GameFramework解析：有限状态机（FSM）

显示全部楼层 · 2022-5-20 20:57:03

GameFramework解析：有限状态机（FSM）

什么是有限状态机

有限状态机的概念相信很多同学都清楚了，不清楚的可以参考一下书籍《游戏编程模式》中状态模式一节，里面讲得十分清楚。FSM在游戏中常用于玩家控制、怪物AI、UI状态、游戏流程控制等。
有限状态机的实现

结构

GameFramework解析：有限状态机（FSM）-1.jpg

有限状态机的实现我们可以把他分成3部分，上图中从上到下每一行就是一部分，分别是状态部分（FsmState），状态机部分（FsmBase、IFsm、Fsm）以及状态机管理器部分（IFsmManager、FsmManager）。
状态类FsmState

FsmState为有限状态机状态基类，所有用于有限状态机的状态都需要继承自此类，泛型参数T需要传入状态持有者类型。# \* ~) t8 O$ t8 f. B& w
OnInit、OnEnter、OnUpdate、OnLeave、OnDestroy为状态的生命周期方法，其中OnInit和OnDestroy分别在状态创建和销毁时调用，只会调用一次，而OnEnter、OnLeave分别在进入状态和离开状态时调用，可能会调用多次，而OnUpdate则是在进入该状态后每帧调用。( ^( B3 |8 `$ q: Z0 F) |
ChangeState用于切换到下一状态。ChangeState实际是用该方法传入的FSM对象调用FSM类里的ChangeState方法，正式执行状态切换逻辑。9 R! Q1 a# n" w, W

状态机类Fsm

Fsm对象通过Create方法创建，需要传入状态机拥有者类型、状态机名字、状态列表3个参数，Create方法为静态方法，由FsmManager调用。参数状态列表将会保存在字段m_States中，并调用所有状态的OnInit方法。5 L' I0 x7 V* F& K8 Q3 m, |, e
状态机通过Start方法启动，传入初始状态类型作为参数，方法内部会调用该状态的OnEnter。7 P5 {; r& [% T0 e& m- ]
Update方法会每帧调用当前状态的Update方法，且会计算当前状态机进行了的累计时间，可通过CurrentStateTime获取。7 p2 D% V, [8 d) z6 ~: Y
GetAllState和GetState方法可以获取注册进这个状态机的状态对象。3 I4 }: e0 Z) w; q
状态机内通常不同状态之间是需要有数据交互的，GetData，SetData，HasData，RemoveData这四个接口则提供了不同状态间数据交互的功能，分别对应获取数据、设置数据、是否有数据、移除数据，数据以key-value形式存在于字典m_Datas中。
2 z, F, O7 W0 @5 [, K
Shutdown方法会回收FSM对象，此方法由FsmManager的DestroyFsm方法调用。) H4 N- s( E# _

状态机管理器FsmManager

外部创建新的状态机统一通过FsmManager的CreateFsm接口创建，参数同FSM类中的静态方法Create，此方法会调用Fsm类的Create创建Fsm对象，然后以key-value的形式储存在字段m_Fsms中，注意m_Fsms是Dictionary类型，以TypeNamePair为Key，TypeNamePair对象是结合状态机持有者类型和状态机名字字符串类型参数组成，为了保证Key的唯一性，对于同样类型的而不同实例的持有者，应该传入不同的状态机名字。8 B' ^$ L$ f, _
GetFsm、GetAllFsm、HasFsm，向外部提供某个状态机的查询、获取，需要传入持有者类型和状态机名字两个参数。
( M* `+ U& J9 N- w
DestroyFsm可销毁特定状态机，会调用对应Fsm对象的Shutdown方法，并在FsmManager的m_Fsms字段中移除该状态机。
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internal override void Update(float elapseSeconds, float realElapseSeconds)
{
m_TempFsms.Clear();
if (m_Fsms.Count <= 0)
{
      return;
}

foreach (KeyValuePair<TypeNamePair, FsmBase> fsm in m_Fsms)
{
      m_TempFsms.Add(fsm.Value);
}

foreach (FsmBase fsm in m_TempFsms)
{
      if (fsm.IsDestroyed)
      {
         continue;
      }

      fsm.Update(elapseSeconds, realElapseSeconds);
}
}

Update方法中会调用m_Fsms中的所有状态机的Update方法，值得注意的是这里并没有直接对m_Fsms进行foreach，而是添加到一个临时的列表中再进行循环调用，这样可以防止在迭代过程中，外部销毁某个状态机而从m_Fsms移除状态机对象时，造成迭代器失效。
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示例

假设我们现在需要用状态来实现玩家的控制，其中包括空闲和移动状态，处于空闲状态下的玩家当检测到方向键按下时，会切换到移动状态，且根据方向键向某个方向进行移动，移动过程持续一秒。
我们需要3个类去实现这一需求，其中IdleState、MoveState两个类分别对应空闲状态、移动状态，Player则为状态机的持有者，也是状态机要控制的主体。
空闲状态类

using UnityEngine;
using GameFramework.Fsm;
using ProcedureOwner = GameFramework.Fsm.IFsm<Player>;
using UnityGameFramework.Runtime;

public class IdleState : FsmState<Player>
{
//触发移动的指令列表
private static KeyCode[] MOVE_COMMANDS = { KeyCode.LeftArrow, KeyCode.RightArrow, KeyCode.UpArrow, KeyCode.DownArrow };

protected override void OnInit(ProcedureOwner fsm)
{
      base.OnInit(fsm);
}

protected override void OnEnter(ProcedureOwner fsm)
{
      base.OnEnter(fsm);
}

protected override void OnUpdate(ProcedureOwner fsm, float elapseSeconds, float realElapseSeconds)
{
      base.OnUpdate(fsm, elapseSeconds, realElapseSeconds);

      foreach (var command in MOVE_COMMANDS)
      {
         //触发任何一个移动指令时
         if (Input.GetKeyDown(command))
         {
            //记录这个移动指令
            fsm.SetData<VarInt32>(&#34;MoveCommand&#34;, (int)command);
            //切换到移动状态
            ChangeState<MoveState>(fsm);
         }
      }
}

protected override void OnLeave(ProcedureOwner fsm, bool isShutdown)
{
      base.OnLeave(fsm, isShutdown);
}

protected override void OnDestroy(ProcedureOwner fsm)
{
      base.OnDestroy(fsm);
}
}
移动状态类

using UnityEngine;
using GameFramework.Fsm;
using ProcedureOwner = GameFramework.Fsm.IFsm<Player>;
using UnityGameFramework.Runtime;

public class MoveState : FsmState<Player>
{
private static readonly float EXIT_TIME = 1f;
private float exitTimer;
private KeyCode moveCommand;

protected override void OnInit(ProcedureOwner fsm)
{
      base.OnInit(fsm);
}

protected override void OnEnter(ProcedureOwner fsm)
{
      base.OnEnter(fsm);

      //进入移动状态时，获取移动指令数据
      moveCommand = (KeyCode)(int)fsm.GetData<VarInt32>(&#34;MoveCommand&#34;);
}

protected override void OnUpdate(ProcedureOwner fsm, float elapseSeconds, float realElapseSeconds)
{
      base.OnUpdate(fsm, elapseSeconds, realElapseSeconds);

      //计时器累计时间
      exitTimer += elapseSeconds;

      //switch(moveCommand)
      //{
      //根据移动方向指令向对应方向移动
      //}

      //达到指定时间后
      if (exitTimer > EXIT_TIME)
      {
         //切换回空闲状态
         ChangeState<IdleState>(fsm);
      }
}

protected override void OnLeave(ProcedureOwner fsm, bool isShutdown)
{
      base.OnLeave(fsm, isShutdown);

      //推出移动状态时，把计时器清零
      exitTimer = 0;
      //清空移动指令
      moveCommand = KeyCode.None;
      fsm.RemoveData(&#34;MoveCommand&#34;);
}

protected override void OnDestroy(ProcedureOwner fsm)
{
      base.OnDestroy(fsm);
}
}
玩家类

using System.Collections.Generic;
using UnityEngine;
using GameFramework.Fsm;
using StarForce;

public class Player : MonoBehaviour
{
//Player对象自增Id
private static int SERIAL_ID = 0;

private IFsm<Player> fsm;

// Start is called before the first frame update
void Start()
{
      //创建状态列表
      List<FsmState<Player>> stateList = new List<FsmState<Player>>() { new IdleState(), new MoveState() };
      //创建状态机，注意，对于所有持有者为Player类型的状态机的名字参数不能重复，这里用自增ID避免重复
      fsm = GameEntry.Fsm.CreateFsm<Player>((SERIAL_ID++).ToString(), this, stateList);
      //以IdleState为初始状态，启动状态机
      fsm.Start<IdleState>();
}

// Update is called once per frame
void Update()
{

}

private void OnDestroy()
{
      //销毁状态机
      GameEntry.Fsm.DestroyFsm(fsm);
}
}
Inspector面板

GameFramework解析：有限状态机（FSM）-2.jpg