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面向对象编程已死,OOP 永存!

2018/10/31 17:32:53 来源:互联网 编辑:匿名

原标题:面向对象编程已死,OOP 永存!

【CSDN编者按】ECS(ECS,Entity–component–system,实体组件系统,是一种主要用于游戏开发的架构模式),是在游戏开发社区广为流传的伪模式,它基本上是关系模型的翻版,其中“实体”是ID,表示无形的对象,“组件”是特定表中的行,该行引用一个ID,而“系统”是更改组件的过程性的代码。

这种“模式”经常会导致继承的过度使用,而不会提及过度使用继承,其实违反了OOP(OOP,Object Oriented Programming,面向对象编程,是一种计算机编程架构)原则。那么如何避免这种情况呢?本文作者,会给大家介绍下真正的设计指南。


灵感

这篇文章的灵感,来自最近Unity的知名工程师Aras Pranckevi?ius一次面向初级开发者的公开演讲,演讲的目的是让他们熟悉新的“ECS”架构的一些术语。

Aras使用了非常典型的模式,他展示了一些非常糟糕的OOP代码,然后表示关系模型是个更好的方案(不过这里的关系模型称为“ECS”)。我并不是要批评Aras,实际上我很喜欢他的作品,也非常赞赏他的演讲!

我选择他的演讲而不是网上几百篇关于ECS的其他帖子的原因是,他的演讲给出了代码,里面有个非常简单的小“游戏”用来演示各种不同的架构。这个小项目节省了我很多精力,可以方便我阐述自己的观点,所以,谢谢Aras!

Aras幻灯片的链接:

代码链接:

我不想分析他的演讲最后提出的ECS架构,只想就他批判的“坏的OOP”代码来说说我的看法。我想论述的是,如果我们能改正所有违反OOD(面向对象设计)原则的地方,会变成什么样子。

剧透警告:改正违反OOD的代码,能得到与Aras的ECS版本相似的性能改进,而且还能比ECS版本占用更少的内存,代码量也更少!

概括为一句话:如果你认为OOP是垃圾、而ECS才是王道,那么先去了解一下OOD(即怎样正确使用OOP),再学学关系模型(了解怎样正确使用ECS)。

我一直很反感论坛上的许多关于ECS的帖子,部分原因是我觉得ECS够不上单独弄个术语的程度(剧透:它只不过是关系模型的专用版本),另一部分原因是所有宣扬ECS模式的帖子、幻灯片或文章都有着同样的结构:

这种结构的文章很让我恼火,因为:

面向对象编程的历史也同样悠久(实际上比关系模型还要久,它的概念从上世纪五十年代就出现了)!但是,直到九十年代,OO才得到人们的关注,成了主流的编程范式。各种各样的OO语言雨后春笋般地出现,其中就包括Java和(标准版本的)C++。

但由于它是被炒作起来的,所以每个人只是把这个词写到自己的简历上,真正懂得它的人少之又少。这些新语言引入了许多关键字来实现OO的功能,如CLASS、Virtual、extends、implements,我认为自此OO分成了两派。

后面我把拥有OO思想的编程语言称为“OOP”,使用OO思想的设计和架构技术称为“OOD”。每个人学习OOP都很快,学校里也说OO类非常高效,很适合新手程序员……但是,OOD的知识却被抛在了后面。

我认为,使用OOP的语言特性却不遵循OOD设计规则的代码,不是OO代码。大多数反对OO的文章所攻击的代码都不是真正的OO代码。

OOP代码的名声很差,其中部分原因就是大多数OOP代码没有遵循OOD原则,所以其实不是真正的OO代码。

背景

前面说过,上世纪九十年代是OO的大爆炸时代,那个时期的“坏OOP代码”可能是最糟糕的。如果你在那个时期学习了OOP,那么你很可能学过下面的“OOP四大支柱”:

我更倾向于称他们为“OOP的四大工具”而不是四大支柱。这些工具可以用来解决问题。但是,只学习工具的用法是不够的,你必须知道什么时候应该使用它们。

教育者只传授工具的用法而不传授工具的使用场景,是不负责任的表现。在二十一世纪初,第二波OOD思潮出现,工具的滥用得到了一定的抑制。

当时提出了SOLID(https://en.wikipedia.org/wiki/SOLID)思想体系来快速评价设计的质量。注意其中的许多建议其实在上世纪九十年代就广为流传了,但当时并没有像“SOLID”这种简单好记的词语将其提炼成五条核心原则……

这才是我们的SOLID C++。

接下来我用三字母的简称来代表这些原则:SRP、OCP、LSP、ISP、DIP、CRP。

一点其他看法:

最后,我也许应该给出一些糟糕的OOP教育的例子,以及这种教育导致的糟糕代码(以及OOP的坏名声)。

在学习层次结构和继承时,你很可能学习过以下类似的例子:

在学习层次结构和继承时,你很可能学习过以下类似的例子:

假设你有个形状的类。它的子类可以有正方形和矩形。那么,应该是正方形is-a矩形,还是矩形is-a正方形?

这个例子其实很好地演示了实现继承和接口继承之间的区别。

如果你考虑的是实现继承,那么你完全没有考虑LSP,只不过是把继承当做复用代码的工具而已。从这个观点来看,下面的定义是完全合理的: struct Square { int width; }; struct Rectangle: Square { int height; }; 正方形只有宽度,而矩形在宽度之外还有高度,所以用高度扩展正方形,就能得到矩形!

你一定猜到了,OOD认为这种设计(很可能)错了。我说可能的原因是你还可以争论其中暗含的接口……不过这无关紧要。

正方形的宽度和高度永远相同,所以从正方形的接口的角度来看,我们完全可以认为它的面积是“宽度×宽度”。

如果矩形从正方形继承,那么根据LSP,矩形必须遵守正方形接口的规则。所有能在正方形上正确工作的算法必须能在矩形上正确工作。

structShape{virtualintarea()const= 0; };

structSquare:publicvirtualShape { virtualintarea()const{ returnwidth * width; }; intwidth; };

structRectangle:privateSquare, publicvirtualShape { virtualintarea()const{ returnwidth * height; }; intheight; };

总之一句话,OOP课程教给你什么是继承,而你没有学习的OOD课程本应教给你在99%的情况下不要使用继承!

实体 / 组件框架

有了这些背景之后,我们来看看Aras开头提出的那些所谓的“常见的OOP”。

实际上我还要说一句,Aras称这些代码为“传统的OOP”,而我并不这样认为。这些代码也许是人们常用的OOP,但如上所述,这些代码破坏了所有核心的OO规则,所以它们完全不是传统的OOP。

我们从最早的提交开始——当时他还没有把设计修改成ECS:"Make it work on Windows again"(https://github.com/aras-p/dod-playground/blob/3529f232510c95f53112bbfff87df6bbc6aa1fae/source/game.cpp):

classGameObject;classComponent;typedefstd::vector<Component*> ComponentVector;typedefstd::vector<GameObject*> GameObjectVector;classComponent{public:

Component() : m_GameObject(nullptr) {}

virtual~Component() {}

virtualvoidStart(){}

virtualvoidUpdate(doubletime, floatdeltaTime){}

constGameObject& GetGameObject()const{ return*m_GameObject; }

GameObject& GetGameObject(){ return*m_GameObject; }

voidSetGameObject(GameObject& go){ m_GameObject = &go; }

boolHasGameObject()const{ returnm_GameObject != nullptr; }private:

GameObject* m_GameObject;};classGameObject{public:

GameObject(conststd::string&& name) : m_Name(name) { }

~GameObject()

{

for(autoc : m_Components) deletec;

}

template<typenameT>

T* GetComponent()

{

for(autoi : m_Components)

{

T* c = dynamic_cast<T*>(i);

if(c != nullptr)

returnc;

}

returnnullptr;

}

voidAddComponent(Component* c)

{

assert(!c->HasGameObject());

c->SetGameObject(*this);

m_Components.emplace_back(c);

}

voidStart(){ for(autoc : m_Components) c->Start(); }

voidUpdate(doubletime, floatdeltaTime){ for(autoc : m_Components) c->Update(time, deltaTime); }

private:

std::stringm_Name;

ComponentVector m_Components;};staticGameObjectVector s_Objects;template<typenameT>staticComponentVector FindAllComponentsOfType(){

ComponentVector res;

for(autogo : s_Objects)

{

T* c = go->GetComponent<T>();

if(c != nullptr)

res.emplace_back(c);

}

returnres;}template<typenameT>staticT* FindOfType(){

for(autogo : s_Objects)

{

T* c = go->GetComponent<T>();

if(c != nullptr)

returnc;

}

returnnullptr;}

OK,代码很难一下子看懂,所以我们来分析一下……不过还需要另一个背景:在上世纪九十年代,使用继承解决所有代码重用问题,这在游戏界是通用的做法。首先有个Entity,然后扩展成Character,再扩展成Player和Monster等等……

如前所述,这是实现继承,尽管一开始看起来不错,但最后会导致极其不灵活的代码。因此,OOD才有“使用组合而不是继承”的规则。因此,在本世纪初“使用组合而不是继承”的规则变得流行后,游戏开发才开始写这种代码。

这段代码实现了什么?总的来说都不好,呵呵。

简单来说,这段代码通过运行时函数库重新实现了组合的功能,而不是利用语言特性来实现。

你可以认为,这段代码在C++之上构建了一种新的语言,以及运行这种语言的编译器。Aras的示例游戏并没有用到这段代码(我们一会儿就会把它都删掉了!),它唯一的用途是将游戏的性能降低10倍。

它实际上做了什么?这是个“实体/组件”(Entity/Component)框架(有时候会被误称为“实体/组件系统”),但它跟“实体组件系统”(Entity Component System)框架完全没关系(后者很显然不会被称为“实体组件系统”)。

这种框架在本世纪初非常流行,尽管它很严格,但提供了足够的灵活性来支持无数的游戏,直到今天依然如此。

但是,这种框架并不是必须的。编程语言的特性中已经提供了组合,不需要再用框架实现一遍……那为什么还需要这些框架?那是因为框架可以实现动态的、运行时的组合。

GameObject无须硬编码,可以从数据文件中加载。这样游戏设计师和关卡设计师就可以创建自己的对象……但是,在大多数游戏项目中,项目的设计师都很少,而程序员很多,所以我认为这并不是关键的功能。何况,还有许多其他方式来实现运行时组合!

例如,Unity使用C#作为其“脚本语言”,许多其他游戏使用Lua等替代品,所以面向设计师的工具可以生成C#/Lua代码来定义新的游戏对象,而不需要这些框架!

我们会在以后的文章里重新加入运行时组合的“功能”,但要同时避免10倍的性能开销……

如果我们用OOD的观点评价这段代码:

这段代码好的一方面在于,它满足了SRP和ISP(接口隔离原则),分割出了大量的简单组件,每个组件的责任非常小,这一点非常适合代码重用。

但是,它在DIP(依赖反转原则)方面做得不好,许多组件都互相了解对方。

所以,我上面贴出的所有代码实际上都可以删掉了。整个框架都可以删掉。删掉GameObject(即其他框架中的Entity),删掉Component,删掉Find Of Type。这些都是无用的VM中的一部分,破坏了OOD的规则,使得游戏变得非常慢。

无框架组合(即使用编程语言的功能实现组合)

如果删掉整个组合框架,并且没有Component基类,我们怎样才能使用组合来管理GameObject呢?

我们不需要写VM再在我们自己的奇怪的语言之上实现GameObject,我们可以使用C++自身的功能来实现,因为这就是我们游戏程序员的工作。

下面的提交中删除了整个实体/组件框架:

下面是原始版本的代码:

下面是改进后的代码:

这段改动包括:

对象

这样,我们不再使用下面的“VM”代码:

for(auto i = 0; i < kObjectCount; ++i)

{

GameObject* go = newGameObject("object");

PositionComponent* pos = newPositionComponent();

pos->x = RandomFloat(bounds->xMin, bounds->xMax);

pos->y = RandomFloat(bounds->yMin, bounds->yMax);

go->AddComponent(pos);

SpriteComponent* sprite = newSpriteComponent();

sprite->colorR = 1.0f;

sprite->colorG = 1.0f;

sprite->colorB = 1.0f;

sprite->spriteIndex = rand() % 5;

sprite->scale = 1.0f;

go->AddComponent(sprite);

MoveComponent* move = newMoveComponent(0.5f, 0.7f);

go->AddComponent(move);

AvoidComponent* avoid = newAvoidComponent();

go->AddComponent(avoid);

s_Objects.emplace_back(go);

}

而是使用正常的C++实现:

structRegularObject{ PositionComponent pos; SpriteComponent sprite; MoveComponent move; AvoidComponent avoid;

RegularObject(constWorldBoundsComponent& bounds)

: move(0.5f, 0.7f)

, pos(RandomFloat(bounds.xMin, bounds.xMax),

RandomFloat(bounds.yMin, bounds.yMax))

, sprite(1.0f,

1.0f,

1.0f,

rand() % 5,

1.0f)

{

}};...

regularObject.reserve(kObjectCount);for(auto i = 0; i < kObjectCount; ++i)

regularObject.emplace_back(bounds);

算法

现在另一个难题是算法。还记得开始时我说过,接口和算法是共生(Symbotic)的,两者应该互相影响对方的设计吗?“virtual void Update”反面模式也不适合这种情况。原始的代码有个主循环算法,它的结构如下:

for(auto go: s_Objects)

{

go->Update(time, deltaTime);

你可能会认为这段代码很简洁,但我认为这段代码很糟糕。它完全混淆了游戏中的控制流和数据流。

如果我们想理解软件,维护软件,给软件添加新功能,优化软件,甚至想让它能在多个CPU核心上运行得更快,那么我们必须理解控制流和数据流。所以,“virtual void Update”不应该出现。

相反,我们应该使用更明确的主循环,才能让论证控制流更容易(这里数据流依然被混淆了,我们会在稍后的提交中解决)。

for(auto& go : s_game->regularObject)

{ UpdatePosition(deltaTime, go, s_game->bounds.wb);

} for(auto& go : s_game->avoidThis)

{ UpdatePosition(deltaTime, go, s_game->bounds.wb);

}

for(auto& go : s_game->regularObject)

{ ResolveCollisions(deltaTime, go, s_game->avoidThis);

}

这种风格的缺点是,每加入一个新类型的对象,就要在主循环中添加几行。我会在以后的文章中解决这个问题。

性能

现在代码中仍然有违反OOD的地方,有一些不好的设计抉择,还有许多可以优化的地方,但这些问题我会在以后的文章中解决。

至少在目前来看,这个“改正后的OOD”版本的性能不弱于Aras演讲中最后的ECS版本,甚至可能超过它……

而我们所做的只是将伪OOP代码删除,并使用真正遵守OOP规则的代码而已(并且删除了100多行代码!)。


下一步

我还想谈更多的问题,包括解决残余的OOD问题、不可更改的对象(函数式风格编程,https://en.wikipedia.org/wiki/Functional_programming),以及对数据流、消息传递的论证能带来的好处。

并给我们的OOD代码添加一些DOD论证,给OOD代码添加一些关系型技巧,删掉那些“实体”类并得到纯粹由组件组成的、以不同风格互相链接的组件(指针 VS 事件处理),真实世界的组件容器,加入更多优化以跟上ECS版本,以及更多Aras的演讲中都没有提到的优化(如线程和SIMD)。所以,敬请期待我后续的文章……

原文:https://www.gamedev.net/blogs/entry/2265481-oop-is-dead-long-live-oop/

作者:Brooke Hodgman,独立游戏、图形和引擎程序员,现居墨尔本,在GOATi Enterainment的22series.com工作

译者:弯月,责编:胡巍巍

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