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為何使用「狀態機」

避免程式碼義大利麵化。所有事物都可視為一種狀態機，並避免狀態與邏輯的耦合。

問題

當一個物件的內在狀態改變時，行為也會跟著改變。聽起來很抽象，但是這是在遊戲程式中非常常見的案例。考量以下狀況：

  1. 輸入判定：在格鬥遊戲中，按下 P鍵 出拳，往往會依照角色目前正在前進、後退、直立、跳躍或蹲下等不同狀態，而出不同的拳。
  2. 電腦操縱角色：機器人角色在看到玩家角色時，應該要考量角色的目前血量、武器種類、同伴數量等條件來做出不同的反應。
  3. 遊戲流程控制：退出、暫停或儲存遊戲等功能的可執行與否，應該要依照目前遊戲是否正在載入、儲存、已經暫停、正在退出等狀態來決定。

上述這些常見情境的共通點，就是它們往往充滿各式各樣的特例。為了要實作相關邏輯來對應各種特例，你的程式碼很快就變成義大利麵了。

if (Input.GetButton("Punch")) {
    if (player.velocity.z > 0) {
        ForwardPunch();
    } else if (player.velocity.z < 0) {
        Grapple();
    } else if (player.isJumping) {
        if (Input.GetAxis("Vertical") > 0) {
            UpwardPunch();
        } else {
            DownwardPunch();
        }
    } else if (player.isDucking) {
        UpwardPunch();
    } else {
        StandingPunch();
    }
}

當你才剛寫完上述程式碼，遊戲企劃又突然冒出對你說，在蹲下兩秒集氣後起身瞬間按下 P鍵 要可以使出必殺技「升龍臂」哦！還有還有，在跳躍滯空高度上升期間，連按 P鍵 兩下要可以丟出火球。

(╯°□°）╯︵ ┻━┻

解決方案

實際上，各種特例跟「狀態」是等價的。你程式碼中的每個條件分支，都是一個不同的狀態。在紙上先用筆把各種狀態畫下來，並用箭頭連接來代表狀態的改變。當你開始熟悉這樣的操作模式後，就會發現這種結構無所不在。

狀態機範例圖

困難的地方在於，如何保證所有的狀態改變，都透過正確的條件、在正確的時機被觸發。但這件事跟實作 P鍵 要在各個狀態下執行什麼東西，是可以各自獨立的。我們切斷處理狀態改變部分，與執行行動部分的耦合，那就更容易在更乾淨的情境下來各別檢視他們。

現在我們知道問題的輪廓了，但要怎麼實作出來？

Animators

上面那張圖，其實很像 Unity 的 Animator 動畫控制系統。而實際上，這就是我們現在要利用的，因為 Unity Animator 動畫控制器實際上能做到的事情遠遠不只單純播放動畫而已。讓我們來看看實例上怎麼運用吧。

範例

假設我們要實作一個 platformer 遊戲的輸入處理系統。我們希望支援這類遊戲的常見操作，如：

  1. 依據玩家按壓 跳躍鍵 的時間長短來決定跳躍高度。
  2. 讓玩家角色在跑步離開平台地板後，有短暫的起跳容錯時間。
  3. 在空中能多跳一次的兩段跳能力。

跳躍控制器

跳躍控制器範例圖

一開始我們先建立一個新的動畫控制器。帶入的兩個布林值參數代表 跳躍鍵 是否正被按住（JumpButton），以及玩家角色目前是否腳踏實地（OnGround）。

我們狀態機中的第一個狀態，是 On Ground，只有在這狀態下玩家才能進行跳躍。我們還需要一個相對的狀態 Falling，以及在後面談到「狀態轉換」時會用到的其他幾個狀態。

跳躍控制器加上狀態轉換條件的範例圖

先來看看 On Ground 狀態吧。當玩家按下 跳躍鍵 時，我們會開始一個跳躍的動作。當玩家放開 跳躍鍵 時，我們會依照一些遊戲邏輯設定來停止跳躍，讓玩家不會再上升太多高度。然後就會馬上轉換到 Falling 狀態，並不斷降落，直到玩家角色再次腳踏實地為止。

如果玩家落下瞬間，我們就馬上再從 Falling 轉換到 On Ground 狀態的話，便會發生玩家只要按住 跳躍鍵，就能像在彈簧墊上一樣不斷上下連續彈跳的情況，因為狀態機又會立刻轉換到 Start Jump 狀態。要把這個問題修掉，就得加入像 On Ground (still holding Jump) 這樣的中間狀態。

真沒想到，光處理跳躍就頗難的。我們的狀態機目前為止已經出現了不少邏輯，但也只能對應「可變跳躍高度」這項基本要素而已。可以想見這有多容易會產生義大利麵程式碼。

提供參數

要使我們的跳躍控制器能作動，還需要不斷傳入更新的參數值才行。幸好跟 Unity 動畫控制器的溝通還算簡單。

public class JumpControllerParameterProvider : MonoBehaviour
{
    private bool onGround;

    void Update()
    {
        animator.SetBool("OnGround", onGround);
        animator.SetBool("JumpButton", Input.GetButton("Jump"));
    }

    void FixedUpdate()
    {
        onGround = Physics.SphereCast(rigidbody.position, radius, Vector3.down,
                              out RaycastHit hitInfo, distance, groundLayerMask);
    }
}

傳送訊息

要讓這個跳躍控制器能真的對遊戲本體產生影響，我們得讓它可以和玩家角色相關程式溝通。可以透過繼承 StateMachineBehaviour 類別，來讓下面這段程式得以被加到狀態機中的任意狀態上。

StateMachineBehaviour

為了簡單起見，這邊我們使用 Unity 的 SendMessage 系統。

public class SendMessageState : StateMachineBehaviour
{
    public string onEnter, onExit;

    public override void OnStateEnter(Animator animator, AnimatorStateInfo stateInfo, int layerIndex)
    {
        if (!string.IsNullOrEmpty(onEnter)) animator.SendMessage(onEnter);
    }

    public override void OnStateExit(Animator animator, AnimatorStateInfo stateInfo, int layerIndex)
    {
        if (!string.IsNullOrEmpty(onExit)) animator.SendMessage(onExit);
    }
}

處理訊息

最後，我們需要另一段程式來接收動畫控制器所送的訊息，並帶入合適的遊戲邏輯。在目前的範例中，我們需要處理的是簡單的物理行為。

public class JumpControllerMessageHandler : MonoBehaviour
{
    private bool startJump, stopJump;

    void StartJump() { startJump = true; }
    void StopJump()  { stopJump  = true; }

    void FixedUpdate()
    {
        if (startJump)
        {
            // 產生向上的力道來抵銷玩家角色任何向下的動量
            // 以讓玩家角色向上跳躍
            var downVelocity = Mathf.Min(rigidbody.velocity.y, 0);
            var deltaVelocity = new Vector3(0, jumpVelocity - downVelocity, 0);
            rigidbody.AddForce(deltaVelocity, ForceMode.VelocityChange);
            startJump = false;
        }
        if (stopJump)
        {
            // 產生剛好的力道來抵銷上升的動量
            var upVelocity = Mathf.Max(rigidbody.velocity.y, 0);
            var deltaVelocity = new Vector3(0, -upVelocity, 0);
            rigidbody.AddForce(deltaVelocity, ForceMode.VelocityChange);
            stopJump = false;
        }
    }
}

起跳容錯時間

幸運的是，把前面的架構建立起來就已經是最困難的部分了。要將起跳容錯時間特性加入，只是很單純地新增一個狀態，並給予它非常短暫的 50 毫秒時限。這樣一來，就算玩家角色已經不是腳踏實地狀態，玩家還是可以在數個畫格時間內執行跳躍動作。這就是現在遊戲設計上常講的 Game Feel。

起跳容錯時間

最令人意外的地方大概是，我們根本不需要為此修改任何程式碼。所有在 Start Jump 與 Stop Jump 狀態時該發生的事，還是照常運作。

兩段跳

兩段跳就是指我們在玩家下墜過程中，給予第二次跳躍的能力。這個第二次跳躍到底該怎麼運作？其實就跟第一次跳躍差不多。所以我們可以把幾個有關的狀態複製一份，然後加在 Falling 狀態的右邊，然後把它們連起來就好了。整體問題的輪廓仍然保持一樣。

在這邊我們需要顧慮的就只是，確保在我們執行第二次跳躍之前，跳躍鍵 已經是在放開的狀態，要不然類似前面講到的彈簧墊狀況又會出現。而又跟之前一樣的，解決方法就是加入一個 Falling (still holding Jump) 這樣的中間狀態。

兩段跳範例圖

從程式碼的角度來看，再一次地，我們什麼都不用改，一切照常運作。

現在我們可以真的體會到，將「狀態處理」與「跳躍物理實作」兩者耦合解開後的好處了。建立狀態機的結構是困難的部分，但好消息是，因為我們使用 Unity 動畫控制器來呈現狀態機，而動畫控制器非常容易除錯。只要按下播放鍵，Unity 就會顯示目前處於哪個狀態，然後跟遊戲內你看到的狀況一比較，通常馬上就可以看出錯誤出在哪裡。

參考資料

翻譯

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