【Unity设计模式】状态编程模式

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前言

最近在学习Unity游戏设计模式，看到两本比较适合入门的书，一本是unity官方的 《Level up your programming with game programming patterns》 ,另一本是 《游戏编程模式》

这两本书介绍了大部分会使用到的设计模式，因此很值得学习

本专栏暂时先记录一些教程部分，深入阅读后续再更新

文章目录

  • 前言
  • 有限状态机
  • 如何实现状态模式

有限状态机

在游戏中有一个可玩的角色，通常情况他是站在地面上的，当控制控制器，他就会进入行走状态，当按下跳跃，则他会跳到半空，下落后又会回到站立状态

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如果你做过动画机Animator，你一定能理解这个状态切换是如何实现的。上述的状态图类似于流程图，但是有一些区别：

  • 它由多种状态构成，且每个时间点只有一个状态是处于活动的
  • 每个状态可以根据运行条件转换为其他状态
  • 当发生状态转换时，原来的状态由活动切换为不活动，而转换的目标状态变为活动

我们将上图这样的状态模型称为有限状态机FSM，有限状态机在角色AI，程序设计尤其操作系统中十分常见。

有限状态机由数量有限的状态构成，它有一个初始状态，并包含了其他状态以及转换状态的条件。状态机在任意时刻都处于其中的某一状态，并且在一定条件下会从一种状态切换为另一种状态，以响应转换的外部输入。

状态模式不仅可以用于管理角色，道具的状态，甚至可以用于管理整个游戏系统的状态。包括Mono Behavior的生命周期，实际上也可视作一种状态模式

如何实现状态模式

状态模式看起来似乎很简单，我们只需要让对象进行状态判断，根据状态来选择行为就行了。

那我是不是可以定义一个枚举类型来分出状态，然后让角色根据他们所处的状态在内部进行行为切换就行了呢？

public enum EnemyState
{Idle,Walk,Jump
}public class Enemy : MonoBehaviour
{private EnemyState state;private void Update(){GetInput();switch (state){case EnemyState.Idle:Idle();break;case EnemyState.Walk:Walk();break;case EnemyState.Jump:Jump();break;}}
}

看起来实现了状态模式，但显然这种实现是依托答辩。

首先，难道我们每定义一个角色，就需要在其内部管理它自身的状态？
齐次，如果我们每添加一个状态，就需要一个Switch Case，那代码会有多冗余？
最后，上述代码显然是高耦合的，如果我们需要添加或者删去某状态，那么所有使用了该状态的代码都需要被修改。

因此，用枚举类型实现状态显然不合适，记住设计模式的重要原则，对拓展开放，对修改关闭

因此同理，让所有角色继承一个状态基类，在基类中定义各种状态实现的方法，并在子类中重写状态实现的虚方法也是不行的，因为基类一旦改变子类也要改变。

所以，我们需要在不修改角色代码的情况下，既要实现状态的拓展和删除，又要方便我们对每个状态的角色事件进行定义。一个想法就是让状态持有角色并在状态中完成业务处理逻辑，而非角色根据状态来实现业务逻辑。

这个想法很像我之前学习的一个案例（也许是工厂模式），银行有很多业务，但是如果每增加一个业务就需要修改银行类的代码，显然违背了开闭原则，因此银行应当只负责返回给用户相应的业务，而具体的业务逻辑则需要业务类本身来执行。就方便对银行业务进行增减。

因此角色的状态事件则需要由状态类本身来进行定义，好处是减少了耦合，代码也会更加清晰。但坏处是我们可能要为每个角色类定义多个衍生出来的状态类，类的数量会爆炸式的增长（此时用命名空间和程序集来管理多个相关类的好处就凸显出来了）

Unity 状态模式（实例详解）

// 定义抽象状态类
public abstract class CharacterState
{protected Character character;public void SetCharacter(Character _character){this.character = _character;}// 抽象方法，子类需要实现具体行为public abstract void Update();
}// 具体状态类：IdleState
public class IdleState : CharacterState
{public override void Update(){Debug.Log("角色处于闲置状态");// 检查是否应该转换到其他状态，如按下移动键则切换至MoveStateif (Input.GetKey(KeyCode.W)){character.ChangeState(new MoveState());}}
}// 具体状态类：MoveState
public class MoveState : CharacterState
{public override void Update(){Debug.Log("角色正在移动");// 检查是否应返回闲置状态或切换至其他状态if (!Input.GetKey(KeyCode.W)){character.ChangeState(new IdleState());}}
}------------------------------------------------------// 角色类持有当前状态并处理状态切换
public class Character : MonoBehaviour
{private CharacterState currentState;public void ChangeState(CharacterState newState){if (currentState != null){currentState.SetCharacter(null);}currentState = newState;currentState.SetCharacter(this);}void Update(){currentState.Update();}
}

在上述例子中，我们把状态的业务逻辑本身定义到了状态类中，并将对应的持有角色传入状态类，那么当角色进行状态改变时，则行为逻辑也就切换为对应状态类提供的Update方法。由状态类中对角色逻辑进行处理。

为了进一步解除角色类和状态类的耦合（角色未必需要有状态切换的需求），可以创建一个抽象的上下文类（Context），由它来持有当前状态并处理状态之间的切换：

管理StateSystem的文件

using System.Collections;
using System.Collections.Generic;
using UnityEngine;
namespace StatePattern.StateSystem
{/// <summary>/// 状态抽象基类/// </summary>public abstract class State{public abstract void Handle();}/// <summary>/// 状态生命周期抽象基类/// </summary>public abstract class StateBehaviour:State{// 状态持有者protected ContextBehaviour Context;// 几个用于状态生命周期调度的抽象方法public abstract void Update();public abstract void Enter();public abstract void Exit();}/// <summary>/// 管理状态的上下文基类/// </summary>public class Context{// 当前状态private State _state;public void SetState<T>(T state) where T:State{_state = state;}public State GetState(){return _state;}public void Requst(){_state?.Handle();}}/// <summary>/// 上下文管理状态生命周期基类/// </summary>public class ContextBehaviour : Context{// 当前持有状态private StateBehaviour _stateBehaviour;// 覆盖父类的获取状态方法public new void SetState<T>(T state) where T:StateBehaviour{_stateBehaviour = state;}public new StateBehaviour GetState(){return _stateBehaviour;}// 几个用于状态生命周期调度的虚方法public virtual void ChangeState(StateBehaviour stateBehaviour){_stateBehaviour.Exit();SetState(stateBehaviour);_stateBehaviour.Enter();}public virtual void Update(){_stateBehaviour.Update();}public virtual void NotifyStateEnter(){_stateBehaviour.Enter();}public virtual void NotifyStateExit(){_stateBehaviour.Exit();}}}

角色基类定义代码：

using StatePattern.StateSystem;
using System;
using UnityEngine;
using UnityEngine.UI;namespace CharacterClass
{#region 基类定义/// <summary>/// 角色状态基类/// </summary>public abstract class CharacterState : StateBehaviour { }/// <summary>/// 角色状态上下文基类/// </summary>public class CharacterContext : ContextBehaviour { }/// <summary>/// 角色基类/// </summary>public class Character : MonoBehaviour{private CharacterContext _context;public CharacterContext Context => _context;public Button StateChangeBtn;private void Start(){var riginState = new IdleState();_context = new CharacterContext();_context.SetState(riginState);var newState = new MoveState();StateChangeBtn.onClick.AddListener(() => { ChangeState(newState); });}private void Update(){_context.Update();}public void ChangeState(CharacterState characterState){_context.ChangeState(characterState);}}#endregion/// <summary>/// 角色状态类IdleState/// </summary>public class IdleState : CharacterState{public override void Update(){Debug.Log("处于IdleState");}public override void Enter(){Debug.Log("进入IdleState");}public override void Exit(){Debug.Log("退出IdleState");}public override void Handle(){Debug.Log("IdleState下执行事件");}}/// <summary>/// 角色状态类MoveState/// </summary>public class MoveState : CharacterState{public override void Update(){Debug.Log("处于MoveState");}public override void Enter(){Debug.Log("进入MoveState");}public override void Exit(){Debug.Log("退出MoveState");}public override void Handle(){Debug.Log("MoveState下执行事件");}}}

我们把Character脚本挂载，然后传入Button用于手动切换状态

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这样我们就实现状态模式了。上面的代码写的实在太漂亮了，我都忍不住想夸我自己

我们还有更丧心病狂的想法，如果我们需要管理的状态不是单个，而是一系列的状态，那么我们可能就需要维护一个状态队列或者状态栈，此时一个状态切换上下文已经不够我们用了，我们需要一个状态机！

	public class NullState : StateBehaviour{public override void Handle(){throw new System.NotImplementedException();}public override void Update(){throw new System.NotImplementedException();}public override void Enter(){throw new System.NotImplementedException();}public override void Exit(){throw new System.NotImplementedException();}}public class StateMachine{private ContextBehaviour _contextBehaviour;public ContextBehaviour ContextBehaviour => _contextBehaviour;private NullState _nullState = new NullState();private StateBehaviour _prevState= new NullState();public StateMachine (ContextBehaviour contextBehaviour){_contextBehaviour = contextBehaviour;}public StateMachine (ContextBehaviour contextBehaviour,StateBehaviour riginState){_contextBehaviour = contextBehaviour;_contextBehaviour.SetState(riginState);}private Queue<StateBehaviour> _stateQueue = new Queue<StateBehaviour>();public void StateEnQueue(StateBehaviour stateBehaviour){_stateQueue.Enqueue(stateBehaviour);}public StateBehaviour StateDeQueue(){if (_stateQueue.Count > 0){return _stateQueue.Dequeue();}else{return _nullState;}}public void Update(){_contextBehaviour.Update();}public void NextState(){_prevState = _contextBehaviour.GetState();_contextBehaviour.ChangeState(StateDeQueue());}public void PrevState(){_contextBehaviour.ChangeState(_prevState);}}

这样我们就不是让角色持有上下文，而是让角色持有状态机本身。

在某些需要的时候更新状态机就可以处理一系列状态。我们就可以对状态进行各种操作，例如回到上一个状态，例如在一个事件中根据我们的需要传入一系列状态，并按照我们的想法对状态机中的状态进行触发。甚至多个角色持有同个状态机，一个状态机持有多个状态的上下文等等奇思妙想。

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