6.从零开始手敲次世代游戏引擎(初步框架)

谁践踏了优雅 2023-10-17 23:57 30阅读 0赞

总体思路确定了，我们进入编码。首先搭个架子。（演示命令行为Linux。Windows大部分类似，小部分命令名字不同请自行置换）

确认我们目前所处的位置：

[tim@iZ625ivhudwZ GameEngineFromScratch]$ git branch
    * article_1
      master

新建一个branch用于保存本篇文章开发的内容：

[tim@iZ625ivhudwZ GameEngineFromScratch]$ git checkout -b article_5
    Switched to a new branch 'article_5'
    [tim@iZ625ivhudwZ GameEngineFromScratch]$ git branch
      article_1
    * article_5
      master

新建一个目录，用于存放框架。其中再建立一个Common子目录，用于存放各平台通用代码；建立一个Interface子目录，用于存放模块间接口代码：

[tim@iZ625ivhudwZ GameEngineFromScratch]$ mkdir Framework
    [tim@iZ625ivhudwZ GameEngineFromScratch]$ cd Framework
    [tim@iZ625ivhudwZ Framework]$ mkdir Common
    [tim@iZ625ivhudwZ Framework]$ mkdir Interface
    [tim@iZ625ivhudwZ Framework]$ dir
    Common  Interface

现在整个项目目录的结构如下：

[tim@iZ625ivhudwZ GameEngineFromScratch]$ tree .
    .
    ├── Framework
    │   ├── Common
    │   └── Interface
    ├── LICENSE
    ├── main.c
    └── README.md

将main.c移动到Framework/Common之下。也就是说，我们准备在不同平台直接共用同一个程序入口：

[tim@iZ625ivhudwZ GameEngineFromScratch]$ mv main.c Framework/Common/
    [tim@iZ625ivhudwZ GameEngineFromScratch]$ tree .
    .
    ├── Framework
    │   ├── Common
    │   │   └── main.c
    │   └── Interface
    ├── LICENSE
    └── README.md
    
    3 directories, 3 files

在Framework/Interface之下新建Interface.hpp

[tim@iZ625ivhudwZ GameEngineFromScratch]$ vi Framework/Interface/Interface.hpp

通过宏定义定义几个alias，用以提高代码的可读性：

#pragma once
    
    #define Interface class
    
    #define implements public

在Framework/Interface执行新建IRuntimeModule.hpp

vi Framework/Interface/IRuntimeModule.hpp

在其中定义每个Runtime Module都应该支持的一些方法：

#pragma once
    
    #include "Interface.hpp"
    
    namespace My {
          
            Interface IRuntimeModule{
          
    public:
            virtual ~IRuntimeModule() {};
    
            virtual int Initialize() = 0;
            virtual void Finalize() = 0;
    
            virtual void Tick() = 0;
            };
    
    }

说明一下：

#pragma once

这是是声明这个头文件在编译的时候只需要处理一次。项目大了，同一个头文件可能会被多次包含（比如在包含的其它头文件里面又包含了同样的头文件）。由于编译器处理包含文件的方式是将其展开在源文件当中，所以如果不加这个条件编译指令，头文件的内容会在同一个源文件里面多次展开，那么编译器就会报错，说同一个东西被多次定义。

这个条件编译指令对于很老的C/C++编译器来说是不认识的。如果遇到这种情况，就需要将其改成下面这种形式：

#ifndef __INTERFACE_H__

## define **INTERFACE\_H** ##

<代码>

## endif // **INTERFACE\_H** ##

效果是一样的。就是啰嗦一些。

virtual ~IRuntimeModule() {};

虚函数的析构函数。因为是空函数，这个在Visual Studio里面不定义也是可以的。但是按照严格的C++标准，包括《C++ Primer》这本书里面的推荐做法，对于有其他虚函数的类，建议把析构函数也声明为virtual。这是因为如果不这么做，那么当使用基类指针释放派生类的实例的时候，可能导致只调用了基类的析构函数，从而产生memory leak的情况。在某些平台上，比如PSV，如果不定义这个虚析构函数，编译器会报Warning。

virtual int Initialize() = 0; 
    
            virtual void Finalize() = 0;
    
         virtual void Tick() = 0;

纯虚成员函数。定义为纯虚函数的目的是强制派生类实现这些方法。可以有效避免遗漏。

然后再说一下这3个函数（接口）的作用：

1.  Initialize()， 这是用来初始化模块的
2.  Finalize()，这是用来在模块结束的时候打扫战场的
3.  Tick()，这个是用来让驱动模块驱动该模块执行的。每调用一次，模块进行一个单位的处理

之所以要单独定义模块的初始化/反初始化函数，而不是在类的构造函数/析构函数里面完成这些工作，主要是有以下一些考虑：

1.  在C/C++当中，全局变量（包括static变量）的初始化顺序是不可预知的（未定义的）。对于不同的平台，可能顺序不同。类当中的成员变量的初始化顺序也有类似的问题
2.  有些模块我们可能只是想预加载到内存，后面再初始化。或者有些模块在流程当中可能出现临时不用的情况，想要释放相关的平台资源，但是想保留其状态，并不想将其从内存卸载。

接下来定义Application接口。这个接口用于抽象化不同平台的Application（并将其模块化），使得我们可以用同一个主入口(main.c)启动程序（也意味着我们可以使用同一套启动参数）

[tim@iZ625ivhudwZ GameEngineFromScratch]$ vi Framework/Interface/IApplication.hpp

内容如下：

#pragma once 
 
 #include "Interface.hpp" 
 
 #include "IRuntimeModule.hpp"
 
 namespace My {
 
 
 Interface IApplication : implements IRuntimeModule 
 
 {
 
 
 public: 
 
 virtual int Initialize() = 0; 
 
 virtual void Finalize() = 0; 
 
 // One cycle of the main loop 
 
 virtual void Tick() = 0; 
 
 virtual bool IsQuit() = 0;
 };
 
 
 }

可以看到它继承了我们刚才定义的IRuntimeModule，重载了IRuntimeModule的3个接口，另外增加了一个公共接口：IsQuit()，用于查询应用程序是否需要退出。这是因为，在很多平台上用户关闭应用程序都是通过系统通知过来的。我们的程序自身并不会直接进行这方面的判断。所以当我们收到这样的关闭通知的时候，我们就通过这个接口告诉主循环，我们该结束了。

可以看到这仍然是一个纯虚类。接下来我们可以直接从这个类派生出各个平台的Application类。但是实际上，各个平台的Application虽然有很多不同，共通点也是很多的。提高代码可维护性的一个重要做法，就是要避免同样的代码分散在不同的文件当中。否则很容易出现只改了一处而没有改其他的情况。

因此，我们在Framework/Common下面，新建两个文件，用来提供各平台共通的Application实现：

[tim@iZ625ivhudwZ GameEngineFromScratch]$ touch Framework/Common/BaseApplication.{hpp,cpp}

大括号是Linux Bash情况下的一种Hack，就是小技巧，可以一次生成两个文件。如果是Windows，请分别生成这两个文件。

现在我们编辑这两个文件：

BaseApplication.hpp

#pragma once 
 
 #include "IApplication.hpp"
 
 namespace My {
 
 
 class BaseApplication : implements IApplication 
 
 {
 
 
 public: 
 
 virtual int Initialize(); 
 
 virtual void Finalize(); 
 
 // One cycle of the main loop 
 
 virtual void Tick(); 
 
 virtual bool IsQuit();
 
 protected:
 // Flag if need quit the main loop of the application
 bool m_bQuit;
 };
 
 
 }

BaseApplication.cpp

#include "BaseApplication.hpp"
 
 // Parse command line, read configuration, initialize all sub modules 
 
 int My::BaseApplication::Initialize() 
 
 {
 
 
 m_bQuit = false; 
 
 return 0;
 
 
 } 
 
 // Finalize all sub modules and clean up all runtime temporary files. 
 
 void My::BaseApplication::Finalize() 
 
 {
 
 
 } 
 
 // One cycle of the main loop 
 
 void My::BaseApplication::Tick() 
 
 {
 
 
 } 
 
 bool My::BaseApplication::IsQuit() 
 
 {
 
 
 return m_bQuit; 
 
 }

好了。这个类里面有一个受保护的变量m\_bQuit，用于记录应用程序是否被通知退出。

最后让我们来修改我们的main.c。首先把它重新命名为main.cpp，因为我们用到了C++的特性：类。然后改写成下面这个样子：

#include <stdio.h> 
 
 #include "IApplication.hpp"
 
 using namespace My; 
 
 namespace My {
 
 
 extern IApplication* g_pApp; 
 
 } 
 
 int main(int argc, char** argv) {
 
 
 int ret; 
 
 if ((ret = g_pApp->Initialize()) != 0) {
 printf("App Initialize failed, will exit now.");
 return ret;
 }
 
 while (!g_pApp->IsQuit()) {
 g_pApp->Tick();
 }
 
 g_pApp->Finalize();
 
 return 0;
 
 
 }

因为我们将不同平台的应用程序进行了抽象，所以我们的main函数不需要关心我们目前到底是工作在哪个平台。我们只需要通过IApplication接口提供的方法进行调用就可以了。

好了，一个基本的架子我们已经搭建好了。但是要让它跑起来之前，我们还需要做一些事情。什么事情？注意这一行：

namespace My { 
    
            extern IApplication* g_pApp; 
    
    }

我们需要定义一个具体的Application实例。让我们新建一个Empty目录，代表一个特殊的平台（无平台），然后在里面写一个EmptyApplication.cpp, 来创建这个实例：

#include "BaseApplication.hpp"
    
     namespace My { 
    
            BaseApplication g_App; 
    
            IApplication* g_pApp = &g_App; 
    
    }

好了，现在我们的项目差不多是这个样子：

[tim@iZ625ivhudwZ GameEngineFromScratch]$ tree 
    
    . 
    
    ├── Empty 
    
    │   └── EmptyApplication.cpp 
    
    ├── Framework 
    
    │   ├── Common 
    
    │   │   ├── BaseApplication.cpp 
    
    │   │   ├── BaseApplication.hpp 
    
    │   │   └── main.cpp 
    
    │   └── Interface 
    
    │       ├── IApplication.hpp 
    
    │       ├── Interface.hpp 
    
    │       └── IRuntimeModule.hpp 
    
    ├── LICENSE 
    
    └── README.md
    
     4 directories, 9 files

为了编译它，我们需要创建CMakeLists.txt。首先我们需要在项目根目录创建一个如下：

cmake_minimum_required (VERSION 3.1) 
    
    set (CMAKE_C_STANDARD 11) 
    
    set (CMAKE_CXX_STANDARD 11) 
    
    project (GameEngineFromScrath) 
    
    include_directories("${PROJECT_SOURCE_DIR}/Framework/Common") 
    
    include_directories("${PROJECT_SOURCE_DIR}/Framework/Interface") 
    
    add_subdirectory(Framework) 
    
    add_subdirectory(Empty)

注意前三行是因为我们的引擎后面会用到一些C/C++ 11的特性。现在删掉这三行也可以。

然后是Framework目录里面需要一个：

add_subdirectory(Common)

这个只是用来完成一个CMake的递归搜索

Framework/Common下面需要一个，用来建立Framework库：

add_library(Common 
    
    BaseApplication.cpp 
    
    main.cpp 
    
    )

最后就是Empty目录下面一个，用来建立Empty平台的最后的可执行文件：

add_executable(Empty EmptyApplication.cpp) 
    
    target_link_libraries(Empty Common)

好了，可以编译了。仍然是采用out of source tree的方式，退回到项目根目录，创建一个build目录，进入build目录，执行

cmake .. 
    
    make

就可以了。生成文件为build/Empty/Empty(.exe）

如果是Linux，也可以采用docker的方式进行编译。这也是我推荐的方式，可以有效避免在系统里安装一大堆开发用的包和工具。同样回到根目录，执行

[tim@iZ625ivhudwZ GameEngineFromScratch]$ docker run -it --rm -v $(pwd):/usr/src tim03/clang 
    
    bash-4.4# cd build 
    
    bash-4.4# cmake ../ 
    
    -- The C compiler identification is GNU 6.3.0 
    
    -- The CXX compiler identification is GNU 6.3.0 
    
    -- Check for working C compiler: /usr/bin/gcc 
    
    -- Check for working C compiler: /usr/bin/gcc -- works 
    
    -- Detecting C compiler ABI info 
    
    -- Detecting C compiler ABI info - done 
    
    -- Detecting C compile features 
    
    -- Detecting C compile features - done 
    
    -- Check for working CXX compiler: /usr/bin/c++ 
    
    -- Check for working CXX compiler: /usr/bin/c++ -- works 
    
    -- Detecting CXX compiler ABI info 
    
    -- Detecting CXX compiler ABI info - done 
    
    -- Detecting CXX compile features 
    
    -- Detecting CXX compile features - done 
    
    -- Configuring done 
    
    -- Generating done 
    
    -- Build files have been written to: /usr/src/build
    
     bash-4.4# make 
    
    Scanning dependencies of target Common 
    
    [ 20%] Building CXX object Framework/Common/CMakeFiles/Common.dir/BaseApplication.cpp.o 
    
    [ 40%] Linking CXX static library libCommon.a 
    
    [ 60%] Built target Common 
    
    Scanning dependencies of target Empty 
    
    [ 80%] Building CXX object Empty/CMakeFiles/Empty.dir/EmptyApplication.cpp.o 
    
    [100%] Linking CXX executable Empty 
    
    [100%] Built target Empty 
    
    bash-4.4# Empty/Empty 
    
    ^C

注意我们这个引擎目前正常情况下不会有任何输出，而且会死循环。按Ctrl+C退出。

（– EOF –)

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[v2-229daa2bfc2444f20a57a2deabf6522d_hd.jpg]: https://pic2.zhimg.com/80/v2-229daa2bfc2444f20a57a2deabf6522d_hd.jpg
[4.0]: https://link.zhihu.com/?target=http%3A//creativecommons.org/licenses/by/4.0/
[Link 1]: https://blog.csdn.net/qq_16123279/article/details/82254782
[API]: https://blog.csdn.net/qq_16123279/article/details/82261709