虚幻引擎程序设计浅析

开一篇文章记录学习Unreal Engine相关知识。参考《虚幻引擎程序设计浅析》ISBN 978-7-121-31349-3，电子工业出版社。带着问题来学习，才能学的快速。看书先需要阅读的就是作者划分的章节目录，反复多看几遍，能从总体上看出知识的结构。

第一部分 虚幻引擎C++编程

第1章 五个类的熟悉

最首先了解5个类，比较关键。

UObject Actor Pawn Controller Character

UObject

提供垃圾回收

这个功能和c++标准中的智能指针是冲突的。

反射

相当于实现了java、c#中的反射功能。在本书的第二部分解释了。

序列化

提供无损的加载，序列化方便保存到磁盘或者传递给远端服务器。

与虚幻引擎编辑器的交互

可以在Editor面板里面方便的使用。

运行时类型识别

这个功能也会和C++标准中的RTTI机制：dynamic_cast有冲突。一旦使用，要使用Cast<>函数做类型转换。虚幻号称会提供更加高效的类型识别。

网络复制

在c/s架构中，其被宏标记的变量能够自动完成网络复制。从服务器端复制对应值到客户端。

Actor

它能被挂载组件Component。

UE中的Component和unity的是很大的不同。在虚幻里面，Component含义被极大削弱。

灵魂与肉体：Pawn、Character和Controller

Pawn

类是提供被操控的特性。它能被Controller操控，Controller可以是用户输入或者AI。Pawn离开操控者无法自主行动的肉体。

Character

继承于Pawn。提供了特殊组件，Character Movement组件。提供基础的、基于胶囊体的角色移动，跳跃之类的。

Controller

操控肉体的类，肉体拥有前行、转向、跳跃、开火等函数。类似MVC设计模式。Controller就是管理器，Pawn就是Model，而Pawn挂载的动态网格组件就是View。这个例子也不算太合适能初略建立概念。

第2章 需求到实现

分析需求

使用UML工程建模工具绘制需求分析图。

或者通过沟通分析出来简短的短语。

转化需求为设计

首先从短语中抽象出里面重要的名词，这样就是我们的类。

然后分析出类之间的持有、通信关系。

第3章 创建自己的C++类

使用Unreal Editor创建c++类

“内容浏览器” -> “右键” -> “新建C++类”

有一个创建的流程，可以在过程中选择基类。输入名称选择路径。

手动创建C++类

文件目录结构为

--public/
--private/
--.build.cs

头文件放到public文件夹，cpp放入private文件夹。

如果继承了UE的类，需要增加一些宏，否则编译不过。

cpp文件中包含pch文件。

虚幻引擎类命名规则

F 纯C++类
U 继承自UObject，但不继承Actor
A 继承自Actor
S Slate控件相关类
H HitResult相关类

Unreal Header Tool 会在编译之前检查这些类名的约束。

第4章 对象

类对象的产生

如果是纯C++类型，可以通过new产生。

如果你的类继承自UObject，需要通过NewObject函数来产生。

NewObject<T>();

如果继承自AActor，需要通过SpawnActor函数产生对象。

GetWorld()->SpawnActor<AYourActorClass>();

类对象的获取

通过对象的引用或者指针来获取。GetWorld能使用IActorIterator<AACtor>迭代World里面全部的Actor。

类对象的销毁

纯C++类型，就是自己delete就可以了。

UObject的对象，本身有一套内存管理机制，当没有对象引用了，就会触发GC。

Actor的对象，通过Destory函数请求销毁，这个只是说从World里面摘除掉，内存回收还需要靠引擎来决定。

第5章 从C++到蓝图

让蓝图调用我的C++类。

UPROPERTY宏

将成员变量注册到蓝图中。

UFUNCTION宏

注册函数到蓝图中。

第6章 游戏性框架概述

1. 行为树：概念与原理

为什么选择行为树

ue3框架是状态机制作的，还引入了Unreal Script脚本来扩展。在ue4直接被行为树系统替换。状态机只在动画蓝图中保留。

粗俗来说，行为树特点：“逐个尝试，不行就换”的思路。更加符合人的思维方式。

行为树原理

三种节点：

流程控制：包含Selector选择器和Sequence顺序执行器。
装饰器：对子树的返回值进行处理的节点。
执行节点：干活的节点，返回trun或者false，running。

可以参考之前写过的行为树的文档，里面也有if语句，&&||的逻辑运算，挂起唤醒逻辑，循环逻辑等等。是一种使用可视化方式提供给别人来编写程序的一种方法。

2. 虚幻引擎网络框架构

同步

多人在线的同步问题，是通过一台权威服务器来负责将数据收集起来，并且分发给客户端。让作弊变得困难。

指令：对于游戏世界造成影响的请求。egg：人物前移3米，人物挥刀碰到了怪物
状态：游戏世界的各种数值状态。egg：当前人物生命值，当前怪物生命值。

客户端只能向服务器发送“指令”，服务器根据指令处理之后，改变游戏世界的状态，并且将状态同步给每个客户端。

广义的客户端-服务器模型

客户端是对服务器的拙劣模仿 —- 虚幻官方文档UDN中描述
“拙劣”二字，表示是服务器的世界是正确的，而客户端则是不断试图猜测服务器当前的状态，并且模仿。

第7章 引擎系统相关类

本章主要介绍一些虚幻引擎4提供的一些类，防止程序重复造轮子。

7.1 正则表达式

##include "Regex.h"
FString TextStr("AAAABBBBB");
FRegexPattern TestPattern(TEXT("C.+H"));
FRegexMatcher xxx;

FRegexPattern手册

基本上能满足匹配，抓取之类的操作。

7.2 FPaths

获取游戏的根目录；判断文件是否存在；路径转换成绝对路径类似的功能。

FPaths官方文档

7.3 XML/JSON

FXmlFile/FastXML访问XML数据；

TJsonReaderFactory<TCHAR>/TJsonReader<TCHAR>

FJsonSerializer::Deserialize 来加载json字符串。

7.4 文件读写与访问

PlatformFileManager.h

里面提供了很多的操作文件的接口。

7.5 GConfig

是简单的将ini文件做了封装。可以指定ini文件，Section名称，Key，值。

7.6 UE_LOG

能支持Category方式的日志输出，日志级别也能支持。

7.7 字符串处理

FName 无法修改的字符串，大小写不敏感。无论出现多少次，都是在字符串表里面只有一次出现。访问速度将会很快速。

FText 用于做显示的字符串，内置了本地化。

FString 能支持修改，消耗比上述的两种都要大。

7.8 编译器相关技巧

7.8.1 废弃函数标记

编译器会检测出一些警告。

function Please update youre code to the new API before upgrading to the next release, otherwise your project will no longer compile.

7.8.2 编译器指令实现跨平台

虚幻提供了FPlatformMisc，包含了大量平台相关的工具函数。

通过 typedef 切换编译期的平台切换。

在Linux里面有 FLinuxPlatformMisc 。切换的时候，将写这样的一句话。

typedef FLinuxPlatformMisc FPlatformMisc。

7.9 Images

ImagerWrapper 图片类型的抽象。

包含完整RGBA(red green blue alpha)数据的图片，是没有压缩过的，和格式没有关系，称为RawData原生的数据。

CompressedData会随着图片格式不同而不同。

ImagerWrapper是对这两个的封装。

第二部分 虚幻引擎浅析

第8章 模块机制

8.1 模块简介

C++项目对外提供库的时候，需要管理include,lib目录。Debug/Release模式下的lib文件的管理。而且还需要编译不同平台下的库文件。

在UE3的时候，使用MakeFile来模拟模块，UE4为了彻底解决这些问题，使用了Unreal Build Tool。

8.2 创建自己的模块

模块名.Build.cs
模块名.h
模块名.cpp

引入模块

工程名.Target.cs

SetupBinaries 方法里面调用 AddRange 函数将模块引入。

OutExtraModuleNames.AddRange( new string[]{
  "pluginDev"
});

插件名.uplugin

文件里面写了关于插件相关的信息。文件格式是json。

8.3 虚幻引擎初始化模块加载顺序

本章就是列举了加载各种模块的顺序。

8.4 UBT/UHT

UBT=Unreal Build Tool

UBT工作分为三个阶段：

1. 收集阶段，将环境变量、UE源码目录，工程目录信息收集起来；
2. 参数解析阶段，将传入的命令行参数，确定自己生成的目标类型；
3. 实际生成阶段，根据环境、参数，开始生成makefile，确定C++的各种目录位置。开始构建项目。

UHT=Unreal Header Tool

UHT 配合实现了反射机制。

第9章 重要合行系统简介

9.1 内存分配

9.1.1 Windows操作系统下的内存分配方案

主要通过

FMalloc* FWindowsPlatformMemory::BaseAllocator()

##if ENABLE_WIN_ALLOC_TRACKING
##if FORCE_ANSI_ALLOCATOR
##elif WITH_EDITORONLY_DATA 

一共提供了Mallo（ANSI）、Intel TBB，以及Binned内存分配器。

9.2 引擎初始化过程

初始化过程一共两个

PreInit/Init

PreInit支持输出参数，CmdLine。

设置好工作目录，游戏目录。

初始化随机种子。

设置输出标准设备。

初始游戏主线程。

会调用LoadCoreModules。CoreModules。

之后会将PreInitModules会被加载起来，启动之后调用AppInit函数。

Init

所有模块都加载到内存中，如果有PostEngineInit函数，就会调用。过程由IProjectManager完成。

主循环

虚幻引擎，有一个EngineTick()。在主循环中最好不要调用繁重的任务，否则将会把游戏卡住。

9.3 并行与并发

测试代码一般文件名称为模块名Test.cpp。

DEFINE_LOG_CATEGORY_STATIC(TestLog,Log,All);
IMPLEMENT_SIMPLE_AUTOMATION_TEST(FMultiThreadTest,"MyTest.PublicTest
  .MultiThreadIest", EAutomationTestFlags::EditorContext |
  EAutomationTestFlags::EngineFilter)
bool FMultiThreadTest::RunTest(const FString& Parameters)

通过UE4菜单栏。

Windows -> General -> Developer Tools -> Session Frontend

打开“会话窗口”。

点击”Start Tests”按钮，就可以在Message Output里面输出的日志。

可以通过FRunnableThread::Create(new FRunnableTestThread(0)创建线程。就能开启多个线程。

Task Graph系统

将“指令”和“数据”封成一个包，然后交给Task Graph，Task Graph找到空闲的线程，去处理Task。

虚幻引擎Rama，写过对于Task Graph的描述。

Task Graph采用模板匹配，无需每个Task继承于指定的类，只要类将一些函数实现，就能让模板编译通过。TGraphTask::CreateTask。

std::thread

可以直接使用c++11的多线程。

线程同步

灵界区FCriticalSection。

也提供了std::future，std::promise,TFuture, TPromise。

多进程

Core.GenericPlatformProcess可以看到FGenericPlatformProcess类的定义。可以通过管道进行数据交换。也将会返回FProcHandle子进程的句柄。

第10章 对象模型

本章主要讨论 UObject对象、组件对象和Actor对象。

10.1 UObject

创建：通过NewObject<T>产生。
销毁：通过引擎的垃圾回收来销毁。

创建过程分为两个步骤：

通过分配器将内存分配出来；

使用UObjectGlobals.GetPropertiesSize()获取目标类的内存大小；

使用FUObjectAllocator.AllocateUObject()分配内存；

使用这块内存调用new方法，构建对象出来

使用PlacemenetNew将分配好的内存区域调用UObjectBase构造函数

对UObject提供UPackage存储读取逻辑。成员变量没有使用UPROPERTY宏标记，将不会序列化。

第13章 蓝图

13.1 蓝图架构简述

可视化的变成系统，从 Kismet 系统发展而来。优势在于高速迭代，小型蓝图的编译速度快过C++。最新的版本能将蓝图编译成C++。选择C++来编写主要还是想更加广泛的使用API，大量使用蓝图的时候可能不直观。

13.2 前端：蓝图存储与编辑

蓝图包含三个部分：蓝图编辑系统、蓝图本身、蓝图编译后的字节码。字节码不包含节点信息。

蓝图官方文档

UEdGraph
 Schema
 Nodes
 SubGraphes

13.2.1 Schema

注册虚幻引擎阅读权限

可以登录到UE官网，开通github中，开源的UE源码阅读权限。

常见错误

UnrealBuildTool : error : Unable to merge actions producing

其实就是在工程目录下，存在一批相同的文件。编译的时候，UnrealBuildTool计算merge的时候发现了问题。

参考

• [1] UnrealEngine4官方文档
• [2] 虚幻引擎官方-B站
• [3] 虚幻引擎-知乎
• [4] 虚幻引擎github
• [5] 图片格式列举