如想學(xué)習(xí)更多關(guān)于算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的知識，建議嘗試實現(xiàn)這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。如果你使用的是C++，一個選項是使用STL(標(biāo)準(zhǔn)模板庫)，并利用它附帶的許多數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(向量、列表、隊列、堆棧、映射、集合等)。C++STL在很大程度上依賴于模板，因此這是一個練習(xí)使用模板的好機會，同時可以在實際項目中看到它們發(fā)揮的作用。

在閱讀過一些游戲引擎架構(gòu)的內(nèi)容后，你會發(fā)現(xiàn)游戲使用的最流行的設(shè)計模式之一是基于實體和組件。實體組件設(shè)計將游戲場景中的對象組織為實體(Unity引擎中稱之為“游戲?qū)ο蟆?，而Unreal引擎中則稱之為“角色”)和組件(我們可以添加或附加到實體的數(shù)據(jù))。

要了解實體和組件是如何協(xié)同工作的，請考慮一個簡單的游戲場景。此例中，實體將是我們的主要游戲玩家，還包括敵人、地板、投射物等，而組件將是我們“附加”到實體上的重要數(shù)據(jù)塊，如位置、速度、剛體碰撞器等。

一種流行的游戲引擎設(shè)計模式是將游戲元素組織為實體和組件

我們可以選擇附加到實體的一些組件，例如下面這些：

位置組件：跟蹤實體在世界坐標(biāo)系中的x-y位置坐標(biāo)(或3D中的x-y-z)。

速度組件：跟蹤實體在x-y軸(或3D中的x-y-z)上移動的速度。

精靈組件：通常存儲我們應(yīng)該為特定實體渲染的PNG圖像。

動畫組件：跟蹤實體的動畫速度，以及動畫幀如何隨時間變化。

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

健康組件：存儲實體的當(dāng)前健康值。這通常只是一個數(shù)字，或者在某些情況下是一個百分比值(例如，健康進(jìn)度條)。

腳本組件：有時我們可以在實體上附加一個腳本組件，它可能是一個外部腳本文件(Lua、Python等)，我們的引擎必須在后臺解釋和執(zhí)行該文件。

上面給出的是一種非常流行的表示游戲?qū)ο蠛椭匾螒驍?shù)據(jù)的方法。如今，我們已經(jīng)有了實體，然后我們就可以將這些不同的組件“插入”到實體中。

目前，市場上已有諸多書籍和文章探討了實現(xiàn)實體組件設(shè)計的方式，以及在這個實現(xiàn)中應(yīng)該使用什么樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。我們使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和訪問它們的方式對我們的游戲性能有直接的影響。開發(fā)人員經(jīng)常會提到諸如面向數(shù)據(jù)的設(shè)計、實體組件系統(tǒng)(ECS)、數(shù)據(jù)局部性等想法，這些想法與我們的游戲數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的存儲方式以及有效訪問數(shù)據(jù)方式都有密切的關(guān)系。

在內(nèi)存中表示和訪問游戲?qū)ο罂赡苁且粋€復(fù)雜的主題。根據(jù)我的經(jīng)驗，你可以手動編寫一個簡單的實體組件來實現(xiàn)，也可以簡單地使用現(xiàn)有的第三方ECS庫(Entity-Component-System，即“實體-組件-系統(tǒng)”的縮寫。此模式遵循組合優(yōu)于繼承原則，游戲內(nèi)的每一個基本單元都是一個實體，每個實體又由一個或多個組件構(gòu)成，每個組件僅僅包含代表其特性的數(shù)據(jù))。

當(dāng)前市場上，有一些流行的現(xiàn)成的ECS庫可供選用，我們可以將它們包含在C++項目中，開始創(chuàng)建實體和附加組件，而不必?fù)?dān)心它們是如何在后臺實現(xiàn)的。C++ ECS庫的一些例子是EnTT和Flecs。

我個人建議那些認(rèn)真對待編程的學(xué)生至少嘗試一次手動實現(xiàn)一個非常簡單的ECS。我的理由是，即使你的實現(xiàn)并不完美，從頭開始編寫ECS系統(tǒng)也會迫使你考慮底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的性能。

一旦完成了定制的臨時ECS實現(xiàn)，我建議你只使用一些流行的第三方ECS庫(EnTT、Flecs等)，因為這些都是經(jīng)過行業(yè)多年開發(fā)和測試的專業(yè)的游戲開發(fā)庫，它們可能比我們自己從零開始編寫的要好得多。

總之，一個專業(yè)的ECS很難僅憑個人力量從零開始實現(xiàn)。選擇一個經(jīng)過良好測試的第三方ECS庫，并將其添加到游戲引擎代碼中即可完成你的游戲作品。

6?.?渲染

游戲引擎的復(fù)雜性正在慢慢提升。前文已討論了在內(nèi)存中存儲和訪問游戲?qū)ο蟮姆椒?，接下來我們需要討論如何在屏幕上渲染對象的問題。

第一步是考慮用引擎創(chuàng)建的游戲的性質(zhì)。我們創(chuàng)建的游戲引擎是否只用來開發(fā)2D游戲?如果是這樣，我們需要考慮渲染精靈、紋理、管理層，并可能利用圖形卡加速。2D游戲通常比3D游戲簡單，因為2D數(shù)學(xué)比3D數(shù)學(xué)要簡單得多。

如果目標(biāo)是開發(fā)2D引擎，則可以使用SDL幫助進(jìn)行多平臺渲染。SDL抽象了加速的GPU硬件，可以解碼和顯示PNG圖像，繪制精靈，并在我們的游戲窗口中渲染紋理。

如果目標(biāo)是開發(fā)一個3D引擎，那么則需要定義將一些額外的3D信息(頂點、紋理、著色器等)發(fā)送到GPU的方式。如果你想使用對圖形硬件軟件抽象，最流行的選擇方案就是OpenGL、Direct3D、Vulkan和Metal。當(dāng)然，使用哪種API的決定可能取決于自身的目標(biāo)平臺。例如，Direct3D會為微軟平臺的應(yīng)用程序提供支持，而Metal則只適合與蘋果的產(chǎn)品配合使用。

3D應(yīng)用程序通過圖形管道處理3D數(shù)據(jù)。該管道將規(guī)定引擎必須如何向GPU發(fā)送圖形信息(頂點、紋理坐標(biāo)、法線等)。圖形API和管道還將規(guī)定我們應(yīng)該如何編寫可編程著色器來變換和修改3D場景的頂點和像素。

可編程著色器規(guī)定GPU應(yīng)如何處理和顯示3D對象

每個頂點和每個像素(片段)可以有不同的腳本，它們分別用于控制反射、平滑度、顏色、透明度等。

至于3D對象和頂點，最好將讀取和解碼不同網(wǎng)格格式的任務(wù)委托給一些第三方庫來實現(xiàn)。大多數(shù)第三方3D引擎都應(yīng)該了解許多流行的3D模型格式，例如OBJ、Collada、FBX和DAE等一些文件格式。我的建議是首選.OBJ文件格式，因為有不少測試和支持力度良好的庫可以用C++處理OBJ加載。這方面，TinyOBJLoader和AssImp就是許多游戲引擎使用的上佳選擇。

7?.?物理引擎

當(dāng)我們向引擎中添加實體時，我們可能還希望它們在場景中移動、旋轉(zhuǎn)和反彈。

游戲引擎的這個子系統(tǒng)稱為物理模擬。這可以手動創(chuàng)建，也可以從現(xiàn)有的現(xiàn)成的物理引擎導(dǎo)入。

在這里，我們還需要考慮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對2D和3D引擎都非常相似。

如果你只想在項目中包含一個物理庫，那么已有幾個很好的物理引擎可供選擇。對于2D物理引擎，我建議調(diào)研一下Box2D和Chipmunk2D這兩款產(chǎn)品。對于專業(yè)且穩(wěn)定的三維物理模擬引擎，品牌相當(dāng)不錯的包括PhysX和Bullet之類的庫。如果物理穩(wěn)定性和開發(fā)速度對項目至關(guān)重要，那么使用第三方物理引擎總是一個不錯的選擇。

BOX2D是一個非常受歡迎的物理庫選項，可以與游戲引擎一起使用

你不需要編寫一個完美的物理模擬，但要確保物體能夠正確加速，并且不同類型的力可以應(yīng)用到你的游戲物體上。一旦實現(xiàn)基本的物體移動效果，接下來你也可以繼續(xù)考慮實現(xiàn)一些簡單的碰撞檢測和碰撞解析。

對于2D剛體物理可參考Box2D源代碼和來自Erin Catto的介紹。如果想尋找一門關(guān)于游戲物理的綜合課程可參看《從零開始編寫2D游戲物理》)。

如果想學(xué)習(xí)3D物理以及物理模擬實現(xiàn)，可參閱大衛(wèi)·埃伯里(David Eberly)編寫的圖書《游戲物理》(Game Physics)。

8?.?用戶界面設(shè)計

一提到Unity或Unreal等現(xiàn)代游戲引擎，我們會想到復(fù)雜的用戶界面，其中包含許多面板、滑塊、拖放選項和其他漂亮的UI元素，可以幫助用戶自定義游戲場景。UI允許開發(fā)者添加和刪除實體，動態(tài)更改組件值，并輕松修改游戲變量。

為了明確起見，我們討論的是用于開發(fā)工具的游戲引擎UI，而不是我們向游戲用戶顯示的用戶界面(如對話框屏幕和菜單)。

游戲引擎不一定需要嵌入編輯器，但由于游戲引擎通常用于提高生產(chǎn)力，友好的用戶界面將幫助你和團(tuán)隊快速自定義游戲場景的關(guān)卡等其他方面。

對于初學(xué)者來說，從頭開始開發(fā)UI框架可能是游戲引擎制作中最煩人的任務(wù)之一。你必須創(chuàng)建按鈕、面板、對話框、滑塊、單選按鈕、管理顏色，還需要正確處理UI的事件并始終保持其狀態(tài)。向引擎中添加UI工具會增加應(yīng)用程序的復(fù)雜性，并給源代碼管理帶來大量麻煩。

如果你的目標(biāo)是為引擎創(chuàng)建UI工具，那么我建議使用現(xiàn)有的第三方UI庫，熱門UI備選工具有Dear ImGui、Qt和Nuklear等。

Imgui是一個強大的UI庫，被許多游戲引擎用作編輯工具

Dear ImGui是極佳的選擇之一，它允許我們?yōu)橐婀ぞ呖焖僭O(shè)置用戶界面。ImGui項目使用了一種稱為“即時模式UI”的設(shè)計模式，由于它通過利用加速的GPU渲染與3D應(yīng)用程序進(jìn)行良好的通信從而被廣泛用于游戲引擎。

總之，如果你想在游戲引擎中添加UI工具，建議使用Dear ImGui。

9?.?腳本開發(fā)

隨著我們游戲引擎的不斷發(fā)展，一個常見的選擇是使用簡單的腳本語言實現(xiàn)游戲關(guān)卡定制。

想法很簡單：我們在原生C++應(yīng)用程序中嵌入了一種腳本語言，非專業(yè)程序員可以使用這種更簡單的腳本語言編寫實體行為、AI邏輯、動畫和游戲的其他重要方面的腳本。

一些流行的游戲腳本語言有Lua、Wren、C#、Python和JavaScript等。所有這些語言的運行級別都比我們的原生C++代碼高得多。無論誰使用腳本語言編寫游戲行為腳本，都不需要擔(dān)心內(nèi)存管理或核心引擎如何工作的其他低級細(xì)節(jié)。他們要做的就是編寫游戲中對應(yīng)關(guān)卡的腳本，而我們的引擎知道如何解釋腳本并在幕后執(zhí)行艱難的任務(wù)。

Lua是一種快速、小型的腳本語言，可輕松與C/C++項目集成

我最喜歡的腳本語言是Lua。Lua體積小、速度快，非常容易與C和C++本機代碼集成。此外，如果我使用Lua和“現(xiàn)代”C++，我喜歡使用一個名為Sol的包裝庫(https://github.com/ThePhD/sol2)。Sol庫可幫助人們快速熟悉和使用Lua，并提供了許多輔助函數(shù)來改進(jìn)傳統(tǒng)的Lua C-API。

如果我們開發(fā)的游戲引擎中支持腳本編程的話，那么接下來可以開始在游戲引擎中討論一些更高級的話題。腳本編程能夠幫助定義人工智能邏輯、自定義動畫幀和運動，以及其他不需要通過原生C++代碼控制，而是可以通過外部腳本輕松管理的游戲行為。

10?.?音頻

接下來，還有一個需要為游戲引擎添加的支持元素是音頻。

如果想要讀寫音頻數(shù)據(jù)并發(fā)出聲音，我們需要通過操作系統(tǒng)訪問音頻設(shè)備。再次聲明，由于人們通常不想編寫特定于操作系統(tǒng)的代碼，我建議使用一個多平臺庫來抽象音頻硬件訪問。

SDL等多平臺庫就具有擴(kuò)展功能，可幫助引擎處理音樂和音效等內(nèi)容。

但是，我強烈建議只有在確定引擎的其他部分都已經(jīng)能夠正常協(xié)同工作之后，再考慮處理音頻的問題?？刂坡曇粑募l(fā)音可能很容易實現(xiàn)，但如果我們過早地開始處理音頻同步問題，即把音頻與動畫、事件和其他游戲元素聯(lián)系起來共同考慮，事情往往會變得一團(tuán)糟。

如果你真正是自己手工編寫代碼，那么由于多線程管理的復(fù)雜性，可能會導(dǎo)致音頻處理起來變得很棘手。不過，如果你的目標(biāo)是編寫一個簡單的游戲引擎，那么我可能更會借助一個專門的庫來處理這一部分功能。

例如，你可以考慮將SDL_Mixer、SoLoud和FMOD等優(yōu)秀的音頻庫和工具集成到自己開發(fā)的游戲引擎中。

《微型戰(zhàn)場》(Tiny Combat Arena)

這款游戲就使用FMOD聲音庫來實現(xiàn)多普勒和壓縮等音頻效果

11?.?人工智能

最后一個子系統(tǒng)是人工智能。我們可以通過腳本來實現(xiàn)人工智能。這意味著，我們可以將人工智能邏輯委托給關(guān)卡設(shè)計師來編寫腳本。另一個選擇是，在我們的游戲引擎內(nèi)核的本機代碼中嵌入適當(dāng)?shù)娜斯ぶ悄芟到y(tǒng)。

在游戲中，人工智能用于對游戲?qū)ο螽a(chǎn)生響應(yīng)性、適應(yīng)性或類似智能的行為。大多數(shù)人工智能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)用的一個流行的例子。當(dāng)敵人追逐地圖上的物體時，游戲引擎可以通過路徑搜索算法或有趣的模仿人類的行為來創(chuàng)建抽象效果。

伊恩·米林頓(Ian Millington)的《游戲人工智能》是一本關(guān)于游戲人工智能理論和實現(xiàn)技術(shù)的綜合性書籍，值得參考。

五、不要貪多求快

在游戲引擎開發(fā)工作中，最困難的部分之一是大多數(shù)開發(fā)者都不會設(shè)定明確的界限，即有一種走不到“終點線”的感覺。換句話說，程序員會啟動一個游戲引擎項目，渲染對象，添加實體，添加組件，但到最后突然發(fā)現(xiàn)一切都很糟糕。因此，如果他們不定義某種邊界，就很容易不斷添加越來越多的功能，而忽略了全局。如果這種情況發(fā)生，游戲引擎很有可能永遠(yuǎn)看不到曙光。

除了缺乏邊界，當(dāng)看到代碼以閃電般的速度在眼前增長時，我們自己反倒很容易被淹沒。游戲引擎項目的復(fù)雜性可能會迅速擴(kuò)大，幾周內(nèi)你的C++項目可能會有幾個依賴項，需要復(fù)雜的構(gòu)建系統(tǒng)，而隨著更多功能添加到引擎中，代碼的整體可讀性會不斷下降。

因此，我的首要建議是，在編寫實際游戲時，要始終堅持編寫自己的游戲引擎。開始并完成游戲的第一次迭代時，腦海中要有一個真實的游戲。這將幫助你設(shè)定限制，并為你需要完成的工作指出一條清晰的路徑。盡最大的努力堅持下去，而不是反復(fù)改變需求。

六、穩(wěn)扎穩(wěn)打，專注基礎(chǔ)

大多數(shù)學(xué)生在項目開始時都感到興奮，但是隨著時間的推移就開始出現(xiàn)焦慮情緒。如果我們從頭開始創(chuàng)建一個游戲引擎，尤其是在使用像C++這樣的復(fù)雜語言時，很容易不知所措失去動力。

因此，要學(xué)會及時享受某些階段性的小勝利。例如，學(xué)會如何成功地在屏幕上顯示PNG紋理，成功地發(fā)現(xiàn)了兩個物體之間的碰撞等等。專注并理解基礎(chǔ)知識一直都是非常重要的事情。

對于熱愛編程的朋友來說，路再難走也要堅持走下去！如果你想更好的提升你的編程核心能力（內(nèi)功）不妨從現(xiàn)在開始！

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