游戏引擎支持系统（下）

游戏引擎 架构
  1. 1. 容器
    1. 1.1 是否建立自定义的容器类
    2. 1.2 一些常用数据结构的使用建议
  2. 2. 字符串
    1. 2.1 字符串类
    2. 2.2 唯一标识符
    3. 2.3 本地化
      1. 2.3.1 Windows下的Unicode
      2. 2.3.2 其他本地化要考虑的事
  3. 3. 引擎配置
    1. 3.1 读写选项
    2. 3.2 个别用户选项
    3. 3.3 真实引擎中的配置管理

游戏编程中需要使用各种各样的集合型数据结构，称为容器或集合。字符串看似是个简单基本的数据类型，但在游戏引擎中会涉及许多设计问题和限制。此外，游戏引擎总是伴随大量可调校的选项，有的通过游戏中的选项菜单给玩家调校，有的则只为游戏开发团队设置，在正式发行时被隐掉或去除。

本文将接着上一篇，从游戏引擎的角度描述容器、字符串和引擎配置等游戏引擎支持系统。

1. 容器

常见的容器类型包括但不限于：数组、动态数组（可变长）、链表 、堆栈、队列、双端队列、优先队列（二叉堆）、树、二叉查找树（红黑树、伸展树、AVL树等）、字典、集合、图、有向非循环图。常见操作有：插入、移除、顺序访问/迭代、随机访问、查找、排序等等。

访问容器元素通常都会使用迭代器，它“知道”如何高效地访问容器中的某个元素，移至下一个元素，并用某种方式表示是否遍历完所有元素。使用迭代器的好处是：避免破坏容器类的封装，简化迭代过程。

1.1 是否建立自定义的容器类

许多游戏引擎会提供常见容器的自定义实现，而非使用第三方库，原因如下：

  • 完全掌控：控制数据结构的内存需求、具体算法、分配内存时机等
  • 优化的机会：如借助游戏机独有的硬件功能来优化
  • 可定制性：提供第三方库不常见的功能，如搜寻n个最相关的元素
  • 消除外部依赖：使用第三方库有无法自行调试维护的风险

第三方库功能强大，使用方便，但有时并不适合游戏引擎。如果决定要使用第三方库，要对它们的优缺点有全方位的了解。

  • STL
    • 优点：功能丰富；跨平台；几乎所有C++编译器都自带
    • 缺点：学习曲线陡峭；相比自定义数据结构速度较慢；占用更多内存；进行许多动态内存分配；各编译器的实现微小差异导致移植多平台麻烦
    • STL比较适合PC上的引擎，而不适用于游戏主机
    • 使用经验：用某个STL类前，充分认识其效能和内存特性；避免在可能的性能瓶颈处使用STL；占小量内存的情况才使用STL；若引擎需要支持多平台，推荐会用STLport
  • Boost
    • 优点：提供许多STL没有的有用功能；提供解决STL设计或实现上的问题的替代方案；有效处理智能指针这种复杂问题；文档写得很好（也是优秀的学习材料）
    • 缺点：生成颇大的.lib文件，不适合小型项目；不保证支持向后兼容；小心阅读许可证内容
  • Loki：其模板元编程功能极其强大，但代码可能望而生畏，难以使用，而且某些元件依赖编译器的“副作用”行为。Loki不适合胆小者，但是其设计理念非常值得学习

1.2 一些常用数据结构的使用建议

  • 动态数组：游戏编程中大量使用固定大小数组以避免动态分配的开销，而且因连续而对缓存友好。可以在开发期选用动态数组，当确定适当的内存预算时，将其改为固定大小的数组（可以自行建立一个兼容std::vector接口的模板
  • 链表
    • 外露式表：节点保存指向实际元素的指针。优点是一个元素能同时置于多个链表，缺点是必须动态分配节点。使用池分配器是最佳选择。
    • 侵入式表：元素的数据结构被嵌入节点。优点是无须动态分配，缺点是没有外露式表那么有弹性。
    • 若不惜一切代价都要避免动态内存分配，则选用侵入式表；若能负担得起池分配的开销，或链表中的实例来自第三方库，则选用外露式表
  • 字典和散列表：注意散列（把任意类型的键转换为整数）函数的选择是关键。若键为32位整数，把其位模式诠释为32位整数；若键为字符串，则把字符串中所有字符的ASCII或UTF码合并为单个32位整数，常见的字符串散列函数有LOOKUP3、CRC32、MD5等等

2. 字符串

2.1 字符串类

字符串类虽然方便，但有隐性成本：传递字符串对象时，函数声明或使用不当引起多个拷贝构造函数的开销；复制字符串涉及动态内存分配。若一定要使用字符串类，应该查明其运行性能特性在可接受的范围，并让所有使用它的程序员知悉其开销。

在储存和管理文件系统路径时，使用特化的字符串类（如Path类）来处理多平台的字符串差异，在游戏引擎中是很有价值的。

2.2 唯一标识符

唯一标识符（64位或128位的GUID字符串）用于识别游戏对象或资产，由于数量非常多，大量的比较在游戏中可能极有影响。最好找到一种方法，既保留字符串的表达能力和弹性，又要有整数操作的速度。可以把字符串散列并存于表中（该过程称为字符串扣留），并通过散列码（也称为字符串标识符，string id或SID）取回原来的字符串，但要选取恰当的散列函数保证不碰撞。

因为字符串扣留（散列，分配字符串内存，复制至查找表）非常缓慢，所以通常在运行时就进行，而且仅进行一次，把结果储存备用。

2.3 本地化

对每个向用户显示的字符串，都要事先翻译为需要支持的语言（程序内部使用的，永不显示于用户的字符串无须本地化）。除了通过使用合适的字体，为所有支持语言准备字符字形，游戏还需要处理不同的文本方向（针对一些阅读顺序很特殊的语言）。

推荐先阅读这篇文章：《每个软件开发者都绝对必知的Unicode及字元集必备知识(没有借口！)》。游戏引擎中最常采用的是UTF-8和UTF-16。

2.3.1 Windows下的Unicode

在Windows下，wchar_t用来表示单个“宽”UTF-16字符（WCS），char则用作ANSI字符及多字节UTF-16字符串（MBCS）。Windows容许程序员编写字符集无关的代码，即提供TCHAR数据类型，它会根据实际所用的字符集自动typedef为特定的类型。

注意Windows中各种API和标准函数库，无前缀表示普通ANSI字符，前缀为“w”“wcs”表示宽字符，缀为“mbs”表示多字节UTF-16，如strcmp()、wcscmp()和_mbscmp()。

对于游戏机上的Unicode，Xbox 360开发套件几乎完全采用WCS字符串。不同的引擎采用哪种编码并不重要，重要的是在项目中尽早决定，并始终贯彻使用。

2.3.2 其他本地化要考虑的事

  • 本地化不仅包括字符，还包括录制语音、带文字的纹理，还要注意一些符号在不同文化中意义的差别，注意不同市场的评级界限
  • 本地化系统需要建立字符串数据库，通过SID以及全局的“当前语言”设定来查找对应的语言字符串。其函数声明可能为：const wchar_t* getLocalizedString(const char* sid)
  • 数据库的实现细节不是很重要，可以用CSV，也可以用专门的DBMS
  • 程序员切记不要硬编码原始字符串，而是采用上述查找函数取得所需字符串。注意字符串可能需要处理像"Player {0} Score: {1}"这样的格式化串

3. 引擎配置

3.1 读写选项

可配置选项可简单实现为全局变量或单例中的成员变量，这些选项必须可供用户配置，储存到硬盘、记忆卡或其他媒体，游戏能随时读取。下面是一些读写选项的方法：

  • 文本配置文件：如INI、XML、JSON等等
  • 经压缩的二进制文件：主要用于老式游戏主机上储存空间极其有限的记忆卡
  • Windows注册表：以树形式存储，内部节点为注册表项（类似文件夹），叶节点以键值对储存选项。任何应用程序都可预留一个注册表项存储任意内容
  • 命令行选项：通过扫描命令行取得选项设置
  • 环境变量
  • 线上用户设定档：存储在中央服务器，必须通过联网存取，一般用于存储用户成就、已购买或解锁的游戏内容、游戏选项及其他信息

3.2 个别用户选项

个别用户选项保留了每个玩家自己配置其喜欢的选项，与全局选项区分开来。需要小心控制每个玩家只能“看见”自己的选项，而不会遇见其他玩家在同一设备的选项。

在Windows上，应用程序通常在C:\Documents and Settings的隐藏文件夹Application Data文件夹中建立自己的文件夹，存放个别用户数据。或者通过读写注册表HKEY_CURRENT_USER下的注册表项，来存取管理当前用户的配置选项。

3.3 真实引擎中的配置管理

  • 雷神之锤的主控台变量（Console Variables，CVAR）：一个储存浮点数或字符串的全局变量，可在主控台下查看及修改，部分值可储存到硬盘上的config.cfg文件
  • OGRE引擎：使用INI，像plugins.cfg记录要启用的插件及路径，resources.cfg包含游戏资产的路径。通过Ogre::ConfigFile类可轻易读写全新的配置文件
  • 顽皮狗的神秘海域引擎：使用以下多种配置机制
    • 游戏内置菜单选项：每个可配置选项都实现为全局变量，为选项创建菜单项目时，会提供全局变量的地址，之后菜单项目就能直接控制该全局变量的值
    • 命令行参数：可指定要载入的关卡名称，以及其他常用参数
    • Scheme（一种Lisp方言）数据定义：通过脚本定义数据结构，并用自建的数据编译器转换为二进制文件，同时自动生成C/C++的头文件以解释二进制文件的数据。可以在运行期间重编译和重加载二进制文件，以便随时修改数据结构并立即看到效果。这种系统给予程序员巨大的弹性，可以定义复杂的数据结构，如细致的动画树、物理参数、游戏机制等。下面的代码示例，用于为动画定义属性，并导出2个动画
;; Scheme代码，定义一个新的数据类型，名为simple-animation
(deftype simple-animation () (
    (name string)
    (speed float: default 1.0)
    (fade-in-seconds float: default 0.25)
    (fade-out-seconds float: default 0.25)
))

;; 定义此数据结构2个实例
(define-export anim-walk
    (new simple-animation
        :name "walk"
        :speed 1.0
    )
)
(define-export anim-jump
    (new simple-animation
        :name "jump"
        :fade-in-seconds 0.1
        :fade-out-seconds 0.1
    )
)

此Scheme代码会产生以下C/C++头文件：

// simple-animation.h
// 警告：本文件是Scheme自动生成的，不要手工修改
struct SimpleAnimation {
    const char* m_name;
    float m_speed;
    float m_fadeInSeconds;
    float m_fadeOutSeconds;
};

在游戏编程中，可调用LookupSymbol()函数读取数据，该函数以返回类型为模板参数：

#include "simple-animation.h"

void someFunction() {
    SimpleAnimation* pWalkAnim = LookupSymbol<SimpleAnimation*>("anim-walk");
    SimpleAnimation* pJumpAnim = LookupSymbol<SimpleAnimation*>("anim-jump");
    // 在此使用这些动画......
}

参考文献：电子工业出版社《游戏引擎架构》第5.3-5.5节

当前网速较慢或者你使用的浏览器不支持博客特定功能，请尝试刷新或换用Chrome、Firefox等现代浏览器