評鑒Maze源碼（2）：GamePlayKit的狀態機

上一篇文章《評鑒Maze源碼（1）：GamePlayKit的ECS“實體-組件-系統”》里，我已經介紹了在Maze游戲中的ECS方法，這個方法里面，關于Enemy實體的行為，需要狀態機來配合管理，這一篇文章，我就跟大家介紹一下GameplayKit里面狀態機的使用。

一，狀態機的介紹

狀態機：能夠準確的表達同一實體，不同階段的狀態和狀態遷移條件。
1，狀態，可能是實體對象的屬性，也可能是屬性集合。
2，遷移條件，指的是外界的突發事件及滿足特殊條件的屬性變化。

游戲里面的實體會存在很多狀態，比如蘋果的SceneKit，女探險家運動的幾個狀態，在游戲過程中女探險家在這幾個狀態里面遷移。狀態機示意圖狀態機示意圖：

女冒險家狀態遷移示意

其分為，Running狀態、Jumping狀態和Falling狀態。狀態遷移條件表明在帶箭頭的直線上面。狀態機模式給我們編寫程序帶來明顯的好處，通過條件判斷，方便的管理對象實體的狀態。

關于狀態機的實現，有很多方式，其中比較樸素的是if-else的判斷，如果狀態多，根據需求，狀態遷移也會有不斷的變化，那么if-else的編程會帶來很多代碼維護的問題。《Head first 設計模式》（Head first是我覺得很輕松愉快的一個系列讀物，推薦想要進入一個新的技術，卻苦于無法迅速入門的同學。但是入門后，仍然需要毅力和付出來完全掌握這項技術，對任何事情都是如此。）為我們提供了很好的狀態機編程模式的教學，教會我們簡單，可擴展性的狀態機設計模式實現。

但是，在iOS里面，我們再也不用擔心狀態機的代碼編寫問題了，因為蘋果實現狀態機模式，我們掌握如何使用就行。而且不僅僅是游戲開發，在別的APP應用中，也能很從容的使用GameplayKit所提供的狀態機框架。

二，GameplayKit里面的狀態機API

樸素的狀態機實現方法，這里提一下，就是為了對比狀態機模式的實現方法。

比如小明的狀態，定義為下面這三種，吃飯，睡覺和工作。小明作為一個對象，里面有currentState這一屬性，代表當前小明的狀態。暫且將currentState定為int型，吃飯、睡覺和工作類型值分別是1,2,3。暫且將小明的狀態機變化簡化為“吃飯->睡覺->工作->吃飯”這一循環。實現代碼，小明對象提供一個changeState的方法，其參數是下一個要變化的狀態。changeState的實現：
- (Bool)changeState:(XMState*)state {
switch(state):
{
case eat:
// 判斷當前狀態work到下一步遷移狀態eat的有效性
if (self.currentState == work) {
// 進行狀態遷移
self.currentState = state;
return YES;
}
return NO;
case sleep:
if (self.currentState == eat) {
self.currentState = state;
return YES;
}
return NO;
case work:
if (self.currentState == sleep) {
self.currentState = state;
return YES;
}
return NO;
}
return NO;
}

這里做的兩個工作，一個是判斷狀態遷移的有效性（判斷當前狀態），另一個是進行狀態的遷移（設置currentStatus狀態）。如果，加入新的狀態，或者狀態循環發生變化，狀態機的switch-case和if-else的判斷將會不斷增加，可維護性變差，代碼冗余將不斷上升。

然而，通過狀態機模式，可以使得代碼變得可維護和，GameplayKit提供了這一模式的實現，我們現在來好好掌握它。

1，狀態對象GKState

在GameplayKit里面，蘋果有狀態對象GKState，來作為所有狀態的基類祖先。

對象GKState提供了一些方法，這些方法有兩類作用：

（1）狀態對象本身屬性和管理狀態遷移的有效性。如：

// 驗證下一個狀態是否有效，如果無效的話，是不會發生狀態遷移的
- (BOOL)isValidNextState:(Class)stateClass {
     return stateClass == [WJSSleepState class];
}

（2）為狀態的更新和遷移提供了填寫邏輯代碼的位置。在實體的狀態進行更新或者遷移的時候，需要開發者填入相應的邏輯來完成實體狀態的變化。

（3）按照上面小明同學的“吃飯，睡覺和工作”三個狀態，定義這三個狀態。

@interface WJSWorkState : WJSState

@end

@interface WJSEatState : WJSState

@end

@interface WJSSleepState : WJSState

@end

如何驅動實體進行狀態的更新和遷移呢？即樸素編程里面的changeState方法。GameplayKit提供了狀態機對象GKStateMachine來對狀態GKState進行管理。

2，驅動狀態變化的狀態機對象GKStateMachine

GameplayKit提供管理狀態遷移的狀態機對象GKStateMachine，實現狀態對象的管理、更新和遷移。首先，在初始化的階段，將在上面步驟中實體的所有狀態，都加入到狀態機對象GKStateMachine進行管理。

// 1，初始化各個狀態
WJSWorkState *workState = [WJSWorkState new];
WJSEatState *eatState = [WJSEatState new];
WJSSleepState *sleepState = [WJSSleepState new];

// 2，初始化狀態機，并將各個狀態，加入其當前管理的狀態機對象
_stateMachine = [GKStateMachine stateMachineWithStates:@[workState,eatState, sleepState]];

// 3，進入work狀態
[_stateMachine enterState:[workState class]];

其次，狀態機對象負責狀態的更新和狀態的遷移，這里涉及兩層意思：
（1）狀態的更新：指的是當前狀態的更新。在整個程序系統運行的時候，當前狀態也許需要不斷的更新、計算和執行規定操作。調用狀態機的updateWithDelta:方法，狀態機會調用當前狀態的updateWithDelta:方法，開發者在GKState里面覆寫該方法，填入相應的更新邏輯，就可以對當前狀態進行更新。

 // 狀態機更新當前狀態的更新函數
 [_stateMachine updateWithDeltaTime:1];

（2）狀態的遷移：從當前狀態遷移到下一個狀態。GKState里面提供的回調，提供給開發者作為狀態遷移邏輯代碼的處理。

// 狀態機進行狀態遷移
[_stateMachine enterState:[workState class]];

狀態對象的活動：進入新的狀態前，需要檢查狀態的可靠性；如果可靠，需要調用狀態遷移提供的方法，進行業務邏輯處理，相應需要覆寫的方法如下：

// 1，狀態遷移時，填寫邏輯代碼的位置
// 離開當前狀態時，調用該方法，參數是下一個狀態 
- (void)willExitWithNextState:(GKState *)nextState {
    NSLog(@"[WJSState Eat] willExitWithNextState:%@", nextState);
}

 // 進入當前狀態時，調用該方法，參數是上一個狀態
- (void)didEnterWithPreviousState:(GKState *)previousState {
    [super didEnterWithPreviousState:previousState];
    NSLog(@"[WJSState Eat] didEnterWithPreviousState:%@", previousState);
}

// 2，狀態更新
// 狀態機調用updateWithDeltaTime時，狀態機會調用當前狀態的updateWithDeltaTime方法
- (void)updateWithDeltaTime:(NSTimeInterval)seconds {
    NSLog(@"[WJSState Eat] updateWithDeltaTime");
}

為了更方便的了解狀態機模式的使用，我將小明例子的demo代碼上傳到了Github，地址點我點我！

點擊update按鈕，狀態更新，實際調用的是當前狀態里的updateWithDeltaTime:方法。點擊change按鈕，狀態按照設定遷移，當前狀態離開的時候，調用willExitWithNextState方法。進入新的狀態后，調用新狀態的didEnterWithPreviousState方法。

3，使用總結

因此使用狀態機模式的步驟按照以下步驟進行：
（1）分析好需求，理清實體不同狀態的更新和遷移邏輯，畫出狀態機的設計圖。
（2）使用GKState，實現具體狀態。
（3）使用GKStateMachine，在不同處理邏輯里，實現狀態的遷移。

三，Maze游戲里面如何使用狀態機。

Maze游戲中，由于Player（就是那個菱形◇）是玩家控制的，需要管理的就只有兩個狀態“生和死”。所以并不需要多么復雜的邏輯。但是enemies（四個方塊）們就不一樣了，他們的狀態根據情況有四種，如下圖所示（圖是蘋果提供的）：


Maze狀態機示意圖

Maze狀態機Maze狀態機，Enemy的四種狀態之間的遷移邏輯：
（1）Flee（逃離）狀態和Chase（捕獵）狀態的遷移是依賴“Player gets power up”，即玩家輸入（單擊屏幕），玩家power up，狀態從Chase遷移到Flee。一旦power up的時間到了，狀態從Flee遷移回Chase狀態。

// 進入Chase狀態，調用Sprite組件，恢復enemies的外在
- (void)didEnterWithPreviousState:(__nullable GKState *)previousState {
 // Set the enemy sprite to its normal appearance, undoing any changes that happened in other states.
    AAPLSpriteComponent *component = (AAPLSpriteComponent *)
    [self.entity componentForClass:[AAPLSpriteComponent class]];
    [component useNormalAppearance];
}

// 進入Flee狀態，調用Sprite組件，改變enemies的外在，并設定逃離目標（隨機函數）。
- (void)didEnterWithPreviousState:(__nullable GKState *)previousState {

AAPLSpriteComponent *component = (AAPLSpriteComponent *)
[self.entity componentForClass:[AAPLSpriteComponent class]];
[component useFleeAppearance];

// Choose a location to flee towards.
self.target = [[self.game.random arrayByShufflingObjectsInArray:self.game.level.enemyStartPositions] firstObject];
}

（2）Flee（逃離）狀態到Defeated（被擊敗）狀態的遷移，依賴物理碰撞檢測系統。在初始化階段，定義了enemies和player的物理檢測實體范圍和碰撞回調。如果檢測到回調，在回調里面調用GKStateMachine進行狀態遷移。

- (void)didBeginContact:(SKPhysicsContact *)contact {
   // 1，發生碰撞時（碰撞檢測由引擎負責），調用該函數。
  AAPLSpriteNode *enemyNode;
  if (contact.bodyA.categoryBitMask == ContactCategoryEnemy) {
    enemyNode = (AAPLSpriteNode *)contact.bodyA.node;
  }
  else if (contact.bodyB.categoryBitMask == ContactCategoryEnemy) {
    enemyNode = (AAPLSpriteNode *)contact.bodyB.node;
  }
  NSAssert(enemyNode != nil, @"Expected player-enemy/enemy-player collision");

  // 2，如果enemy處于chase狀態，player掛掉。反之，enemy切換入defeated狀態
  AAPLEntity *entity = (AAPLEntity *)enemyNode.owner.entity;
  AAPLIntelligenceComponent *aiComponent = (AAPLIntelligenceComponent *)[entity componentForClass:[AAPLIntelligenceComponent class]];
  if ([aiComponent.stateMachine.currentState isKindOfClass:[AAPLEnemyChaseState class]]) {
      [self playerAttacked];
  }
  else {
      // Otherwise, that enemy enters the Defeated state only if in a state that allows that transition.
      [aiComponent.stateMachine enterState:[AAPLEnemyDefeatedState class]];
  }
}

（3）Defeated（被擊敗）狀態經過不斷的更新，回到了重生點，就遷移到了Respawn（重生）狀態

// 在defeated狀態里，enemy對象尋路回到重生點，到了重生點后。調用狀態機，進入重生Respawn狀態
NSArray<GKGridGraphNode *> *path = [graph findPathFromNode:enemyNode toNode:self.respawnPosition];
[component followPath:path completion:^{
    [self.stateMachine enterState:[AAPLEnemyRespawnState class]];
}];

（4）在重生Respwan狀態，重生時間到了，就回到了Chase（捕獵）狀態。這里的倒計時，是stateMachine采用updateWithDeltaTime自減時間變量實現。

// 1，從Defeated狀態進入Respawn狀態，調用該函數
- (void)didEnterWithPreviousState:(__nullable GKState *)previousState {
   // 2，倒計時static變量置為10
  static const NSTimeInterval defaultRespawnTime = 10;
  self.timeRemaining = defaultRespawnTime;

  // 3，調用Sprite組件，設置重生動畫
  AAPLSpriteComponent *component = (AAPLSpriteComponent *)[self.entity componentForClass:[AAPLSpriteComponent class]];
  component.pulseEffectEnabled = YES;
}

  // 4, _stateMachine受系統的updateWithDeltaTime驅動，進行倒計時自減。倒計時到后，進入Chase狀態。
- (void)updateWithDeltaTime:(NSTimeInterval)seconds {
  self.timeRemaining -= seconds;
  if (self.timeRemaining < 0) {
      [self.stateMachine enterState:[AAPLEnemyChaseState class]];
  }
}

  // 5，從當前Respawn狀態進入Chase狀態，調用Sprite組件，改變外在。
- (void)willExitWithNextState:(GKState * __nonnull)nextState {
  // Restore the sprite's original appearance.
  AAPLSpriteComponent *component = (AAPLSpriteComponent *)[self.entity componentForClass:[AAPLSpriteComponent class]];
  component.pulseEffectEnabled = NO;
}

在Xcode中搜索stateMachine，看看Maze里enemies狀態的變遷，使用stateMachine調用位置，這里總結下：
（1）響應玩家點擊時，進行power up。
（2）物理碰撞檢測回調里調用。
（3）狀態更新調用updateWithDelta時，進行調用。

實際上，驅動游戲里狀態機更新的力量和方式，在我上一篇文章的圖里（上篇文章的圖可能有點錯誤，這里修改下），已經比較清晰：

驅動游戲里狀態機更新示意圖

componetSysteme的updateWithDelta:方法，會調用stateMachine的updateWithDelta:方法，進而調用當前狀態的updateWithDelta:方法，這樣實現狀態的更新。

四，何去何從

除了前兩篇文章所術的ECS和狀態機，我還將撰寫兩篇文章，描述Maze游戲里出現的技術。

1， 尋路系統。
2，隨機數，rule system。

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