游戏编程模式--字节码

发表时间：2022-03-25来源：网络

写在前面　　

　　”通过将行为编码成虚拟机指令，而使其具备数据的灵活性。”

动机

　　制作游戏很有趣，但制作游戏却不易，特别是现在的游戏。现代游戏随着硬件技术的发展，游戏内容和玩法变得越来越丰富多样，在以前可能代码就几千行，但现代游戏的代码往往能达到几十万甚至几百万行。这么大的代码量，如果我们选择了c++这样的重量级语言（对于性能的追求，往往会让我们选择c或c++），编译的时间就不得不考虑了。游戏一个独有的苛刻的要求：有趣。玩家需要既新奇又具有平衡性的体验。这就需要持续迭代，但假如我们每一次修改都要工程师改底层的代码，然后等待漫长的重新编译，那么整个游戏的创作流程就被毁了。比如我们当前流行的moba类游戏，对于每个英雄的技能效果，设计都需要反复的修改才能在整体上达到一个平衡，如果不能提供一种修改后快速反馈结果的方式，相信没有那个设计师能坚持下去。

　　很明显，我们的编程语言不适合解决这个问题，我们需要另一种方式把这些经常需要修改的部分转移到安全沙箱中，同时让它们易于加载且在物理上于游戏的可执行文件分离。其实这些特性就优点像“数据”了，我们在运行的时候把它加载到内存中，然后按某种方式执行。也就是说我们使用“数据”来定义行为，然后执行这些数据。那有什么方法能让我们实现这种功能呢？其中一个是解释器模式，一个就是我们本节要讲的字节码模式。

　　首先我们简单来了解一下解释器模式，这能对我们接下来要将的字节码模式有个更好的理解。

解释器模式

　　解释器模式Gof早已著作成书，在这里，我们只做简单的了解。首先我们使用解释器来实现一个数学计算器，面对表达式：

　　(1+2)*(3-4)

　　我们首先对它进行一个语法分析，构建一个语法树（当然怎么构建语法树与解释器模式无关），然后执行它。

　　在这里如何执行了？我们把每个对象都看成一个表达式或子表达式，表达式定义如下：

class Expression { public: virtual ~Expression(){} virtual double evaluate() = 0; };

　　然后每个语法定义类都实现这个接口。比如数字和加法：

class NumberExpression:public Expression { public: NumberExpression(double value):value_(value) {} virtual double evaluate(){return value_;} private: double value_; }; class AdditionExpression:public Expression { public: AdditionExpression(Expression* left,Expression* right):left_(left),right_(right) {} virtual double evaluate() { //Evaluate the operands. double left = left_->evaluate(); double right = right_->evaluate(); //add them. return left+right; } private: Expression* left_; Expression* right_; }；

　　只需要简单的几个类，就能够表达任何复杂的算术表达式了。我们要做的只是创建几个对象，然后把它们关联起来。

　　解释器模式虽然很简单，很漂亮，但是也是有些问题：

　　从磁盘加载它需要进行实例化并串联成堆的小对象；　　这些对象和它们之间的指针占用了大量内存；　　从每个指针遍历子表达式都会消耗大量的数据缓存，而虚函数调用也会对指令缓存造成很大的压力。

　　简单来说，就是：慢。大部分广泛使用的编程语言没有基于解释器模式也正因于此。它太慢了，且占用了大量的内存。

虚拟机器码

　　对比一下计算机的机器码，它不会生产小的对象，也不会有各种对象间的关联，它的特点是：

　　高密度。它是坚实连续的二进制数据块。不会再内存中跳跃访问；　　线性。指令被打包在一起顺序执行，不会再内存中跳跃访问（当然，除非你确实写了控制流）；　　底层。每个单独的指令仅仅完成一个小动作，各种有趣的行为都是这些小动作的组合；　　迅速。以上几点让机器码疾行如风。

　　当然，我们不会直接使用机器码来构建游戏。但我们确实希望能获得机器码的效率，这个时候我们就想到了搞一个折中的方案——虚拟字节码。即我们自己定义机器码，然后实现一个执行这些机器码的模拟器。机器码和模拟器完全受游戏本身的安全管理，这样就达到了灵活由高效的目标。我们把这个小型的模拟器称为虚拟机（VM)，自定义的机器码称为字节码。看着挺吓人的，但如果你的功能清单不是太复杂的话，这个方案将非常可行。

字节码模式

　　指令集定义了一套可以执行的底层操作。一戏列的指令被编码称为字节序列。虚拟机逐条执行指令栈上这些指令。通过组合指令，即可完成很多高级的行为。

使用情境

　　字节码模式是最复杂的一个模式，它不是简单能放进你的游戏里的，当你的游戏中需要定义大量的行为，而且实现游戏的语言出现下列情况时才应该使用。

　　编程语言太底层了，编写起来繁琐易错；　　因编译是按太长或工具问题，导致迭代慢；　　它的安全性太依赖编码者。你想确保定义的行为不会让程序崩溃，就得把它们从代码库转移到安全沙箱中。

　　当然，这个列表符合大多数游戏的情况，谁不想提高迭代速度？谁不想让程序更安全？但那是有代价的，字节码比本地码要慢，所以它不适合对性能有极高要求的核心部分。

使用须知

　　建立一个自己的语言是一件非常有吸引力的事，但再游戏中我们需要克制，除非你确实想做个成熟的语言。否则，就需要对你的字节码所能表达的事情范围做一个限制，不能无限扩张。当你使用字节码的时候，你需要注意：

　　1）你需要一个界面

　　字节码性能很高，但你没法让用户直接编写二进制码。我们将行为从代码中移出来，就是想再更高级的层面上表述它。所以你需要为用户提供一个界面，让用户在更高的层次上编辑，然后使用一个工具自动生成字节码，这个工具我们称之为编译器。所以，如果你没有足够的资源实现一个编译器，那么字节码不适合你。

　　2）你会想念调试器的

　　成熟的编程语言，都会有一条完整的工具链，比如：调试器、静态分析器、反编译工具等。这些工具能极大的提高我们编程的效率，但当你使用自己的字节码时，这些工具就没有了（或者你也可以同时把它们都做了），那这个时候，如果程序出现bug，那你就只能慢慢猜是那个环节出错了，或者单步进入虚拟机的代码调试，这是非常低效的。