云风的 BLOG: 异星工厂的机械臂模块

最近在做一个类似异星工厂的以自动化生产为主题的游戏。虽然我们的设计中，虽然我们的物流系统和异星工厂有许多差异（暂时没有设计传送带），但是我们也有类似的机械臂系统。

机械臂以一个固定的方向，让物品短距离移动，从一端转移到另一端。它用来把物品在物流网络和生产机械之间转移。我们在实现这个系统时，修改了几次方案，我觉得有点意思，值得记录一下。

首先，我觉得应该把机械臂系统和物流系统、生产系统隔离开。单独抽象它有利于降低整体实现的复杂度，也适合以后单独做性能优化。所以，一开始，我们就抽象出了物品容器和机械臂，把它们放在一起，单独做成一个黑盒。

游戏逻辑的大框架是基于 ECS 的，但机械臂系统没有用 ECS 实现。每个物品容器都有一个唯一的 id ，主框架上，有物品容器的 Entity 都记录这个 id ，可供索引到具体的容器。比如箱子、机器的输入箱、输出箱、燃烧室的燃料仓库，都是物品容器。机械臂系统被 ECS 框架的一个特定环节更新，每个 tick 在更新之后，其它系统都可以审视自身物品容器中的物品，而不必理会容器中物品的扭转过程。

机械臂初看挺简单，就是从 A 容器转移一个（一叠相同）物品到 B 容器。但熟悉异星工厂的玩家都知道其逻辑并不简单。

对于箱子这样的容器，可以放入任意物品；但箱子中每个格子可以堆叠物品的数量，是由物品的属性决定的。

对于组装机这样的机器，它有一个输入箱、一个输出箱。机械臂可从外部放置物品到输入箱，同时可从输出箱把物品取出；这种情况下，机器作为一个 Entity ，它被机械臂当作输入端和当作输出端时，其实是两个容器。

组装机的输入输出箱会有物品限制，也就是只能放特定物品；而机械臂在连接两个带物品限制的容器时，需要根据限制来决定移动哪个物品。换句话说，机械臂需要有黑白名单；当然对于筛选机械臂来说，这是是一个显式的特性，只不过普通机械臂其实也有隐式的规则。

更复杂的是燃烧器和熔炉，它们还会对可抓的物品按类型做一个复杂的筛选。

机械臂的运动本身分成四个阶段：

在没有物品可抓，或缺少目标位置需要的物品类型时，处于待机阶段。
否则抓取一叠物品。
然后进入（旋转）移动阶段。
最后在到达目的地后，如果可以放置就把物品放下。

以上，2 阶段和 4 阶段是瞬时完成的，完成后在当前 tick 立刻转到下个阶段，或不满足条件挺在上个阶段；1 阶段和 3 阶段则会持续若干游戏 tick 。

机械臂系统就是对容器和机械臂的一个抽象。从玩家角度看，每个机械臂的完整小系统都包含了一个机械臂和两端的两个容器；但实际上并不只输入和输出两个容器。

因为一个 Entity 身上很可能有多个容器。比如带燃料箱的生产机器，我们在实现时，它是有独立的组件：燃烧室和组装机构成的，两者均有自己的容器。所以在机械臂系统看来，机械臂的每一端都应该是一个容器列表，而不是唯一容器。

考虑到这一点，我觉得与其在机械臂系统中抽象容器，不如抽象容器中的槽位。

每个容器都是由若干槽位（格子）构成的，我们可以用一个链表把一个容器中的所有槽位串起来。

槽位（slot）的数据结构可以定义为：

ID       : dword
NextID   : dword
Filter   : word
ItemType : word
Count    : word
Capacity : word

一共 16 字节。我们可以把游戏中一切容器的槽位都管理在大数组中，用下标作为 ID 。用 freelist 回收再利用。绝大部分情况下，同一个容器中的槽位都会在连续内存中，对 Cache 非常友好。

当一个 Entity 创建时，它可能关联了多个容器，我们可以把所有关联容器的所有槽位都用 NextID 串起来，并首尾相接，形成一个循环链表。Entity 的每个组件都记录它自己拥有的那个容器的第一个槽位的 ID 以及槽位的数量（这个在原型表中，同种东西只有一份），这样就可以找到它自己拥有的那个容器的所有槽位了。

而对于机械臂系统来说，机械臂只记录它最近一次访问的两个（输入/输出）槽位的 ID ，而不需要有容器这个概念。

绝大部分情况，机械臂在需要抓取，或放置物品时，检查对应的槽位就够了。放置物品或抓取物品，只需要对 Count 字段做一次加减法。只有抓取时槽位为空、放置时槽位满，或物品不匹配（同一槽位只能相同物品叠加），才需要看其它关联槽位。这用 NextID 遍历循环链表即可。

关于 Filter ，它表示了槽位的过滤行为。大多数槽位是不需要过滤的，什么都可以放，这时 filter 为 0 ；部分槽位一开始就决定了只能放制定物品，filter 为 1 ，同时从 ItemType 可以查到具体是什么东西。剩下的情况会比较复杂，比如这个槽位可以放置燃料、矿石、等等。这种情况通常是游戏定义好的，有限种类的，我们可以实现对应的过滤器对象，并用这个 filter id 去索引到过滤器对象。

槽位的容量 Capacity 一般可以通过 filter 和 itemtype 查到。它通常就是物品的堆叠上限（配置在物品原型表中），但有时也有一些例外规则：比如组装机的输入箱的堆叠上限是有配方决定的。所以，对于独立系统来说，额外记录一个会性能友好一些，也可以隔绝系统间的复杂度。