下推自動機，和其他簡單系統沒有用。他們是對一些特定的問題是一個很好的模型工具。有限狀態機在下面的情況下比較有用。
1、你有一個東西，它的行為是基于一些內部狀態的。
2、這些狀態能夠很容易地分離出少量明確的選項。
3、隨著時間變化，這個東西要相應一系列輸入和事件。
在游戲中，最有名的用法是在AI中。而在其他用法也很常見，如處理用戶輸入，菜單導航，解析文本，網絡協議，以及一些其他異步行為。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的游戏编程设计模式-state的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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