第十三章:控制游戏逻辑

导读:《入门:游戏主循环》

【转载】入门:游戏主循环

引言

主循环是一款游戏或者框架的核心以及基础,它会让游戏以及动画看起来是在做实时的运行。几乎所有游戏(除了回合制等几种类型以外)都要基于主循环以及精确的时间控制。

下面就是一个最基本的主循环示例代码:

先定义一个简单的游戏引擎接口,声明游戏的基本生命周期。

package net.jmecn.logic;

/**
 * 一个简单的游戏引擎接口
 * 
 * @author yanmaoyuan
 *
 */
public interface IGameEngine {
    // 初始化
    void init();
    // 主循环
    void update();
    // 渲染
    void render();
    // 清理
    void clear();
}

然后定义一个抽象的游戏Engine,用于驱动游戏主循环。

package net.jmecn.logic;

/**
 * 抽象游戏引擎,实现了游戏的主循环。
 * 
 * @author yanmaoyuan
 *
 */
public abstract class Engine implements IGameEngine {

    protected boolean running = false;
    protected boolean pause = false;

    // 开始游戏
    public void start() {
        if (running)
            return;

        running = true;
        pause = false;

        // 启动主循环
        loop();
    }

    // 暂停游戏
    public void pause(boolean pause) {
        this.pause = pause;
    }

    // 主循环
    private void loop() {
        init(); // 初始化整个体系,框架、图形、声音等等

        while(running) {

            // 暂停游戏
            if (pause) {
                return;
            }

            update();

            render();
        }

        clear(); // 清理资源、关闭各种接口等
    }

    // 停止游戏
    public void stop() {
        running = false;
    }
}

主循环每次执行的时候,都会调用指定好的函数来执行相应的工作,比如在上面代码中我们设置 update() 来处理游戏逻辑,设置 render() 来绘制游戏当前的画面。比如下面这个例子

package net.jmecn.logic;

/**
 * 实现游戏逻辑
 * 
 * @author yanmaoyuan
 *
 */
public class MyGame extends Engine {

    float x = 0;

    @Override
    public void init() {}

    @Override
    public void update() {
        x += 1;
    }

    @Override
    public void render() {
        // TODO 根据x坐标绘制玩家
    }

    @Override
    public void clear() {}

    public static void main(String[] args) {
        MyGame game = new MyGame();
        game.start();
    }

}

每一次游戏逻辑函数被触发的时候,都会将玩家角色的水平 x 位置加 1,这样,经过相应的 render() 方法处理,就会看到角色在横向运动。

但是,上面这个主循环有着明显的问题,那就是:主循环能够被执行的次数是取决于机器配置的,越快的机器,主循环执行的次数越多,那么角色也就运动得越快。

当然,如果我们知道运行游戏的硬件系统是一致的,比如说都运行在某种主机平台上,那么,还是可以直接使用这样的主循环的。

那么,既然这种主循环不是很合理,我们希望游戏在任何系统上都保持一致的速度,那就需要引入基于时间的主循环了。

基于时间的主循环

下面这个主循环例子基于度过的时间,那么,会在不同机器上表现达到一致:

首先,接口中的update()方法变成了update(float deltatime)

package net.jmecn.logic;

/**
 * 一个简单的游戏引擎接口
 * 
 * @author yanmaoyuan
 *
 */
public interface IGameEngine {
    // 初始化
    void init();
    /**
     * 主循环
     * @param deltatime 间隔时间
     */
    void update(float deltatime);
    // 渲染
    void render();
    // 清理
    void clear();
}

其次,主循环中计算了执行update(float deltatime)方的的时间间隔(单位:秒):

// 主循环
private void loop() {
    long currentTime = System.nanoTime();
    long lastTime = 0;
    long deltaTime = 0;

    init(); // 初始化整个体系,框架、图形、声音等等

    while(running) {
        lastTime = currentTime;
        currentTime = System.nanoTime();
        deltaTime = currentTime - lastTime;

        // 暂停游戏
        if (pause) {
            return;
        }

        update(deltaTime * 0.0000000001f);

        render();
    }

    clear(); // 清理资源、关闭各种接口等
}

在实现类中,不再直接+1,而是加上时间差:

@Override
public void update(float deltatime) {
    x += deltatime;
}

我们通过 System.nanoTime() 取得程序运行的时间(单位:纳秒),每一次主循环执行的时候我们都取得时间差,然后通过时间差来决定更新距离。

我们用 lastTime 来记录上一次的时间,然后通过 System.nanoTime() 取得当前的时间,然后减去上一次的时间,就得到了 deltaTime ——时间差。

lastTime = currentTime;
currentTime = System.nanoTime();
deltaTime = currentTime - lastTime;

deltaTime的时间单位是纳秒,游戏中一般使用秒作为时间单位,因此需要对齐进行转换deltaTime * 0.0000000001f

基于时钟的主循环

有一些语言或者框架提供了按照时钟触发的方式,可以设定固定的触发时间间隔,比如下面的例子:

package net.jmecn.logic;

import java.util.Timer;
import java.util.TimerTask;

/**
 * 抽象游戏引擎,实现了游戏的主循环。
 * 
 * @author yanmaoyuan
 *
 */
public abstract class Engine implements IGameEngine {

    protected boolean pause = false;

    Timer timer;
    TimerTask task;

    // 开始游戏
    public void start() {
        init(); // 初始化整个体系,框架、图形、声音等等

        // 定时器
        timer = new Timer();
        task = new TimerTask() {
            public void run() {
                // 暂停游戏
                if (pause) {
                    return;
                }

                update();
                render();
            }
        };

        // 设定 1/30 秒触发一次,执行 主循环
        long period = (long) (1000 / 30f);
        timer.scheduleAtFixedRate(task, 0, period);
    }

    // 暂停游戏
    public void pause(boolean pause) {
        this.pause = pause;
    }

    // 停止游戏
    public void stop() {
        task.cancel();// 退出任务
        task = null;

        timer.cancel();
        timer = null;

        clear(); // 清理资源、关闭各种接口等
    }
}

游戏逻辑可以按固定速率执行:

@Override
public void update() {
    x += 1;
}

可见,这种方式可以通过系统时钟来不断的触发主循环 update(),可以精确的控制游戏的运行状态。它可以保证游戏在任何机器上都以同样的速度运行。现在很多主流的游戏框架都支持通过时钟来触发事件。

jME3的主循环

jME3使用的是基于时间的主循环jme3-core.jar中的com.jme3.system.NanoTimer类就是是专门用来计算时间的。

主循环做了什么?

当你继承SimpleApplication类后,就自动获得了它提供的主循环,利用它我们可以实现自己的游戏逻辑,比如遥控NPC、处理游戏事件、响应用户输入等。

SimpleApplication在后台做了很多事情,我们曾在本教程第二章“jME3基本概念”的生命周期章节简单介绍过:

  • 执行 initialize() 方法,初始化显示系统场景图摄像机输入系统音效系统资源管理系统应用状态机等一大堆重要的内容。
    • initialize() 方法只在程序启动时执行一次。
    • 在 initialize() 方法的最后,会执行我们重载的 simpleInitApp() 方法。
    • 由于 initialize() 方法已经把该准备的东西都准备好了,所以我们在 simpleInitApp() 方法中才可以直接使用assetManager、inputManager等重要对象。
  • 循环执行 update(float tpf) 方法
    • 1-响应用户输入,执行所有事件监听器中的代码。见第九章:用户交互
    • 2-更新游戏状态
    • 2-1 更新全局游戏状态(执行所有 AppState#update() 方法);
    • 2-2 更新用户自定义游戏逻辑(执行 simpleUpdate() 方法);
    • 2-3 更新场景图状态(执行所有Spatial中的 Control#update() 方法。)。
    • 3-渲染音频和视频
    • 3-1 渲染全局应用状态中的场景(执行所有 AppState#render() 方法);
    • 3-2 渲染游戏主场景(执行 renderManager#render() 方法);
    • 3-3 执行用户自定义渲染代码(执行 simpleRender() 方法)。
    • 重复上述循环。
  • 退出游戏。当 stop() 方法被调用后,执行所有 cleanup() 方法和 distory() 方法,然后关闭jME3窗口、终止主循环。

主循环的用法

在继承SimpleApplication类之后,我们的游戏逻辑主要通过重载 simpleUpdate(float tpf) 方法来实现,游戏主循环会自动调用它。

下面是一个例子:

package net.jmecn.logic;

import com.jme3.app.SimpleApplication;
import com.jme3.light.DirectionalLight;
import com.jme3.material.Material;
import com.jme3.math.FastMath;
import com.jme3.math.Quaternion;
import com.jme3.math.Vector3f;
import com.jme3.scene.Geometry;
import com.jme3.scene.Spatial;
import com.jme3.scene.shape.Box;

/**
 * 主循环
 * 
 * @author yanmaoyuan
 *
 */
public class HelloLoop extends SimpleApplication {

    // 旋转的物体
    private Spatial spatial;
    // 旋转速度:每秒180°
    private float rotateSpeed = FastMath.PI;

    @Override
    public void simpleInitApp() {
        cam.setLocation(new Vector3f(3.3435764f, 3.7595856f, 6.611723f));
        cam.setRotation(new Quaternion(-0.05573249f, 0.9440857f, -0.23910178f, -0.22006002f));

        // 创建一个方块
        Material mat = new Material(assetManager, "Common/MatDefs/Light/Lighting.j3md");
        spatial = new Geometry("Box", new Box(1, 1, 1));
        spatial.setMaterial(mat);

        rootNode.attachChild(spatial);

        // 添加光源
        rootNode.addLight(new DirectionalLight(new Vector3f(-1, -2, -3)));
    }

    @Override
    public void simpleUpdate(float tpf) {
        // 绕Y轴以固定速率旋转
        spatial.rotate(0, tpf * rotateSpeed, 0);
    }

    public static void main(String[] args) {
        // 启动
        HelloLoop app = new HelloLoop();
        app.start();
    }

}

这个程序的作用,是创建一个方块,并让它以每秒180°的速度绕Y轴旋转。

扩展主循环

一般来说,我们会在 simpleInitApp() 方法中初始化程序所需的资源,然后在 simpleUpdate(float tpf) 方法中编写代码逻辑。直到本章为止,教程中几乎所有的例子都是这样写的。

这种写法并不好。对于一个稍微复杂一点的游戏来说,这都将导致单一类中的代码超级长,难以阅读,而且难以维护。我们并不需要在游戏启动时加载所有资源,也不需要在主循环中执行所有逻辑代码。

最好的做法是将游戏模块化,把 simpleInitApp() 和 simpleUpdate(float tpf) 方法中的代码分解到不同的Java类中。jME3提供了两个接口(AppState和Control),利用它们可以把系统的功能模块分解成若干个子模块。

  • AppState 用于将全局游戏机制模块化。
  • Control 用于将单个游戏对象的行为模块化。

诸如天气、光照、音效、物理等模块的代码,都可以搬到AppState中。如果游戏中有几个不同的地图,可以分解成多个子场景,并在不同的AppState中并分别初始化。当玩家进入某个地图就加载某个AppState,离开时再把它移除。

如果要控制单个游戏对象的行为,就可以用Control来做。如果程序设计得合理,就可以得到很多可复用的小组件。比如让一个物体旋转、让NPC寻找到达目的地的最佳路线、让摄像机始终跟随玩家、让一个物体始终正面朝向玩家。

下面我们分别介绍 AppState 和 Control 的用法。

AppState

介绍

AppState是jME3的一个重要接口,主要用于处理全局的游戏机制。合理应用AppState,可以让你的程序结构清晰、灵活,而且代码可复用性更高。当 AppState 和 Control 结合使用时,还可以实现更加复杂的功能。

应用场景

举几个在游戏开发中经常遇到的用例:

  • 当用户处于不同的界面时,键盘和鼠标的输入需要有不同的处理。比如在开始界面、在创建角色界面、在游戏场景内...不同的场景下,输入的处理方式是不一样的。能否根据不同的场景,分别激活或者禁用不同的输入处理代码?

  • 我的程序包含“开始菜单”、“游玩模式”、“角色编辑模式”、“展览模式”,我能否在这些场景之间自由切换?

  • 我在 simpleUpdate() 方法中有一段超级复杂的逻辑代码(例如:人工智能),能不能把这段代码独立出去,单独做成一个功能模块?

这些都可以通过AppState完成。每个AppState都是应用程序的一个子集(或扩展),可以访问到jME3中的全局对象,诸如:

  • AssetManager
  • InputManager
  • AppStateManager
  • ViewPort
  • Camera
  • RootNode
  • GuiNode
  • 等等..

有了这些全局对象,AppState 就能做到原本你在 SimpleApplication 中做的任何事情。

生命周期

AppState的生命周期有三个主要阶段:初始化(initialize)、主循环(update)、清理(cleanup)。

AppState life cycle

AppStateManager 用于管理所有的 AppState 实例,通过 下面两行代码,可以把一个 AppState 实例添加到系统的处理队列中,或者移除一个 AppState对象。

stateManager.attach(AppState appState);// 添加AppState
stateManager.detach(AppState appState);// 移除AppState

AppState的生命历程是这样的:

  • 初始化:当一个 AppState 实例被添加到 AppStateManager 之后,它的生命周期就开始了,随后 initialize() 方法将会执行一次。initialze() 方法类似于 simpleInitApp(),用于初始化游戏资源、输入处理、GUI等内容。
  • 主循环:每个 AppState 都有自己的 update(float tpf) 方法,类似于 simpleUpdate(float tpf)。AppState 的主循环会被 SimpleApplication 的主循环驱动运行。
    • 激活:调用 setEnabled(true) 将激活 AppState 的主循环。我们应该在 AppState 激活的同时把子场景添加到主场景中,这样运行时才能看到子场景。
    • 运行:当 isEnabled() 的返回值为 true 时,AppState 的 update(float tpf) 方法会循环运行。此时就可以更新游戏状态、修改场景图、处理用户输入了。
    • 暂停:调用 setEnabled(false) 将暂停 AppState 的主循环。此时应该吧子场景从主场景中移除,直到 AppState 再次被激活。
  • 清理:当一个 AppState 实例被从 AppStateManager 中移除后,它的生命周期即将走到终点。此时 cleanup() 方法将会执行一次,用于清理 AppState 中的各种资源,比如删除子场景,移除输入监听器,关闭GUI等等。

用法

对于一个已经定义好的 AppState,只需要把 AppState 对象交给 AppStateManager 即可。例如,jME3中集成了Bullet物理引擎,使用方法是这样的:

@Override
public void simpleInitApp() {
    stateManager.attach(new BulletAppState());
    ...
}

自定义 AppState 通常遵循下列步骤:

  • 创建一个AppState的实现类。
  • 实现 AppState 中的抽象方法。
    • 在initialize()方法中进行初始化,在update()方法中实现游戏逻辑,在cleanup()方法中进行清理工作。
    • 你可以使用构造方法来给这个AppState传参。
    • 分别定义当 isEnabled() 为 true 和 false 时的行为,比如开灯/关灯。
  • 创建一个 AppState 对象,将其添加到AppStateManager中(stateManager.attach(appState);)。
  • 在你需要的时候,激活/暂停 AppState 的运行状态(appState.setEnabled(true);)。
  • 移除一个AppState对象(stateManager.detach(appState);),并进行清理。

关于AppState的具体使用,有这么几点需要注意的地方:

  • 当你的程序中有多个 AppState 时,它们运行的顺序与添加到AppStateManager中的顺序一致。
  • AppState 的设计应遵循高内聚、低耦合原则,两个 AppState 之间最好不要存在依赖关系。否则当你移除一个AppState时,当心导致其他AppState发生异常。
  • 永远不要忘记清理 AppState 中的资源。

实例:子场景管理

上图中的场景我们已经看过很多次了,场景中是一个红色的方块,使用Lighting.j3md材质。为了让你能够看清它,场景中还加入了光源。

现在我要使用AppState来实现这个程序。

  • VisualAppState 管理子场景,控制方块的显示和隐藏。
  • LightAppState 管理光照,控制开灯、关灯功能。
  • InputAppState 管理用户输入。
    • 按下空格 键,调用 LightAppState 来开关灯;
    • 按下Tab 键,调用 VisualAppState 来显示/隐藏场景。

HelloAppState

HelloAppState.java 是我们的主类,现在它的作用仅仅是启动程序,并把上述3个 AppState 交给 AppStateManager 管理。

package net.jmecn;

import com.jme3.app.SimpleApplication;

import net.jmecn.logic.InputAppState;
import net.jmecn.logic.LightAppState;
import net.jmecn.logic.VisualAppState;

/**
 * 演示AppState的作用
 * 
 * @author yanmaoyuan
 *
 */
public class HelloAppState extends SimpleApplication {

    public static void main(String[] args) {
        HelloAppState app = new HelloAppState();
        app.start();
    }

    @Override
    public void simpleInitApp() {
        stateManager.attach(new LightAppState());
        stateManager.attach(new VisualAppState());
        stateManager.attach(new InputAppState());

        // 初始化摄像机
        cam.setLocation(new Vector3f(2.4611378f, 2.8119917f, 9.150583f));
        cam.setRotation(new Quaternion(-0.020502187f, 0.97873497f, -0.16252096f, -0.1234684f));
    }

}

比起我们以前写的代码,是不是整洁多了?

除了在 simpleInitApp() 方法中初始化AppState以外,还有另一种更优雅的写法:调用父类构造方法,设置所需的 AppState。

package net.jmecn;

import com.jme3.app.DebugKeysAppState;
import com.jme3.app.FlyCamAppState;
import com.jme3.app.SimpleApplication;
import com.jme3.app.StatsAppState;
import com.jme3.audio.AudioListenerState;
import com.jme3.math.Quaternion;
import com.jme3.math.Vector3f;

import net.jmecn.logic.InputAppState;
import net.jmecn.logic.LightAppState;
import net.jmecn.logic.VisualAppState;

/**
 * SimpleApplication的最佳形式
 * 
 * @author yanmaoyuan
 *
 */
public class HelloAppState2 extends SimpleApplication {

    public static void main(String[] args) {
        HelloAppState2 app = new HelloAppState2();
        app.start();
    }

    /**
     * 在构造方法中初始化AppState
     */
    public HelloAppState2() {
        super(new StatsAppState(), new FlyCamAppState(), new AudioListenerState(), new DebugKeysAppState(),
                new LightAppState(), new VisualAppState(), new InputAppState());
    }

    @Override
    public void simpleInitApp() {
        // 初始化摄像机
        cam.setLocation(new Vector3f(2.4611378f, 2.8119917f, 9.150583f));
        cam.setRotation(new Quaternion(-0.020502187f, 0.97873497f, -0.16252096f, -0.1234684f));
    }

}

这里比上面多了4个AppState,它们是jME3系统自带的AppState:

  • StatsAppState 它的功能就是显示屏幕左下角的状态信息。
  • FlyCamAppState 它的功能就是jME3自带的第一人称摄像机。
  • AudioListenerState 它的作用是渲染3D音效。
  • DebugKeysAppState 它的作用就是按 C 显示摄像机位置,按 M 显示内存使用情况。

VisualAppState

下面是 VisualAppState.java 的代码。initialize() 方法用于初始化场景,update(float tpf) 方法用于控制方块旋转。

注意,在 VisualAppState 中,我没有直接使用 SimpleApplication 中的 rootNode,而是又定义了一个 sceneNode。子场景中的所有物体都被添加到 sceneNode中,这样只需要一行代码就可以把整个子场景添加到 rootNode 中,同样也可以用一行代码就把整个子场景移除掉。

package net.jmecn.logic;

import com.jme3.app.Application;
import com.jme3.app.SimpleApplication;
import com.jme3.app.state.AppState;
import com.jme3.app.state.AppStateManager;
import com.jme3.asset.AssetManager;
import com.jme3.material.Material;
import com.jme3.math.ColorRGBA;
import com.jme3.math.FastMath;
import com.jme3.renderer.RenderManager;
import com.jme3.scene.Geometry;
import com.jme3.scene.Mesh;
import com.jme3.scene.Node;
import com.jme3.scene.shape.Box;

/**
 * 管理自场景的AppState
 * 
 * @author yanmaoyuan
 *
 */
public class VisualAppState implements AppState {

    private boolean initialized = false;
    private boolean enabled = true;

    /**
     * 创建一个独立的根节点,便于管理子场景。
     */
    private Node sceneNode = new Node("MyScene");

    private Geometry cube = null;

    /**
     * 对于那些我们用得上的系统对象,保存一份对象的引用。
     */
    private SimpleApplication simpleApp;
    private AssetManager assetManager;

    @Override
    public void stateAttached(AppStateManager stateManager) {}

    @Override
    public void initialize(AppStateManager stateManager, Application app) {
        this.simpleApp = (SimpleApplication) app;
        this.assetManager = app.getAssetManager();

        // 创建一个方块
        Material mat = new Material(assetManager, "Common/MatDefs/Light/Lighting.j3md");
        mat.setColor("Diffuse", ColorRGBA.Red);
        mat.setColor("Ambient", ColorRGBA.Red);
        mat.setColor("Specular", ColorRGBA.Black);
        mat.setFloat("Shininess", 1);
        mat.setBoolean("UseMaterialColors", true);

        Mesh mesh = new Box(1, 1, 1);

        cube = new Geometry("Cube", mesh);
        cube.setMaterial(mat);

        // 将方块添加到我们这个场景中。
        sceneNode.attachChild(cube);

        // 初始化完毕
        initialized = true;

        if (enabled)
            simpleApp.getRootNode().attachChild(sceneNode);
    }

    @Override
    public boolean isInitialized() {
        return initialized;
    }

    @Override
    public void setEnabled(boolean active) {
        if ( this.enabled == active )
            return;
        this.enabled = active;

        if (!initialized)
            return;

        if (enabled) {
            simpleApp.getRootNode().attachChild(sceneNode);
        } else {
            sceneNode.removeFromParent();
        }
    }

    @Override
    public boolean isEnabled() {
        return enabled;
    }

    @Override
    public void update(float tpf) {
        cube.rotate(0, tpf * FastMath.PI, 0);
    }

    @Override
    public void render(RenderManager rm) {}

    @Override
    public void postRender() {}

    @Override
    public void stateDetached(AppStateManager stateManager) {}

    @Override
    public void cleanup() {
        if (enabled)
            sceneNode.removeFromParent();

        initialized = false;
    }

}

LightAppState

下面是 LightAppState.java 的代码。仅仅是在 initialize() 中初始化了光源,没有什么特别的。

package net.jmecn.logic;

import com.jme3.app.Application;
import com.jme3.app.SimpleApplication;
import com.jme3.app.state.AppState;
import com.jme3.app.state.AppStateManager;
import com.jme3.light.AmbientLight;
import com.jme3.light.PointLight;
import com.jme3.math.ColorRGBA;
import com.jme3.math.Vector3f;
import com.jme3.renderer.RenderManager;
import com.jme3.scene.Node;

public class LightAppState implements AppState {

    private boolean initialized = false;
    private boolean enabled = true;

    // 点光源
    private Vector3f lightPos;
    private ColorRGBA pointLightColor;
    private PointLight pointLight;

    // 环境光
    private ColorRGBA ambientLightColor = new ColorRGBA(0.2f, 0.2f, 0.2f, 1f);
    private AmbientLight ambientLight;

    // 背景色
    private ColorRGBA bgColor = new ColorRGBA(0.7f, 0.8f, 0.85f, 1f);

    /**
     * 灯光应该引用到整个场景中,所以需要保存SimpleApplication中的根节点。
     */
    private Node rootNode;

    @Override
    public void initialize(AppStateManager stateManager, Application app) {
        SimpleApplication simpleApp = (SimpleApplication) app;
        this.rootNode = simpleApp.getRootNode();

        // 创建光源
        lightPos = new Vector3f(1, 2, 3);
        pointLightColor = new ColorRGBA(0.8f, 0.8f, 0.0f, 1f);
        pointLight = new PointLight(lightPos, pointLightColor);

        ambientLightColor = new ColorRGBA(0.2f, 0.2f, 0.2f, 1f);
        ambientLight = new AmbientLight(ambientLightColor);

        // 设置背景色,在关灯之后你依然能看到场景中漆黑的物体。
        app.getViewPort().setBackgroundColor(bgColor);

        // 初始化完毕
        initialized = true;

        if (enabled)
            turnOn();
    }

    // 开灯
    public void turnOn() {
        rootNode.addLight(pointLight);
        rootNode.addLight(ambientLight);
    }

    // 关灯
    public void turnOff() {
        rootNode.removeLight(pointLight);
        rootNode.removeLight(ambientLight);
    }

    @Override
    public boolean isInitialized() {
        return initialized;
    }

    @Override
    public void setEnabled(boolean active) {
        if ( this.enabled == active )
            return;
        this.enabled = active;

        if (!initialized)
            return;

        if (enabled) {
            turnOn();
        } else {
            turnOff();
        }
    }

    @Override
    public boolean isEnabled() {
        return enabled;
    }

    @Override
    public void stateAttached(AppStateManager stateManager) {}

    @Override
    public void stateDetached(AppStateManager stateManager) {}

    @Override
    public void update(float tpf) {}

    @Override
    public void render(RenderManager rm) {}

    @Override
    public void postRender() {}

    @Override
    public void cleanup() {
        if (enabled)
            turnOff();

        initialized = false;
    }

}

InputAppState

下面是 InputAppState.java 的代码。

package net.jmecn.logic;

import com.jme3.app.Application;
import com.jme3.app.state.AppState;
import com.jme3.app.state.AppStateManager;
import com.jme3.input.InputManager;
import com.jme3.input.KeyInput;
import com.jme3.input.controls.ActionListener;
import com.jme3.input.controls.KeyTrigger;
import com.jme3.input.controls.Trigger;
import com.jme3.renderer.RenderManager;

/**
 * 输入模块
 * @author yanmoayuan
 *
 */
public class InputAppState implements AppState, ActionListener {

    // 电灯开关
    public final static String SWITCH_LIGHT = "switch_light";
    public final static Trigger TRIGGER_KEY_SPACE = new KeyTrigger(KeyInput.KEY_SPACE);

    // 显示/隐藏子场景
    public final static String TOGGLE_SUBSCENE = "toggle_subscene";
    public final static Trigger TRIGGER_KEY_TAB = new KeyTrigger(KeyInput.KEY_TAB);

    private boolean initialized = false;
    private boolean enabled = true;

    /**
     * 保存我们所需要的系统对象
     */
    private InputManager inputManager;
    private AppStateManager stateManager;

    @Override
    public void initialize(AppStateManager stateManager, Application app) {
        this.stateManager = stateManager;
        this.inputManager = app.getInputManager();

        initialized = true;

        if (enabled)
            addInputs();
    }

    /**
     * 添加输入
     */
    public void addInputs() {
        inputManager.addMapping(SWITCH_LIGHT, TRIGGER_KEY_SPACE);
        inputManager.addMapping(TOGGLE_SUBSCENE, TRIGGER_KEY_TAB);

        inputManager.addListener(this, SWITCH_LIGHT, TOGGLE_SUBSCENE);
    }

    /**
     * 移除输入
     */
    public void removeInputs() {
        inputManager.deleteTrigger(SWITCH_LIGHT, TRIGGER_KEY_SPACE);
        inputManager.deleteTrigger(TOGGLE_SUBSCENE, TRIGGER_KEY_TAB);

        inputManager.removeListener(this); 
    }

    @Override
    public void onAction(String name, boolean isPressed, float tpf) {
        if (isPressed) {
            if (SWITCH_LIGHT.equals(name)) {

                // 开关灯
                LightAppState light = stateManager.getState(LightAppState.class);
                if (light != null)
                    light.setEnabled(!light.isEnabled());

            } else if (TOGGLE_SUBSCENE.equals(name)) {
                // 显示/隐藏场景
                VisualAppState visual = stateManager.getState(VisualAppState.class);
                if (visual != null)
                    visual.setEnabled(!visual.isEnabled());
            }
        }
    }

    @Override
    public boolean isInitialized() {
        return initialized;
    }

    @Override
    public void setEnabled(boolean active) {
        if ( this.enabled == active )
            return;
        this.enabled = active;

        if (!initialized)
            return;

        if (enabled) {
            addInputs();
        } else {
            removeInputs();
        }
    }

    @Override
    public boolean isEnabled() {
        return enabled;
    }

    @Override
    public void stateAttached(AppStateManager stateManager) {}

    @Override
    public void stateDetached(AppStateManager stateManager) {}

    @Override
    public void update(float tpf) {}

    @Override
    public void render(RenderManager rm) {}

    @Override
    public void postRender() {}

    @Override
    public void cleanup() {
        if (enabled)
            removeInputs();

        initialized = false;
    }

}

最佳实践

使用抽象类

你并不需要总是去直接实现AppState接口,这个接口中需要重载的方法太多,而且每次都去重新写一遍几乎相同的 setEnabled() 方法也太无聊了。

jME3提供了2个抽象类,它们各自有一些基本实现。如果你懒得把 AppState 接口中的方法都实现一遍,可以尝试继承下面2个类。

BaseAppState是最好用的一个,而AbstractAppState更加简单粗暴。我不解释为什么,你应该在实际使用后根据自己的理解来决定怎么做。

下面是我常用的一个AxisAppState,基于BaseAppState实现。它的作用是在场景的中央显示一个参考坐标系,按F4 可以显示/隐藏坐标系。

package net.jmecn.state;

import com.jme3.app.Application;
import com.jme3.app.SimpleApplication;
import com.jme3.app.state.BaseAppState;
import com.jme3.asset.AssetManager;
import com.jme3.input.InputManager;
import com.jme3.input.KeyInput;
import com.jme3.input.controls.ActionListener;
import com.jme3.input.controls.KeyTrigger;
import com.jme3.material.Material;
import com.jme3.math.ColorRGBA;
import com.jme3.math.Vector3f;
import com.jme3.renderer.queue.RenderQueue.ShadowMode;
import com.jme3.scene.Geometry;
import com.jme3.scene.Node;
import com.jme3.scene.debug.Arrow;
import com.jme3.scene.debug.Grid;

/**
 * 坐标系
 * 
 * @author yanmaoyuan
 *
 */
public class AxisAppState extends BaseAppState implements ActionListener {

    public final static String TOGGLE_AXIS = "toggle_axis";

    private AssetManager assetManager;

    private Node rootNode = new Node("AxisRoot");

    @Override
    protected void initialize(Application app) {
        assetManager = app.getAssetManager();

        // 网格
        Geometry grid = new Geometry("Grid", new Grid(21, 21, 1));
        Material mat = new Material(assetManager, "Common/MatDefs/Misc/Unshaded.j3md");
        mat.setColor("Color", ColorRGBA.DarkGray);
        grid.setMaterial(mat);
        grid.center().move(0, 0, 0);
        grid.setShadowMode(ShadowMode.Off);

        rootNode.attachChild(grid);

        // 坐标
        createArrow("X", Vector3f.UNIT_X.mult(10), ColorRGBA.Red);
        createArrow("Y", Vector3f.UNIT_Y.mult(10), ColorRGBA.Green);
        createArrow("Z", Vector3f.UNIT_Z.mult(10), ColorRGBA.Blue);

        toggleAxis();
    }

    @Override
    protected void cleanup(Application app) {
    }

    @Override
    protected void onEnable() {
        SimpleApplication simpleApp = (SimpleApplication) getApplication();
        simpleApp.getRootNode().attachChild(rootNode);

        // 注册按键
        InputManager inputManager = getApplication().getInputManager();
        inputManager.addMapping(TOGGLE_AXIS, new KeyTrigger(KeyInput.KEY_F4));
        inputManager.addListener(this, TOGGLE_AXIS);
    }

    @Override
    protected void onDisable() {
        rootNode.removeFromParent();

        // 移除按键
        InputManager inputManager = getApplication().getInputManager();
        inputManager.removeListener(this);
        inputManager.deleteMapping(TOGGLE_AXIS);

    }

    @Override
    public void onAction(String name, boolean keyPressed, float tpf) {
        if (name.equals(TOGGLE_AXIS) && keyPressed) {
            toggleAxis();
        }
    }

    /**
     * 坐标轴开/关
     * 
     * @return
     */
    public boolean toggleAxis() {
        SimpleApplication simpleApp = (SimpleApplication) getApplication();
        if (simpleApp.getRootNode().hasChild(rootNode)) {
            simpleApp.getRootNode().detachChild(rootNode);
            return false;
        } else {
            simpleApp.getRootNode().attachChild(rootNode);
            return true;
        }
    }

    /**
     * 创建一个箭头
     * 
     * @param vec3
     *            箭头向量
     * @param color
     *            箭头颜色
     */
    private void createArrow(String name, Vector3f vec3, ColorRGBA color) {
        // 创建材质,设定箭头的颜色
        Material mat = new Material(assetManager, "Common/MatDefs/Misc/Unshaded.j3md");
        mat.setColor("Color", color);
        mat.getAdditionalRenderState().setLineWidth(3f);
        mat.getAdditionalRenderState().setWireframe(true);

        // 创建几何物体,应用箭头网格。
        Geometry geom = new Geometry("Axis_" + name, new Arrow(vec3));
        geom.setMaterial(mat);
        geom.setShadowMode(ShadowMode.Off);

        // 添加到场景中
        rootNode.attachChild(geom);
    }
}

效果:

保存对全局对象的引用

你可以在AppState中保存一份对全局对象的引用,这样一来编码比较方便,另外编码的习惯会与在SimpleApplication中一致。

public class MyAppState extends AbstractAppState {

    private SimpleApplication simpleApp;
    private AssetManager      assetManager;
    private AppStateManager   stateManager;
    private InputManager      inputManager;
    private ViewPort          viewPort;
    private Camera            camera;

    @Override
    public void initialize(AppStateManager stateManager, Application app) {
        super.initialize(stateManager, app);
        this.simpleApp    = (SimpleApplication) app;
        this.assetManager = app.getAssetManager();
        this.stateManager = app.getStateManager();
        this.inputManager = app.getInputManager();
        this.viewPort     = app.getViewPort();
        this.camera       = app.getCamera();
    }
}

AppState之间的通信

虽说我们希望 AppState 的设计要符合高内聚低耦合原则,做开发时总是避免不了要与其他AppState交互。比较推荐的方式,是通过 AppStateManager 进行通信。

例如在InputAppState中,需要调用LightAppState中的方法,是这样做的:

// 开关灯
LightAppState light = stateManager.getState(LightAppState.class);
if (light != null) {
    light.setEnabled(!light.isEnabled());
}

AppStateManager的 T getState(Class<T> stateClass) 方法利用了Java的泛型机制,通过 AppState 的类型来查找实例。如果存在相同类型的的 AppState,就会返回这个对象,没有的话就会返回 null。

如果不顾虑返回值为空的情况,你甚至可以直接这么做:

// 关灯
stateManager.getState(LightAppState.class).turnOff();

由于这个机制,AppStateManager 中相同类型的 AppState 对象只能有一个

如果想判断AppStateManager中是否有某个 AppState 对象,可以这么做:

stateManager.has(myAppState);

界面或场景切换

经常有人问这个问题:我该怎么切换主界面和游戏界面?

首先把主界面和游戏界面分别写到两个不同的AppState中,各自管理自己的子场景、输入处理等内容。例如:

  • MainMenuAppState
  • InGameAppState

然后,在主类中实例化这些 AppState,把主界面添加到AppStateManager中,作为游戏开始时的界面。

public MyGame extends SimpleApplication {
    MainMenuAppState mainMenu;
    InGameAppState inGame;

    public void simpleInitApp() {
        mainMenu = new MainMenuAppState();
        inGame = new InGameAppState();

        stateManager.attach(mainMenu);
    }
}

你想切换到游戏界面?写一个方法进行切换就好了。

    // 切换到游戏界面
    public void switchToInGame() {
        stateManager.detach(mainMenu);
        stateManager.attach(inGame);
    }

如果你不希望因为用户频繁切换界面导致 AppState 总是重复初始化,也可以一次性把2个 AppState都添加到 AppStateManager 中,然后把不需要显示的 AppState 先禁用掉。

    public void simpleInitApp() {
        stateManager.attachAll(new MainMenuAppState(),
                new InGameAppState());
        stateManager.getState(InGameAppState.class).setEnabled(false);
    }

切换界面时使用 setEnable() 方法来代替 attach/detach。

    // 切换到游戏界面
    public void switchToInGame() {
        stateManager.getState(MainMenuAppState.class).setEnabled(false);
        stateManager.getState(InGameAppState.class).setEnabled(true);
    }

jME3中的那些AppState

有4个AppState前面我们已经介绍过了,它们是:

  • StatsAppState
  • FlyCamAppState
  • AudioListenerState
  • DebugKeysAppState

除了这4个自动加载的 AppState 以外,jME3还提供了一些具有特殊功能的 AppState。

  • com.jme3.app.state.ScreenshotAppState 它的作用是按 Print Screen 键截屏
  • com.jme3.app.BasicProfilerState 它的作用是按 F6 键,以图形方式显示渲染效率。
  • com.jme3.app.ChaseCameraAppState 它是一个第三人称摄像机,激活时将主动禁用FlyCamAppState。
  • com.jme3.cinematic.Cinematic 它的作用是根据脚本播放剧情动画。
  • com.jme3.app.state.VideoRecorderAppState 录制游戏画面,保存为avi文件。位于jme3-desktop模块中,渣机慎用
  • com.jme3.bullet.BulletAppState 集成Bullet物理引擎。位于jme3-bullet模块中。

Control

com.jme3.scene.control.Control可以操纵单个游戏实体(Spatial)的行为,例如AnimControl就是用来控制模型动画的,MotionEvent可以遥控模型沿着固定轨迹移动。

每个Spatial可以绑定多个Control实例,每个Control控制一种特定的行为。通过一行代码,就可以把Control对象和Spatial绑定。

spatial.addControl(Control control);

举个例子来说 ,我们可以根据NPC的不同行为,分别实现多个Control,并把它们绑定到一个NPC身上:

  • PhysicalControl 配合物理引擎使用,控制NPC的运动;
  • AiControl 负责控制NPC的智能行为,例如3D寻路等;
  • AnimationContorl 负责在NPC处于不同状态时,播放对应的3D动画。
  • TalkControl 负责控制NPC如何说话,根据说话的内容播放音频。
  • FollowControl 让NPC能够跟随某个目标一起运动。
  • 等等...

实例:物体自旋

下面是一个简单的自定义控件,它可以让模型绕Y轴以固定速率旋转。注意update(float tpf)方法,这是该控件内部的主循环。

package net.jmecn.logic;

import java.io.IOException;

import com.jme3.export.JmeExporter;
import com.jme3.export.JmeImporter;
import com.jme3.math.FastMath;
import com.jme3.renderer.RenderManager;
import com.jme3.renderer.ViewPort;
import com.jme3.scene.Spatial;
import com.jme3.scene.control.Control;

/**
 * 让模型绕Y轴以固定速率旋转
 * 
 * @author yanmaoyuan
 *
 */
public class RotateControl implements Control {

    private Spatial spatial;

    // 旋转速度:每秒180°
    private float rotateSpeed = FastMath.PI;

    public RotateControl() {
        this.rotateSpeed = FastMath.PI;
    }

    public RotateControl(float rotateSpeed) {
        this.rotateSpeed = rotateSpeed;
    }

    @Override
    public void setSpatial(Spatial spatial) {
        this.spatial = spatial;
    }

    @Override
    public void update(float tpf) {
        spatial.rotate(0, tpf * rotateSpeed, 0);
    }

    @Override
    public void render(RenderManager rm, ViewPort vp) {
    }

    @Override
    public void write(JmeExporter ex) throws IOException {
        throw new IOException("暂不支持");
    }

    @Override
    public void read(JmeImporter im) throws IOException {
        throw new IOException("暂不支持");
    }

    @Override
    public Control cloneForSpatial(Spatial spatial) {
        RotateControl c = new RotateControl(rotateSpeed);
        c.setSpatial(spatial);
        return c;
    }
}

下面这个代码,RotateControl让方块绕Y轴旋转。

package net.jmecn.logic;

import com.jme3.app.SimpleApplication;
import com.jme3.light.DirectionalLight;
import com.jme3.material.Material;
import com.jme3.math.FastMath;
import com.jme3.math.Quaternion;
import com.jme3.math.Vector3f;
import com.jme3.scene.Geometry;
import com.jme3.scene.shape.Box;

/**
 * 主循环
 * 
 * @author yanmaoyuan
 *
 */
public class HelloControl extends SimpleApplication {

    @Override
    public void simpleInitApp() {
        cam.setLocation(new Vector3f(3.3435764f, 3.7595856f, 6.611723f));
        cam.setRotation(new Quaternion(-0.05573249f, 0.9440857f, -0.23910178f, -0.22006002f));

        // 创建一个方块
        Material mat = new Material(assetManager, "Common/MatDefs/Light/Lighting.j3md");
        Geometry spatial = new Geometry("Box", new Box(1, 1, 1));
        spatial.setMaterial(mat);

        // 添加控件
        spatial.addControl(new RotateControl(FastMath.PI));

        rootNode.attachChild(spatial);

        // 添加光源
        rootNode.addLight(new DirectionalLight(new Vector3f(-1, -2, -3)));
    }

    public static void main(String[] args) {
        // 启动
        HelloControl app = new HelloControl();
        app.start();
    }

}

AbstractControl

与 AppState 一样,你也没有必要直接实现 Control 接口。我们可以通过继承 AbstractControl 来节省代码。

com.jme3.scene.control.AbstractControl

AbstractControl 中做了很多基础工作,比如保存被绑定的Spatial引用,增加 setEnabled() 方法让你可以激活/禁用某个Control的功能。

比较特别是的,继承AbstractControl的话,我们的主循环就不能写在 update() 方法中了,而是改为写在 controlUpdate() 方法中。

实例:让物体上下浮动

下例的FloatControl基于AbstractControl,作用是让物体做上下往返运动。

package net.jmecn.logic;

import com.jme3.renderer.RenderManager;
import com.jme3.renderer.ViewPort;
import com.jme3.scene.control.AbstractControl;

/**
 * 一个让目标上下浮动的控件
 * 
 * @author yanmaoyuan
 *
 */
public class FloatControl extends AbstractControl {

    float tmp = 0;
    boolean raise = true;

    float dist;// 上下浮动的距离
    float speed;// 浮动的速度

    public FloatControl() {
        this.dist = 0.5f;
        this.speed = 1f;
    }

    public FloatControl(float dist, float speed) {
        this.dist = dist;
        this.speed = speed;
    }

    @Override
    protected void controlUpdate(float tpf) {
        if (speed == 0)
            return;

        float delta = tpf * speed;

        if (tmp < dist && raise) {
            tmp += delta;
            spatial.move(0, delta, 0);
        } else {
            raise = false;
        }

        if (tmp > -dist && !raise) {
            tmp -= delta;
            spatial.move(0, -delta, 0);
        } else {
            raise = true;
        }
    }

    @Override
    protected void controlRender(RenderManager rm, ViewPort vp) {
    }
};

代码量是不是比直接实现Control接口少多了?

实例:让物体朝目标移动

下例的MotionControl也不算很复杂,它的作用是让物体朝目标点做直线运动。

package net.jmecn.game;

import com.jme3.math.Vector3f;
import com.jme3.renderer.RenderManager;
import com.jme3.renderer.ViewPort;
import com.jme3.scene.Spatial;
import com.jme3.scene.control.AbstractControl;

/**
 * 这是一个运动控件,其作用是让模型朝目标点直线运动。
 * 
 * @author yanmaoyuan
 *
 */
public class MotionControl extends AbstractControl {

    // 运动速度
    private float walkSpeed = 1.0f;
    private float speedFactor = 1.0f;

    // 运动的方向向量
    private Vector3f walkDir;
    // 运动一步的向量
    private Vector3f step;

    // 当前位置
    private Vector3f loc;
    // 目标位置
    private Vector3f target;

    // 观察者
    private Observer observer;

    public MotionControl() {
        this(1.0f);
    }

    public MotionControl(float walkSpeed) {
        this.walkSpeed = walkSpeed;
        walkDir = null;
        target = null;
        loc = new Vector3f();
        step = new Vector3f();
    }

    /**
     * 设置运动速度
     * @param walkSpeed
     */
    public void setWalkSpeed(float walkSpeed) {
        this.speedFactor = walkSpeed;
    }

    /**
     * 设置观察者
     * @param observer
     */
    public void setObserver(Observer observer) {
        this.observer = observer;
    }

    /**
     * 设置目标点
     * 
     * @param target
     */
    public void setTarget(Vector3f target) {
        this.target = target;

        if (target == null) {
            walkDir = null;
            return;
        }

        // 当模型面朝目标点
        this.spatial.lookAt(target, Vector3f.UNIT_Y);

        // 计算运动方向
        walkDir = target.subtract(loc);
        walkDir.normalizeLocal();

    }

    @Override
    public void setSpatial(Spatial spatial) {
        super.setSpatial(spatial);
        // 初始化位置
        loc = new Vector3f(spatial.getLocalTranslation());
    }

    /**
     * 重写主循环,让这个模型向目标点移动。
     */
    @Override
    protected void controlUpdate(float tpf) {
        if (walkDir != null) {

            // 计算下一步的步长
            float stepDist = walkSpeed * tpf * speedFactor;

            if (stepDist == 0f) {
                return;
            }

            // 计算离目标点的距离
            float dist = loc.distance(target);

            if (stepDist < dist) {
                // 计算位移
                walkDir.mult(stepDist, step);
                loc.addLocal(step);

                spatial.setLocalTranslation(loc);

            } else {
                // 可以到达目标点
                walkDir = null;

                spatial.setLocalTranslation(target);
                target = null;

                // 通知观察者,已经抵达目标点了。
                if (observer != null) {
                    observer.onReachTarget();
                }
            }

        }
    }

    @Override
    protected void controlRender(RenderManager rm, ViewPort vp) {
    }

}

与Control通信

Control是被绑定到Spatial上的,通过Spatial的 T getControl(Class<T> class) 方法可以查询Spatial对象身上的Control对象。

AnimContorl animControl = spatial.getControl(AnimContorl .class);

与 AppStateManager 中的 T getState(Class<T> class) 方法类似,getContorl() 方法同样使用了泛型机制。一旦查询到Spatial中绑定了相同类型的Control,就会直接返回Control的实例。

在不考虑返回值为null的情况下(并不是什么好习惯),我们可以直接调用Control的方法。基于这种特性,我们就可以在Control访问绑定到同一个Spatial的其他Control,并实现Control之间的通信。

spatial.getControl(MotionContorl.class).setTarget(new Vector3f(10f, 0f, 12f));

jME3中的Control

jME3有一些定义好的Control,各有用途。

  • com.jme3.scene.control.BillboardControl 这个Control能够让物体的正面始终对准摄像机。
  • com.jme3.scene.control.CameraControl 让摄像机跟随某个物体,或者让物体跟随摄像机。
  • com.jme3.scene.control.LightControl 让光源跟随某个物体,或者让物体跟随光源。
  • com.jme3.scene.control.LodControl 根据视野距离自动调整模型的层次细节(Level Of Detail),用于性能优化。

多线程优化

为什么要用多线程

首先,从操作系统的角度来看,多线程并不比单线程运行得更快。因为CPU除了进行计算以外,还要额外负责线程的调度工作。

然而,CPU并不仅仅是在做计算。程序运行时,CPU绝大多数时间是在等待要计算的数据。打个比方,我(CPU)吃完一锅莲藕排骨汤只需要十几分钟,但是把汤熬好却要准备大半天。

多线程的目的是为了最大限度的利用CPU资源。这就像在等待排骨汤熬好的这段时间,我还可以煮个饭、炒个菜。

优化思路

  1. 图形渲染线程和逻辑线程并行

  2. I/O线程与其他线程并行

  3. 逻辑线程并行(难)

jME3的多线程模型

线程同步