在設(shè)計(jì)游戲引擎時(shí)，需要設(shè)置數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來存儲(chǔ)和訪問咱們的游戲?qū)ο蟆?/p>

程序員在構(gòu)建游戲引擎時(shí)可以使用多種技術(shù)。一些引擎可能會(huì)使用簡單的面向?qū)ο蟮姆椒?，包括類和繼承，而另一些引擎則可能將其對(duì)象組織為實(shí)體和組件。

如果你的目標(biāo)之一是學(xué)習(xí)更多關(guān)于算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的知識(shí)，我建議你嘗試自己實(shí)現(xiàn)這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。如果你使用C++，一種選擇是使用STL（標(biāo)準(zhǔn)模板庫），充分利用它自帶的許多數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（向量、列表、隊(duì)列、堆棧、map、set等)。C++ STL在很大程度上依賴于模板，所以這是一個(gè)練習(xí)使用模板并在實(shí)際項(xiàng)目中接觸它們的好機(jī)會(huì)。

而當(dāng)你開始閱讀更多關(guān)于游戲引擎架構(gòu)的內(nèi)容時(shí)，你便會(huì)發(fā)現(xiàn)，游戲中最受歡迎的設(shè)計(jì)模式是基于實(shí)體和組件。實(shí)體組件設(shè)計(jì)將游戲場景的對(duì)象組織為實(shí)體（Unity稱之為“游戲?qū)ο蟆?，而虛幻稱之為“actor”)和組件（我們能添加或附到實(shí)體上的數(shù)據(jù)）。

要理解實(shí)體和組件如何協(xié)同工作，請(qǐng)考慮一個(gè)簡單的游戲場景。實(shí)體將會(huì)是主要玩家、敵人、地板、拋射物，而組件將是我們“附加”到實(shí)體上的重要數(shù)據(jù)塊，如位置、速度、剛體碰撞器等等。

下面列出可以選擇附加到實(shí)體上的組件的部分例子：

• 位置組件：跟蹤實(shí)體在游戲世界中的x-y位置坐標(biāo)(或3D中的x-y-z)。

• 速度組件：跟蹤實(shí)體在x-y軸(或3D中的x-y-z軸)中的移動(dòng)速度。

• 精靈組件：它通常存儲(chǔ)我們應(yīng)該為某個(gè)實(shí)體呈現(xiàn)的PNG圖像。

• 動(dòng)畫組件：跟蹤實(shí)體的動(dòng)畫速度，以及動(dòng)畫幀如何隨時(shí)間變化。

• 碰撞器組件：這通常與剛體的物理特性有關(guān)，并定義了實(shí)體的碰撞形狀(邊界框、邊界圓、網(wǎng)格碰撞器等)。

• 健康組件：存儲(chǔ)實(shí)體的當(dāng)前健康值。這通常只是一個(gè)數(shù)字，在某些情況下是一個(gè)百分比值（例如一個(gè)血條）。

• 腳本組件：有時(shí)我們可以將腳本組件附加到實(shí)體，這可能是引擎必須在幕后解釋和執(zhí)行的外部腳本文件(Lua, Python等)。

這是表示游戲?qū)ο蠛椭匾螒驍?shù)據(jù)的一種非常流行的方式。先是實(shí)體，然后會(huì)將不同的組件“插入”到實(shí)體中。

許多書籍和文章都探討了我們應(yīng)該如何實(shí)現(xiàn)實(shí)體組件設(shè)計(jì)，以及在這樣的實(shí)現(xiàn)中應(yīng)該使用什么數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。我們用到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及訪問它們的方式直接影響著游戲性能。你可能經(jīng)常聽到開發(fā)者提到諸如“面向數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)”，“實(shí)體-組件-系統(tǒng)”(ECS)，“數(shù)據(jù)本地性”和其他許多與游戲數(shù)據(jù)如何存儲(chǔ)在內(nèi)存中、以及如何有效訪問這些數(shù)據(jù)有關(guān)的idea。

表示和訪問內(nèi)存中的游戲?qū)ο罂梢允且粋€(gè)復(fù)雜的主題。在我看來，你可以手動(dòng)編寫一個(gè)簡單的實(shí)體組件實(shí)現(xiàn)，也可以簡單使用現(xiàn)有的第三方ECS庫。

我們可以在C++項(xiàng)目中包含一些流行的現(xiàn)成ECS庫，并開始創(chuàng)建實(shí)體和附加組件，而不必?fù)?dān)心它們?cè)诘讓邮侨绾螌?shí)現(xiàn)的。形如EnTT和Flecs都是C++ ECS庫的一些典型例子。

我個(gè)人建議那些認(rèn)真對(duì)待編程的學(xué)生至少嘗試一次手動(dòng)實(shí)現(xiàn)簡易版ECS。即使你的實(shí)現(xiàn)并不完美，從頭開始編寫ECS系統(tǒng)也會(huì)迫使你考慮底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及其性能。

現(xiàn)在，嚴(yán)肅來講，一旦你完成了自定義ECS實(shí)現(xiàn)，我會(huì)鼓勵(lì)你使用一些流行的第三方ECS庫(EnTT、fecs等)。這些是經(jīng)過業(yè)界多年開發(fā)和測試的專業(yè)庫。它們可能比我們自己從零開始做的任何東西都要好得多。

總之，一個(gè)專業(yè)的ECS很難從頭開始實(shí)現(xiàn)。這是一個(gè)有效的學(xué)術(shù)練習(xí)，但一旦你完成了你的小型學(xué)習(xí)項(xiàng)目，那么不用多想，選擇一個(gè)經(jīng)過良好測試的第三方ECS庫，并將其添加到你的游戲引擎代碼中。

6. 渲染

好吧，看起來我們的游戲引擎的復(fù)雜性正在緩慢增長。既然已經(jīng)討論了在內(nèi)存中存儲(chǔ)和訪問游戲?qū)ο蟮姆椒?，我們可能還需要討論如何在屏幕上渲染對(duì)象。

第一步是考慮我們將用引擎創(chuàng)造的游戲的性質(zhì)。我們是否創(chuàng)造了一個(gè)只用于開發(fā)2D游戲的游戲引擎？如果是這種情況，我們就需要考慮渲染精靈、紋理、管理圖層，可能還需要利用顯卡加速。好消息是，2D游戲通常比3D游戲簡單，2D數(shù)學(xué)也比3D數(shù)學(xué)簡單得多。

如果你的目標(biāo)是開發(fā)一個(gè)2D引擎，你可以使用SDL來幫助多平臺(tái)渲染。SDL抽象了加速GPU硬件，可以解碼和顯示PNG圖像，繪制精靈，并在游戲窗口內(nèi)渲染紋理。

而如果你的目標(biāo)是開發(fā)一個(gè)3D引擎，那么我們需要定義如何向GPU發(fā)送一些額外的3D信息（頂點(diǎn)、紋理、shader等）。你可能想使用軟件抽象圖形硬件，最流行的選項(xiàng)是OpenGL、Direct3D、Vulkan和Metal。使用哪個(gè)API可能取決于你的目標(biāo)平臺(tái)。例如，Direct3D支持微軟的應(yīng)用程序，而Metal將只與蘋果產(chǎn)品兼容。

3D應(yīng)用程序通過圖形管線處理3D數(shù)據(jù)。該管線將指示你的引擎必須如何向GPU發(fā)送圖形信息（頂點(diǎn)、紋理坐標(biāo)、法線等）。圖形API和管線還將指示我們應(yīng)該如何編寫可編程shader來變換和修改3D場景的頂點(diǎn)和像素。

可編程shader指示GPU應(yīng)該如何處理和顯示3D對(duì)象。我們可以為每個(gè)頂點(diǎn)和每個(gè)像素（片段）運(yùn)用不同的腳本，它們可以控制反射、平滑度、顏色、透明度等等。

說到3D對(duì)象和頂點(diǎn)，把讀取和解碼不同網(wǎng)格格式的任務(wù)委托給庫是個(gè)好主意。有許多流行的3D模型格式，大多數(shù)第三方3D引擎應(yīng)該都知道。文件的一些例子是. obj、Collada、FBX和DAE。我建議從. obj文件開始。有一些經(jīng)過良好測試和支持的庫可以用C++處理OBJ加載。TinyOBJLoader和AssImp是很多游戲引擎都用的一個(gè)很棒的選擇。

7. 物理

當(dāng)我們向引擎添加實(shí)體時(shí)，我們可能還希望它們?cè)趫鼍爸幸苿?dòng)、旋轉(zhuǎn)和彈跳。這個(gè)游戲引擎的子系統(tǒng)就是物理模擬。它既可以手動(dòng)創(chuàng)建，也可以從現(xiàn)有的現(xiàn)成物理引擎導(dǎo)入。

在這里，我們還需要考慮我們想要模擬的物理類型。2D物理通常比3D簡單，但物理模擬的底層部分2D和3D引擎是非常相似的。

如果你只是想在你的項(xiàng)目中包含一個(gè)物理庫，有幾個(gè)很好的選擇。

對(duì)于2D物理，我建議看看Box2D和Chipmunk2D。對(duì)于專業(yè)和穩(wěn)定的3D物理模擬，則可以瞅瞅像是PhysX和Bullet這樣的庫。如果物理穩(wěn)定性和開發(fā)速度對(duì)你的項(xiàng)目至關(guān)重要，那么使用第三方物理引擎總是不錯(cuò)的選擇。

作為一名教育者，我堅(jiān)信，每個(gè)程序員都應(yīng)該在職業(yè)生涯中至少學(xué)習(xí)一次如何編寫簡單的物理引擎。同樣地，你不需要編寫一個(gè)完美的物理模擬，但要專注于確保物體能夠正確加速，并確保不同類型的力可以應(yīng)用到你的游戲物體上。一旦移動(dòng)搞定了，你還可以考慮實(shí)現(xiàn)一些簡單的碰撞檢測和碰撞解決方案。

如果你想了解更多關(guān)于物理引擎的知識(shí)，可以把一些好書和在線資源充分利用起來。對(duì)于2D剛體物理，你可以查看Box2D源代碼和Erin Catto的PPT。但如果你正在尋找一門關(guān)于游戲物理的綜合課程，《2D game physics from Scratch》可能是一個(gè)不錯(cuò)的開始。

如果你想學(xué)習(xí)3D物理以及如何實(shí)現(xiàn)一個(gè)強(qiáng)大的物理模擬，另一個(gè)很好的資源是David Eberly的《Game physics》一書。

8. UI

一提到Unity或虛幻等現(xiàn)代游戲引擎，我們總會(huì)想到帶有各種面板、滑塊、拖放選項(xiàng)及其他幫用戶定制游戲場景的漂亮界面元素的復(fù)雜UI。UI能讓開發(fā)者添加和刪除實(shí)體，動(dòng)態(tài)更改組件值，并輕松修改游戲變量。

需要明確的是，我們談?wù)摰氖怯糜诠ぞ叩挠螒蛞鎁I，而不是向玩家展示的用戶界面（如對(duì)話屏幕和菜單）。

請(qǐng)記住，游戲引擎不一定要嵌入編輯器，但由于游戲引擎通常用于提高工作效率，友好的UI會(huì)幫你和其他團(tuán)隊(duì)成員快速定制關(guān)卡及游戲場景的其他內(nèi)容。

從頭開發(fā)UI框架可能是新手程序員嘗試添加到游戲引擎中的最煩人的任務(wù)之一。你必須創(chuàng)建按鈕、面板、對(duì)話框、滑塊、單選按鈕、管理顏色，還需要正確處理該UI的事件并始終保持其狀態(tài)。一點(diǎn)都不好玩。在引擎中添加UI工具還將會(huì)增加應(yīng)用程序的復(fù)雜性，并為源代碼添加大量的噪聲。

如果你的目標(biāo)是為你的引擎創(chuàng)建UI工具，我的建議是使用現(xiàn)有的第三方UI庫。在Google上搜一把會(huì)立刻出現(xiàn)最受歡迎的一些選擇，例如Dear ImGui, Qt和Nuklear。

Dear ImGui是我最喜歡的工具之一，因?yàn)樗屛覀兡転橐婀ぞ呖焖僭O(shè)置用戶界面。ImGui項(xiàng)目使用一種被稱為“即時(shí)模式UI”的設(shè)計(jì)模式，它被廣泛用于游戲引擎，因?yàn)樗眉铀貵PU渲染能與3D應(yīng)用程序進(jìn)行良好的通信。

總之，如果你想在游戲引擎中添加UI工具，我的建議是使用Dear ImGui。

9. 腳本

隨著游戲引擎的發(fā)展，一個(gè)很流行的選擇是使用簡單的腳本語言進(jìn)行關(guān)卡定制。

這個(gè)想法理念很簡單：我們將腳本語言嵌入到原生C++應(yīng)用中，非專業(yè)程序員可以用這種更簡單的腳本語言編寫實(shí)體行為、AI邏輯、動(dòng)畫和游戲的其他重要元素。

一些流行的游戲腳本語言是Lua, Wren, C#，Python和JavaScript。所有這些語言的操作級(jí)別都比我們的原生C++代碼高得多。無論誰使用腳本語言編寫游戲行為，都不需要擔(dān)心內(nèi)存管理或核心引擎如何工作的其他底層細(xì)節(jié)。他們所需要做的就是編寫關(guān)卡腳本，咱們的引擎知道如何解釋腳本并在幕后執(zhí)行困難的任務(wù)。

我最喜歡的腳本語言是Lua。Lua體積小、速度快，并且非常容易與C和C++原生代碼集成。此外，如果我使用Lua和“現(xiàn)代”C++，我喜歡用一個(gè)名為Sol的wrapper庫。Sol庫幫我地道地運(yùn)用Lua，并提供許多幫助函數(shù)來改進(jìn)傳統(tǒng)的Lua C API。

啟用腳本后，我們就可以開始在游戲引擎中討論更高級(jí)的主題。腳本幫我們定義AI邏輯，定制動(dòng)畫框架和移動(dòng)，以及其他不需要存在于原生C++代碼中、可以通過外部腳本輕松管理的游戲行為。

10. 音頻

另一個(gè)可以考慮為游戲引擎添加的支撐元素是音頻。

毫無疑問，若想要插入音頻值并發(fā)出聲音，我們需要通過操作系統(tǒng)訪問音頻設(shè)備。同樣地（二回目），由于我們通常不會(huì)想編寫針對(duì)特定操作系統(tǒng)的代碼，所以我建議用一個(gè)多平臺(tái)庫來抽象音頻硬件訪問。

像SDL這樣的多平臺(tái)庫有各種擴(kuò)展組件，能幫你的引擎處理音樂和音效等內(nèi)容。

但是現(xiàn)在，嚴(yán)肅來講（二回目），我強(qiáng)烈建議在你的引擎的其他部分已經(jīng)協(xié)同工作之后再處理音頻。讓聲音文件響起來可能很容易實(shí)現(xiàn)，但一旦我們開始處理音頻同步，將音頻與動(dòng)畫、事件和其他游戲元素鏈接起來，事情就會(huì)變得混亂。

如果你非常務(wù)實(shí)地全手動(dòng)處理，由于多線程管理的緣故，音頻部分可能會(huì)很棘手。它并非不能實(shí)現(xiàn)，但如果你的目標(biāo)是編寫一個(gè)簡單的游戲引擎，那么這部分內(nèi)容是最值得委托給專業(yè)庫的。

你可以考慮將SDL_Mixer、SoLoud和FMOD等優(yōu)秀的音頻庫和工具整合到游戲引擎中。

11. 人工智能

我要討論的最后一個(gè)子系統(tǒng)是AI?？梢酝ㄟ^腳本實(shí)現(xiàn)AI，這意味著我們能將AI邏輯委托給關(guān)卡設(shè)計(jì)師編寫腳本。另一種選擇便是將適當(dāng)?shù)腁I系統(tǒng)嵌入到我們的游戲引擎核心原生代碼中。

在游戲中，AI是用來產(chǎn)生對(duì)游戲?qū)ο蟮捻憫?yīng)性、適應(yīng)性或智能行為。大多數(shù)AI邏輯被添加到非玩家角色(npc，敵人)中，以模擬類似人類的智能。

敵人是AI在游戲中應(yīng)用的一個(gè)常見例子。當(dāng)敵人在地圖上追逐目標(biāo)時(shí)，游戲引擎可以通過尋路算法或有趣的類人行為來創(chuàng)建抽象。

Ian Millington的《AI for games》是一本關(guān)于游戲人工智能理論和執(zhí)行的綜合性書籍。

不要試圖同時(shí)做所有的事情

好了，我們前開你討論了一些重要的概念，你可以考慮將它們添加到你的簡單C++游戲引擎中。但在開始把這些東西粘在一起之前，我想提一點(diǎn)非常重要的事情。

開發(fā)游戲引擎最困難的部分之一是，大多數(shù)開發(fā)者不會(huì)設(shè)定明確的邊界，也沒有“終點(diǎn)線”的概念。換句話說，程序員會(huì)開始一個(gè)游戲引擎項(xiàng)目，渲染對(duì)象，添加實(shí)體，添加組件，然后便走入不歸路了。如果沒有定義邊界，很容易添加越來越多的功能，而失去對(duì)大局的掌控。如果出現(xiàn)這種情況，游戲引擎很有可能永遠(yuǎn)都見不到天日。

除了缺乏邊界之外，當(dāng)我們看到代碼以迅雷不及掩耳盜鈴之勢在眼前增長時(shí)，我們很容易不知所措。游戲引擎項(xiàng)目的復(fù)雜性可能會(huì)在幾周內(nèi)迅速增長，你的C++項(xiàng)目可能會(huì)有多個(gè)依賴項(xiàng)，需要一個(gè)復(fù)雜的構(gòu)建系統(tǒng)，隨著引擎添加更多功能，你的代碼的整體可讀性也會(huì)下降。

我的最重要建議之一是，在編寫一款實(shí)際游戲的同時(shí)編寫游戲引擎。在開始和完成引擎的第一次迭代時(shí)，腦中要有一款真正的游戲。這將幫助你設(shè)定限制，為你需要完成的事情定義一條清晰的道路。盡你最大的努力堅(jiān)持下去，不要在中途改變需求。

慢慢來，專注于基礎(chǔ)

如果你正在創(chuàng)建自己的游戲引擎作為學(xué)習(xí)練習(xí)，那就盡情享受這樣的小小勝利吧！

大多數(shù)學(xué)生在項(xiàng)目開始時(shí)都非常興奮，隨著時(shí)間的推移，焦慮開始浮現(xiàn)。如果我們從頭開始創(chuàng)造游戲引擎，特別是使用像C++這樣復(fù)雜的語言時(shí)，我們很容易就會(huì)不知所措并失去動(dòng)力。

我想鼓勵(lì)你戰(zhàn)勝那種“與時(shí)間賽跑”的感覺。深呼吸，享受每一個(gè)微小的勝利。例如，當(dāng)你學(xué)會(huì)如何成功在屏幕上顯示PNG紋理時(shí)，享受這一刻，并確保你明白你做了什么。如果你成功地檢測到了兩個(gè)物體之間的碰撞，那就再次享受這一刻，并反思你剛剛獲得的知識(shí)。

專注于基礎(chǔ)并確保切實(shí)擁有這些知識(shí)。不管一個(gè)概念多小、多簡單，都要切實(shí)擁有它??！其他一切都是浮云。

（本文由皮皮關(guān)翻譯編輯，原文鏈接：https://www.gamedeveloper.com/blogs/how-to-make-your-own-c-game-engine ）

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