一个基于observer模式的游戏事件分发系统

-潘宏

-2012年11月

-本人水平有限，疏忽错误在所难免，还请各位高手不吝赐教

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-weibo.com/panhong101

在游戏引擎以及产品开发中，程序员需要让大量的系统模块相互进行通信。在大多数时候，模块的数量是巨大的。在最坏的情况下，N个相互通信的模块需要N*(N-1)/2种依赖关系。就算是最简单的游戏产品，N的数目也是可观的。

如果设计者放任这种相互依赖的模块关系于不顾，整个系统将高度耦合，代码牵一发而动全身。对一个模块的修改，将导致多个模块无法工作，必须进行相应调整。这将导致程序员的焦躁情绪，从而很容易让局面难以控制。 此外，还需要忍受长时间的重新编译、长时间加班修补bug。这些是OOP设计模式（指GoF的经典著作所描述的）所要努力避免的。

一个设计合理、高效的系统，需要对模块进行解耦——使得模块间的依赖关系减少。同时开发者将获得更好的代码维护性和扩展性，并节省大量的编译时间。本文描述了一种基于observer模式的事件分发系统（Event Dispatch System，EDS），用来进行游戏模块的相互通信。在一般的情况下，N个模块的相互通讯只需要N种依赖关系（借助于EDS）。

我们通过描述基本知识来逐步构成我们对系统的深层理解。

Observer模式

Observer模式也叫publish/subscribe模式或listener模式，它实际上是一种利用callback方法进行通信的机制。依照GoF的描述，它定义对象间的一种一对多的依赖关系，当一个对象的状态发生改变时，所有依赖于它的对象都得到通知并自动更新。如下图所示，

我把上面的图帮你解释一下（如果你是该模式的专家，可以忽略解释）：一个Subject关联任意多个Observer，这在多态下也一样，一个子类ConcreteSubject也可以关联任意多个Observer。而Observer也自成体系，但Subject体系一般只操作基类Observer。开发者可以通过Subject::Attach和Subject::Detach将目标Observer绑定到它所关心的Subject身上，当Subject产生任何变化需要通知Observer的时候，Subject::Notify方法会通知所有被绑定的Observer。同时，得到通知的Observer都可以访问到它们所关心的Subject，得到它们相应的状态。

通俗地说，一个模块A如果想在模块B进入某种状态的时候，做一些事情，我们需要知道B进入状态的时机，并在该时机通知A。这引出我们所说的通知模型概念，在软件开发中，有两种通知模型被使用：Poll和Callback。

Poll通知模型

一种最简单的通知方法叫作轮询（poll）——模块A需要在每个CPU周期中查询B是否进入了该状态——这其实是一种主动的自我通知。比如：

class B
{
public:
	//...
	bool isFinished() const { return m_isFinished; }
	void cycle()
	 { 
		//...
	}
private:
	// ...
	bool m_isFinished;

};

class A
{
public:
	void poll( B& b )
	{
		if( b.isFinished() )
		{
			// Do something
		}
	}
};



int main()
{
	A a;
	B b;

	for(;;)
	{

		b.cycle();
		a.poll( b );
	// ...

	}
	return 0;
}

A类的class object a，在每一个主循环周期中通过A::poll对B类的class object b进行状态查询，当发现B::isFinished返回true，也就是条件满足，则进行相应的操作。

这就是状态轮询惯用法——简单、直接，也有些野蛮！它有两个致命的缺点：

1）轮询代码是查询方主动调用，查询方不知道对方何时完成，因此如果需要对查询结果进行快速反应，需要在每个周期中进行查询调用，大量的CPU周期被浪费在无效的查询指令中。

2）当模块的数量提高，这种轮询方式将产生代码急剧膨胀，每两个有依赖关系的模块，都需要在周期中进行相互查询。这样的代码将难以甚至无法维护。

因此，轮询一般只在规模不大的几个模块间调用，并且模块状态不能太多。

Callback通知模型

和轮询相对的，是让B主动的通知A，A被动等待B的完成并通知，在这段等待时间中A可以继续做其他的事情，不用浪费CPU周期无谓地查询目标状态，这叫作callback——回调，也是observer模式的实现策略。很明显，callback克服了poll模型的两个致命缺点，但代码相对复杂一些。在C++ OOP中，我们一般有三种方式来实现callback。

1 使用静态成员函数

class A
{
public:
	static void onBFinished( void* param )
	{
		A* _this = static_cast<A*>(param);
		// ... Do something using _this
	}
	void cycle()
	{
		// Do something...
	}
};


typedef void (*FPtrOnBFinished)( void* param );
class B
{
public:
	void setCallback( FPtrOnBFinished callback, void* param ) { m_callback = callback; 						m_param = param; }
	void cycle()
	{
		// Finished in some cases
		m_callback(m_param); // Notify the subscriber
	}
private:

FPtrOnBFinished   m_callback;
void* m_param;
};

int main()
{

	A a;
	B b;
	b.setCallback( A::onBFinished, &a );

	for(;;)
	{
		a.cycle();
		b.cycle();
	}

	return 0;
}

可以看到B存储了A的静态方法地址以及A class object指针，该指针将作为参数传递给A的静态方法，以决定到底是谁——哪个对象对该事件感兴趣，并通知它。

该指针实际上充当了非静态成员函数中this指针的作用——我们给static方法显示地放置了一个“this指针”——实参param，编译器不需要、也不可能干预static成员函数的this指针安插。这可以通过A::onBFinished看出，实参param被转换为A*，然后针对该指针（也就是subscriber本身——希望得到通知的观察者）进行相应操作。

很容易想到，class B的subscriber可以是多个，这也是observer的设计初衷。你可以扩展B的类接口来增加、减少subscriber和它们相应的callback。将它们妥善保存在一个容器里面，并在B::cycle中通过迭代通知每一个subscriber。

回调方法中的形参类型void*保证了subscriber对于publisher是类型无关的，只要它能够在相应的callback方法中被正确的cast成真实的类型，就可以了。这提供了很大的灵活性，是这种回调方法的中心思想。另一方面，这种方式也会导致潜在的类型安全问题——这要求客户程序员必须保证subscriber类型的一致性。如果把一个错误的类型对象作为param给了publisher，程序仍可以经过编译，但在运行期subscriber的callback方法中的cast会以失败告终，这通常是危险的。

2 使用指向成员函数的指针

class A
{
public:
	void onBFinished();
	void cycle()
	{
		// Do something...
	}
};

typedef void (A::*onBFinished)();
class B
{
public:
	void setCallback( onBFinished callback, A* a ) { m_callback = callback; m_a = a; }
	void cycle()
	{
		// ...
		// Finished in some cases
		(m_a->*m_callback)();
	}

private:

	onBFinished m_callback;
	A* m_a;
};

int main()
{
	A a;
	B b;
	b.setCallback( &A::onBFinished, &a );
	for(;;)
	{
		a.cycle();
		b.cycle();
	}

	return 0;
}

static member function被替换成了指向成员函数的指针。

这对类型安全性起到了一定促进作用：在B::cycle中对指向成员函数的指针进行调用的时候，编译器会进行type-checking，从而将错误的类型匹配拦截在编译期。

另一方面，由于必须指定指向成员函数指针的类作用域，比如A::，B需要知道所有subscriber的类型。这在一定程度上增加了类的耦合性：系统每增加一个subscriber类，就需要在publisher类中定义相应的callback typedef，这将带来维护开销，并增加重编译时间。而这个问题在上面的static方法中是不存在的。

下面的方法则解决了类型安全和类耦合两个问题（这也是observer模式的一种正规实现方式）。

3 使用Listener类

建立一个监听器基类，使用多态方法进行通知。

class Listener
{
public:
	virtual ~Listener() {}
	virtual void onSomeEventReceive() = 0;
};

class A : public Listener
{
public:
	virtual void onSomeEventReceive()
	{
		//...Do something
	}
};

class B
{
public:
	void setListener( Listener* l ) { m_listener = l; }
	void cycle()
	{
		// Finished in some cases
		m_listener->onSomeEventReceive();
	}

private:
	Listener* m_listener;

};

int main()
{
	A a;
	B b;
	b.setListener( &a );

	for(;;)
	{
		b->cycle();
	}

	return 0;
}

这种方法中，B不需要知道listener的具体类，它只需处理listener抽象类。系统通过多态来高效地复用基类代码。这很好地解决了上述的类型安全和类耦合两个问题：

a）至少在B的层面上，B处理的必须是listener类，B只调用它的方法，编译器保证了这一点。

b）增加任何一个新的listener子类，B都不需要关心，它只处理listener类。B的代码不需要重新编译。

该方法有缺点吗？当然。缺点主要在于它使用了C++的virtual机制，这是C++的性能落后于C的主要开销之一——通过增加间阶层来提高设计抽象性而带来的开销。但，这样的性能损失相对于该结构所带来的设计优势而言，是可以接受甚至忽略的。

通过以上三个方法，我们看到了每种回调方式的优缺点。后面我们会使用listener方式来构建我们的事件系统，因为对于我们的系统来说，它更易于维护、扩展，更符合OOP精神。

游戏事件系统

现在我们回到游戏消息系统主题中来。首先我们已经决定使用回调方式来进行消息通知，更进一步来说，我们打算采用listener方案。接下来我们要考虑我们如何定义模块结构。

为了避免文章开头所说的N个模块的最差依赖关系N*(N-1)/2，同时为了保证每两个模块之间都可以进行通信，我们的事件系统将采用一个中介模块，这实际上是一个mediator模式（如果对mediator模式感兴趣，请参考GoF的书）的简化版本。整个系统结构如图所示：

A到H每个模块都和mediator通信，Mediator会把相应的消息发给相应的模块。这样，N个模块的依赖关系只有N个——每个模块只和mediator相依赖。

为了设计出这个系统，我们开始结合observer模式思考，在listener例子里面，我们把subscriber作为一个listener指针存在于publisher中，我们说这个subscriber对这个publisher要发布的内容感兴趣——它等待着publisher的一个特定的条件产生，从而通知subscriber，它会做它该做的事情。然而，在那个例子中，两个模块是直接依赖的，并不适用于我们现在设计的这个系统，我们要实现的系统将提供一种“多路分派”——可以有多个subscriber接收同一个事件。在该系统中，需要把“特定条件的产生”变成一个实体用来在模块和mediator之间传递来进行间接依赖，一个很自然的方案就是command模式（ 如果对command模式感兴趣，请参考GoF的书），它封装着通信接收者需要完成的工作信息，将工作延迟到真正的目标。

这里，我不想牵扯太多的模式，因为这样会导致大量的题外细节。因此，我们暂时不使用标准的command模式，改用一个简单的事件结构体：

struct GameEvent

{

int m_eventID;

int m_params[6];

};

一个整型事件ID和若干个自定义整型参数。对，没错，只有整型参数。那我们如何传递其他类型的东西呢？比如一个字符串什么的。一般来说，需要采用辅助数据结构，这和你的游戏引擎结构有很大的关系。比如用一个字符串池，用m_param来传递池索引等等类似的方案。

一个game event的数据类似这样：

#define GAME_EVENT_ID_CLICK_BUTTON   1000

GameEvent event;

event.m_eventID = GAME_EVENT_ID_CLICK_BUTTON;

event.m_params[0] = 15;

event.m_params[1] = 2666;

上面的event可能在游戏中解释为：一个按下按钮的事件，按下的按钮索引为15，这将产生ID为2666的脚本执行。具体的事件参数由接收它的模块来进行解释。

有了这样一个结构，我们就可以把它和对它感兴趣的模块进行关联。比如对GAME_EVENT_ID_CLICK_BUTTON事件感兴趣的是模块A、C、E、F。则在mediator中可以建立一个关联数组保存下面的关联：

{GAME_EVENT_ID_CLICK_BUTTON, {A, C, E, F}}

每当一个publisher发送了一个GAME_EVENT_ID_CLICK_BUTTON事件给mediator，它都会把该消息转发给{A, C, E, F}模块组。这样，在系统运行的某个时刻，mediator将保存一个映射表，描述了注册的游戏事件以及要响应的模块，比如：

{GAME_EVENT_ID_1, {A, B}}

{GAME_EVENT_ID_5, {C}}

{GAME_EVENT_ID_6, {A, M}}

{GAME_EVENT_ID_11, {F, K, M, S}}

{GAME_EVENT_ID_99, {D, B, P, T, X, Z}}

...

系统结构如下所示：

对该系统的实现

接下来我打算给该系统一个简单实现。给模块设计的类为：

中介模块Mediator： EventDispatcher

通信模块A-H： EventListener

EventDispatcher* dispatcher;
class EventDispatcher
{
public:
	EventDispatcher() { dispatcher = this; }
	void dispatchEvent( const GameEvent& event )
	{
		ListenerGroup::iterator it = m_listeners.find( event.m_eventID );
		if( it != m_listeners.end() )
		{
			list< EventListener* >& listeners = it->second; 
			for( list< EventListener* >::iterator it2 = listeners.begin(); it2 != listeners.end(); ++it2 )
			{
				it2->handleEvent( event );
			}
		}
	}


private:
	typedef map< int, list< EventListener* > > ListenerGroup;

private:
	ListenerGroup m_listeners;

	friend class EventListener;
};

class EventListener
{
public:
	virtual ~EventListener() {}

	void addListener( int eventID, EventListener* listener )
	{
		EventDispatcher::ListenerGroup::iterator it = dispatcher->m_listeners.find( eventID );
		if( it == dispatcher->m_listeners.end() )
		{
			list<EventListener*> l;
			l.insert( l.begin, listener );
			dispatcher->m_listeners.insert( make_pair(eventID, l ) );
		}
		else
		{

			list<EventListener>::iterator it2;
			for( it2 = it->second.begin(); it2 != it->second.end(); ++it2 )
			{
				if( *it2 == listener )
				continue;
			}

			it->second.insert( it->second.begin(), listener );
		}
	}

	void removeListener( int eventID, EventListener* listener )
	{
		EventDispatcher::ListenerGroup::iterator it = dispatcher->m_listeners.find( eventID );
		if( it != dispatcher->m_listeners.end() )
		{
			for( list<EventListener*>::iterator it2 = it->second.begin(); it2 != it->second.end(); ++it2 )
			{
				if( *it2 == listener )
				{
					it->second.erase(it2);
					break;
				}
			}
			if( it->second.empty() )
				dispatch->m_listeners.erase(it);
		}
	}

	virtual void handleEvent( const GameEvent& event ) = 0;

private:

};

class A : public EventListener
{
public:
	A() { addListener( 5, this ); }
	virtual ~A() { removeListener( 5, this ); }
	virtual void handleEvent( const GameEvent& event )
	{
		assert( event.m_eventID == 5 );
		assert( event.m_params[0] = 1 );
		assert( event.m_params[1] = 2 );
	}
};

int main()
{
	EventDispatcher eventDispatcher;
	A a;
	GameEvent event;
	event.m_eventID = 5;
	event.m_params[0] = 1;
	event.m_params[1] = 2;
	eventDispatcher.dispatchEvent( event );
	return 0;
}

（为了阅读方便，我把类的方法实现直接和声明放到了一起，在实际的开发中，除了需要inline的方法，应该将实现和声明分离）

EventDispatch类即mediator保存了事件－模块映射表m_listeners。EventDispatch::dispatchEvent方法用来处理相应事件。

EventListener类是一个监听器基类，任何一个想成为subscriber的模块都该继承于它。两个方法

EventListener::addListener

EventListener::removeListener

用来将subscriber增加到事件－模块映射表中，或将模块从表中删除。

EventListener::handleEvent方法是一个纯虚方法，subscriber子类应该实现该方法来处理它感兴趣的事件。比如class A就是一个subscriber，它将自己和ID为5的事件绑定——表明它对该事件感兴趣。当在main中通过EventDispatcher发送了一个5号事件的时候，A::handleEvent就会被callback并将5号事件发送给它进行处理。这里的模块传递为：

main模块 -> event dispatcher(mediator) -> class A object

改进方向

以上实现只是一个基本结构——它完成基本的功能，但要让该事件系统达到工程级别并使用，还需要进一步的努力。以下几个改进留给感兴趣的读者当作练习完成。

1 将事件分发方法改为异步方式

这个改进是必须的！问题在于我们在EventDispatcher::dispatchEvent中使用了STL的容器迭代器进行事件分发，当一个事件被EventListener的子类模块通过EventListener::handleEvent进行处理的时候，可能会产生另一个event（比如在A::handleEvent里面再用EventDispatch分发一个事件），这会导致EventDispatcher::dispatchEvent中的迭代器被重复使用，STL不允许这种情况产生，程序崩溃！

解决方案是在EventDispatcher::dispatchEvent中只把event存入一个pending容器中而不调用EventListener::handleEvent。然后给EventDispatcher安插一个flushEvents的接口，在里面统一调用EventListener::handleEvent来处理pending events然后清除掉它们。

2 将EventDispatcher设计为singleton模式

EventDispatcher应该只有一个，并应该被各个通信模块方便地访问。这意味着把它写成一个singleton模式是理所当然。就这么做吧！（关于singleton模式，请参考GoF的书）

3 增加通道

为了在不同的游戏界面中采用不同的事件表布局，可以给监听器组增加不同的通道，简单来说就是把EventDispatcher::m_listeners变成一个数组

EventDispatcher::m_listeners[N]

然后增加一个变量

EventDispatcher::m_curChannel

来表示当前使用的是数组的哪个维度——哪个通道。这样，我们就能够保留不同的界面事件布局而不用频繁的重新初始化。

4 增加Listener的优先级属性

可以给listener增加优先级，这样在EventDispatcher::dispatchEvent中对listener进行调用的时候将按照listener的优先级调用。这种特性可以用来实现一个很酷的功能——消息独占模块：把一个模块的优先级调成最大，然后给该listener增加一个“事件处理后中断后续listener处理”标志，可以让dispatcher在EventDispatcher::dispatchEvent的循环中只调用该优先级最大的listener的事件处理方法，然后终止掉循环。一个标准的模态对话框就可以用该特性实现。

总结

以上我们循序渐进地实现了一个基本的事件分发系统，它实现了对模块的解耦——通过一个中介模块event dispatcher。在一个普通的游戏中，事件的数量是很大的，但该方案保证了增加游戏事件的便利性。它保证了最小的耦合度——事件是完全独立的。理论上，发送者和接收者彼此都不需要了解彼此，这更像是一个广播系统，收听者可以随时打开或关闭收音机，广播电台根本不知道谁在收听广播。

这个系统已经在我们自己的多个项目中被使用，它确实提供给开发者一定的便利性和健壮性。希望你能够从这个系统中有所收获。