【Godot4.2】Godot中的继承与组合

码农世界 2024-05-24 前端 116 次浏览 0个评论

概述

继承和组合是编程中常用的两种策略,旨在尽可能多地重用代码。继承应用得非常广泛，但我认为组合在很多场景下会更加合适一些。

基于组合，游戏开发前辈们专门设计出了实体组件模式（EC模式）和进阶的ECS模式。本篇所提及的Godot中的“组合”可能更倾向于UML类图中描述类与类关系的“组合”，而并不完全是EC模式或ECS模式所提到的严格的形式，尤其是在Godot中，更是以一种父子节点的关系来实现。

但是这对理解什么是“组合”和“继承”，以及两者的区别和优劣，并为进一步学习ECS模式提供基础。

参考视频

在笔者搜寻已有教程资料的过程中，发现B站这个搬运视频是最简单和容易理解的。

【中文语音】如何在 Godot 4 中轻松简化代码_哔哩哔哩_bilibili

所以我就在扒字幕的基础上，进行了扩充和修改，让其变成了一篇更容易阅读和理解组合模式的文章。建议在看原视频的基础上，将本文当做是一个笔记和总结来看。希望对Godoter们的学习发挥一点小小的作用。

继承

假设我们有这样一个设定：

我们有一个玩家类Player，它能够攻击，有生命值，并且有一个HitBox（攻击范围盒）,同时还能处理用户输入。
相应地，我们也有一个敌人类Enemy，它同样能够攻击，拥有生命值和HitBox，以及一些敌人特有的东西，比如AI。
如果我们使用继承的思想和原则，就可以将Player类和Enemy类中重复和相同的部分helth属性、attack()方法和hitbox属性提取出来，放到一个单独的类Entity中，并让Player类和Enemy继承自Entity。

这样做的好处是：
- 敌人和玩家的代码得到简化
- 而且将重复性的内容放到单独的类，可以提高代码的可重用性
- 除了敌人和玩家，我们可以基于Entity创建其他具有类似特征（属性）和行为（方法）的类
- 修改Entity类，会自动将修改传递到子类
  继承的缺陷
  
  如果故事到这里就结束，继承将是完美的解决方案。因为这一切看起来十分自然，也很容易理解。
  但是如果让我们引入另一个类Tree来代表游戏中的树。
  和玩家及敌人一样，树也可以受到伤害，也应该有生命值。
  
  我们可以让Tree类也继承自Entity，但是Tree在继承Entity的health属性的同时也继承了attack()方法和hitbox属性，这意为着树拥有了发起攻击的能力。
  除非你做的是魔幻类的游戏和类似指环王里的树人角色，否则作为一般意义的“树”是不应该具有攻击能力的。
  
  注意
  这里的Tree类名在Godot中肯定是不能使用的，因为Tree控件已经占用了这个类名。这里只做理解，实际中可以起其他名称。
  
  可以发现单纯的抽离父类和通过继承实现子类的方法，会存在父类某些属性或方法子类用不上的情况。此时，就表明你的父类需要进行更细致的拆分，并增加继承的层级。而这就会增加继承的复杂度，并让修改变得牵一发而动全身，甚至引发不可控的错误。
  在Godot中，还有一个更深层次的问题：
  - 玩家（Player类）和敌人（Enemy类）都继承自CharacterBody2D
  - 而Tree则应该继承自StaticBody2D
  - 在Godot中，你无法同时继承多个类，也就是“即是…又是…”。
    通过上面的类图其实已经可以发现：
    - 玩家（Player类）和敌人（Enemy类）已经出现多重继承的问题，也就是既是Entity类的子类，又是CharacterBody2D的子类，而这在目前Godot4.2为止的GDScript中是无法实现的
    - 树（Tree类）也是相同的多重继承的问题，既是Entity类的子类，又是StaticBody2D的子类
      如果我们将Entity设为CharacterBody2D的子类:
      - 则可以瞬间解决玩家（Player类）和敌人（Enemy类）的多重继承问题
      - 但是树（Tree类）的多重继承问题则继续存在，Tree不仅是Entity，同时还是StaticBody2D，而且还是CharacterBody2D，这在Godot中是无法实现的
        此时，你或许会想到将Entity类拆分为StaticEntity和CharacterEntity，分别用来代表不能自主移动的“静态实体”和可以自由移动的“角色实体”。
        并让Tree继承自StaticEntity，Player和Enemy继承自CharacterEntity。
        并分别设计StaticEntity和CharacterEntity的成员。
        
        这样做的好处，确实是解决了多重继承的问题，但是肉眼可见的增加了类设计的难度，并且无法消除重复代码的问题。
        这还只是引入了一个Tree类，如果你需要创建一个具有很多游戏实体类型的复杂游戏，则每添加一两个类，就要想方设法增加一些基类用于继承。
        这便是使用继承存在的问题。
        
        组合
        
        好在面向对象设计中，除了继承我们还可以使用其他的方式，而其中类的组合关系，可以解决一部分继承关系带来的问题。
        我们换个角度思考一下我们面临的问题：我们只是需要将不同的特征（属性）和行为（方法）附加到不同的类上而已。而这就是“组合”思想。
        我们将所需要添加的特征（属性）和行为（方法）称为是“组合”方法中的“组件”。
        在UML类图中，用一条带实心菱形箭头的连线代表类之间的组合关系。
        我们将之前继承关系改为组合关系：
        
        首先我们将需要添加到各个类的特征（属性）和行为（方法）单独封装为一个类，并以“xxxComponent”形式命名，比如：AttackComponent、HealthComponent、HitboxComponent
        接着我们使用组合关系，将这些组件按需求添加到需要它们的类之上
        可以看到类的关系一下子清晰起来，数量也有所减少，而且每个组件都是可以重用于之后的类的。
        而且因为组件不是某个游戏实体的子类，所以不受继承影响。实体本身是什么类型，组件也不关心。并且重复代码的问题也消失了。
        而这就是“组合”的魅力。
        
        在Godot中实现组合
        
        在Godot中，2D游戏中的“组件”是用Node2D节点扩展而来的。它们通常作为某个“游戏实体”，比如Player（CharacterBody2D类型）节点、Enemy（CharacterBody2D类型）节点或Tree（StaticBody2D类型）节点的子节点而添加和发挥作用。
        作为组件，我们可以按需添加到任何游戏实体上，比如我们新增了一个代表子弹的类Bullet，则我们可以将AttackComponent和HitboxComponent添加到Bullet上，这将让它自动拥有发动攻击和攻击碰撞检测的能力。而为子弹设定血量是没有必要的，因为一般来说子弹与某些可被射中的游戏实体接触后，便会自动销毁。因此不需要给Bullet添加HealthComponent组件。
        
        实际案例
        
        extends Node2D class_name HealthComponent @export var MAX_HEALTH := 10.0 var health:float func _ready(): health = MAX_HEALTH func damage(attack:Attack): health -= attack.attack_damage if health <=0: get_parent().queve_free()
        
        extends Area2D class_name HitboxComponent @export var health_component:HealthComponent func damage(attack:Attack): if health_component: health_component.damage(attack)
        
        上面定义了两个简单的组件：HealthComponent和HitboxComponent，我们便可以在任何需要相应功能的实体上添加组件，并调用其中的方法。
        【原视频有使用组件的演示】
        
        总结
        
        游戏开发中难免使用OOP面向对象的思想，也难免落入父类、子类、继承和扩展的惯性思维
        但是一味的使用继承，可能会导致设计的类越来越多，类与类之间的关系越来越复杂，最后导致可扩展性下降，并出现不可消除的冗余和重复代码
        我们可以使用组合思维，将游戏中的类分为“实体”和“组件”，实体可以根据游戏的复杂度不断增加，组件也可以按需开发和增加，而实体的功能由添加的组件定义，而且可以随时增删。
        “组合”形式，大大降低了类之间的关系的复杂度，并避免了复杂继承关系，父类修改导致子类崩坏的可能性。