蘇雄，張宏橋，段凌飛，曾曉華

（湘南學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院，郴州423000）

0 引言

C語言是較為底層的高級語言，由于其標(biāo)準(zhǔn)簡單規(guī)范，在多個(gè)領(lǐng)域均較為流行[1-2]。出于教學(xué)目的，大部分學(xué)生在學(xué)習(xí)完C語言后，不能進(jìn)一步探究，對基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法感覺枯燥。為解決這個(gè)問題，目前已有部分高校以游戲引擎等與現(xiàn)實(shí)緊密結(jié)合的內(nèi)容為導(dǎo)向，提升學(xué)生的編程語言學(xué)習(xí)興趣[3-5]。以此為出發(fā)點(diǎn)，本文使用跨平臺(tái)的C語言庫SDL2實(shí)現(xiàn)了一套2D游戲框架CSimpleEngine來激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步的學(xué)習(xí)研究的興趣。該框架使用C語言（C99標(biāo)準(zhǔn)）實(shí)現(xiàn)，依賴于SDL2開源庫，該庫支持音視頻、網(wǎng)絡(luò)等功能的操作，且支持跨平臺(tái)編譯[6]。對于跨平臺(tái)部分，本文使用C4Droid作為跨平臺(tái)編譯器，使用的版本為C4Droid v6.97漢化版，其本身已經(jīng)集成好GCC以及SDL2庫，方便本文設(shè)計(jì)框架的APK編譯。此外，文中所涉及的CSimpleEngine框架與演示工程代碼已開源提交到https://gitee.com/suiwobian/csimple-engine.git。

1 框架設(shè)計(jì)

1.1 框架模塊

框架目前包含通用功能、事件編輯、輸入控制、聲音管理、精靈管理、文字繪制、物體管理七個(gè)模塊。其中，通用功能模塊主要負(fù)責(zé)常用算法的實(shí)現(xiàn)，如平面旋轉(zhuǎn)、碰撞位置檢測等通用功能；事件編輯模塊負(fù)責(zé)用戶層邏輯，包括物體事件聲明、定義注冊，是用戶層設(shè)計(jì)的主要工具，出于代碼復(fù)用目的，用戶使用該模塊的宏進(jìn)行操作；輸入控制模塊負(fù)責(zé)用戶層的輸入檢測，如鼠標(biāo)或屏幕的點(diǎn)擊、鍵盤按鍵狀態(tài)等信息的獲取；聲音管理模塊負(fù)責(zé)音效資源的配置與使用，包含音樂與音效兩種類型。精靈管理模塊負(fù)責(zé)圖片載入以及紋理資源顯示；文字繪制模塊負(fù)責(zé)字體文件的載入并利用精靈管理模塊對字體紋理進(jìn)行顯示。

其中，物體管理模塊是整個(gè)框架的核心，用戶主要通過操作實(shí)例完成邏輯。此外，物體與實(shí)例的區(qū)別在于：前者指某一類對象的模板抽象，后者指動(dòng)態(tài)實(shí)例化的可以操作的物體。各模塊的關(guān)系如圖1所示。

圖1 框架功能模塊

1.2 執(zhí)行流程

CSimpleEngine框架基于SDL2開源庫，主要分為初始化、執(zhí)行、銷毀這三個(gè)階段。

初始化階段流程如下圖所示：首先調(diào)用SDL_Init函數(shù)進(jìn)行SDL庫的初始化，包含初始化音頻和視頻功能，使用TTF_Init進(jìn)行字體功能初始化，并根據(jù)配置創(chuàng)建全局窗口繪制表面以及渲染器。接著調(diào)用用戶實(shí)現(xiàn)的資源注冊接口，該接口對資源文件與配置文件中定義的資源枚舉量進(jìn)行關(guān)聯(lián)，然后調(diào)用用戶定義的物體初始化接口，該接口主要負(fù)責(zé)物體事件的注冊，以及其它自定義的初始化工作。其中，資源注冊接口函數(shù)As?setInit與物體注冊接口函數(shù)ObjectInit只提供接口聲明，具體實(shí)現(xiàn)必須由用戶定義，否則無法通過編譯。

圖2 框架初始化流程

初始化完成后，框架進(jìn)入執(zhí)行流程的事件輪詢狀態(tài)，直至用戶關(guān)閉窗口或強(qiáng)制退出。首先處理用戶輸入、退出消息等內(nèi)容。然后按配置幀率來執(zhí)行各個(gè)物體實(shí)例事件，事件類型包含創(chuàng)建事件、更新事件、繪制事件、銷毀事件。創(chuàng)建或銷毀事件由用戶在調(diào)用創(chuàng)建或銷毀物體實(shí)例的相關(guān)的函數(shù)時(shí)觸發(fā)回調(diào)；更新與繪制事件默認(rèn)情況下由框架通過輪詢模式執(zhí)行，更新事件主要負(fù)責(zé)執(zhí)行邏輯，繪制事件主要負(fù)責(zé)實(shí)例顯示，所有物體實(shí)例更新完畢后再進(jìn)行所有實(shí)例的繪制，繪制順序可自定義。執(zhí)行階段單幀流程如圖3所示。

圖3 執(zhí)行階段的單幀流程

框架銷毀階段主要進(jìn)行各類全局與注冊資源的釋放，如調(diào)用函數(shù)釋放字體、SDL等庫、釋放主窗口繪制表面以及渲染器。

2 框架實(shí)現(xiàn)

2.1 框架配置

框架代碼包含3個(gè)文件：CSimpleConfig.h為框架配置頭文件；CSimpleEngine.h、CSimpleEngine.c為核心實(shí)現(xiàn)。其中上層應(yīng)用依賴于CSimpleEngine，而CSim?pleEngine依賴于CSimpleConfig。CSimpleConfig.h主要定義了框架的執(zhí)行環(huán)境，具體如表1所示。

表1 CSimpleConfig工程配置

其中，對于聲音、精靈、字體、物體類型的配置，使用枚舉與全局?jǐn)?shù)組的形式進(jìn)行資源管理。利用枚舉的自增特性，當(dāng)用戶在CSimpleConfig配置文件插入自定義枚舉時(shí)，用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的數(shù)組也在編譯時(shí)自動(dòng)增加。此外，物體的管理數(shù)組分別存放不同類型物體的第一個(gè)實(shí)例，然后通過實(shí)例內(nèi)部的雙向列表結(jié)構(gòu)進(jìn)行查找，實(shí)現(xiàn)物體歸類與多實(shí)例檢索功能。

2.2 框架核心

該部分由CSimpleEngine.h、CSimpleEngine.c兩個(gè)文件構(gòu)成，為用戶層提供近100個(gè)API。功能按類別分為：通用功能、事件編輯、聲音管理、輸入控制、精靈管理、字體繪制、物體管理。其中，事件編輯與物體管理是應(yīng)用層邏輯實(shí)現(xiàn)的主要工具，事件編輯模塊主要利用了C語言中拼接宏#、可變宏參數(shù)__VAR_ARGS__等技巧實(shí)現(xiàn)。

精靈管理模塊處理的精靈數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包含：繪制表面、紋理、子圖個(gè)數(shù)（支持水平序列幀自動(dòng)生成）、錨點(diǎn)位置、子圖高度、子圖寬度。

物體管理模塊所管理的物體實(shí)例信息包含：四邊形碰撞遮罩、物體位置、物體繪制深度（值越小離屏幕越近）、關(guān)聯(lián)的精靈類型、精靈的子圖號(hào)、精靈播放速度、精靈繪制角度（順時(shí)針為正）、精靈水平與垂直縮放比例、精靈不透明度（取值范圍0～1，0完全透明，1不透明）、物體類型、是否可見、是否活躍、是否使能、用于管理執(zhí)行順序的上一個(gè)和下一個(gè)物體對象指針、用于管理繪制順序的上一個(gè)和下一個(gè)物體對象指針、自定義物體成員變量指針。若物體未定義繪制事件，則默認(rèn)繪制實(shí)例所綁定的精靈，若定義了繪制事件則需要單獨(dú)調(diào)用精靈繪制函數(shù)去顯示。

各個(gè)模塊的部分核心功能列舉如表2所示。

表2 通用模塊部分功能

表3 事件編輯模塊部分功能

表4 聲音管理模塊部分功能

表5 輸入控制模塊部分功能

表6 精靈管理模塊部分功能

續(xù)表

表7 物體管理模塊部分功能

3 框架應(yīng)用

3.1 雙人彈球的設(shè)計(jì)

本節(jié)以雙人彈球設(shè)計(jì)為例，簡要的介紹框架的使用，其中操作部分使用鍵盤與鼠標(biāo)進(jìn)行彈板控制，具體代碼見開源工程。

首先，打開配置文件CSimpleConfig.h進(jìn)行環(huán)境編輯：修改資源文件路徑RESOURCE_DIR為“./resource/PINGPONG/”，里邊包含了彈球與彈板圖片；開發(fā)時(shí)開啟碰撞調(diào)試模式；修改窗口寬ROOM_WIDTH為640，高ROOM_HEIGHT為360；幀率RUN_FPS改為30；默認(rèn)使用自定義繪制順序。

然后，在精靈枚舉SPRITE_TYPE的SPR_NULL與SPR_NUM之間插入新的枚舉量：彈球精靈SPR_BALL、彈板精靈SPR_BOARD。在物體枚舉OB?JECT_TYPE的OBJ_NULL與OBJ_NUM之間插入彈球OBJ_BALL、障礙OBJ_WALL、彈板OBJ_BOARD。

基本資源定義完成后，在主邏輯文件main.c的As?setInit接口中使用SpriteTypeReg函數(shù)注冊上邊定義的精靈資源，將其與資源目錄下相關(guān)的圖像文件進(jìn)行關(guān)聯(lián)：

其中，參數(shù)1為定義的資源枚舉，參數(shù)2為資源文件路徑，參數(shù)3為精靈子圖個(gè)數(shù)，這里配置為1個(gè)，參數(shù)4為精靈旋轉(zhuǎn)中心，即錨點(diǎn)位置，這里均配置為正中心。

接著為彈球定義創(chuàng)建與更新事件，事件定義宏內(nèi)有默認(rèn)指向當(dāng)前物體實(shí)例的指針obj以及當(dāng)前物體實(shí)例的參數(shù)指針args，編寫邏輯代碼時(shí)注意不要定義重名變量。此外，如果給物體定義成員變量后必須要定義物體的創(chuàng)建事件才能正常初始化。

彈球邏輯的實(shí)現(xiàn)過程如下：①使用DEFINE_EVENT_ARGS定義彈球的水平與垂直速度；②使用DEFINE_EVENT_CREATE定義彈球的創(chuàng)建事件，設(shè)置初始位置為中心，并給與隨機(jī)速度；③使用DE?FINE_EVENT_STEP定義彈球的更新事件，每幀根據(jù)當(dāng)前速度修改坐標(biāo)，如果碰到墻壁則使垂直速度反向，如果碰到彈板則使水平速度反向，如果超過左右邊界則進(jìn)行新的一輪并重置隨機(jī)位置。

彈板邏輯的實(shí)現(xiàn)過程如下：①使用DEFINE_EVENT_ARGS定義彈板的控制類型，1為鼠標(biāo)，0為鍵盤光標(biāo)上下鍵，并在創(chuàng)建事件中初始化為1；②在更新事件中如果讓類型1的實(shí)例跟蹤鼠標(biāo)垂直位置，讓類型0的實(shí)例響應(yīng)鍵盤上下按鍵。

然后，在ObjectInit接口中使用REGISTER_EVENT_CREATE、REGISTER_EVENT_STEP注冊以上定義好的事件。

接著創(chuàng)建各個(gè)物體的實(shí)例：使用ObjectCreate創(chuàng)建彈球并綁定精靈圖；然后分別在屏幕上下方向的邊沿外側(cè)創(chuàng)建障礙墻體，無需關(guān)聯(lián)精靈顯示，只需使用ObjectSetMask與ObjectSetScale配置碰撞盒的大小與比例即可；最后使用ObjectCreate創(chuàng)建左右兩個(gè)彈板，綁定精靈并使用OBJ_ARGS宏設(shè)置左邊的彈板為鍵盤控制，右邊為鼠標(biāo)控制。

最后在程序入口，如main函數(shù)中，調(diào)用框架入口驅(qū)動(dòng)函數(shù)EngineLoop（）即可。

3.2 應(yīng)用框架的編譯

框架提供了默認(rèn)的Makefile文件，使用gcc編譯器，Windows下可以使用mingw進(jìn)行編譯。注意，工程編譯時(shí)需要添加SDL2的相關(guān)頭文件與依賴庫，圖4為彈球工程編譯后的執(zhí)行效果。

圖4 雙人彈球程序

此外，開源代碼的project目錄中附帶了Flappy?Bird的Demo，涵蓋了音效與文字等大部分的使用。為了方便，本文使用Android平臺(tái)上的C4Droid進(jìn)行APK的編譯，本質(zhì)是利用了Android開發(fā)環(huán)境下的Native?Activity，操作流程如下：

首先，將4個(gè)主要文件CSimpleConfig.h、CSim?pleEngine.h、CSimpleEngine.c、main.c以及工程相關(guān)的資源目錄resource拷貝到手機(jī)上，使用C4Droid打開main.c。

然后，長按底側(cè)編譯按鈕調(diào)出編譯選項(xiàng)，選擇編譯多個(gè)源代碼文件（簡單），在文件路徑中依次填入文件名，并用空格分開：CSimpleConfig.h CSimpleEngine.h CSimpleEngine.c main.c，點(diǎn)擊確定，在主界面選擇編譯，若沒有錯(cuò)誤，則會(huì)提示編譯成功，接著即可運(yùn)行測試。

最后，生成安裝包，點(diǎn)擊右上角菜單，選擇導(dǎo)出。導(dǎo)出配置應(yīng)用標(biāo)題（英文）、圖標(biāo)路徑、應(yīng)用資源目錄，點(diǎn)擊導(dǎo)出。導(dǎo)出后安裝即可運(yùn)行，編輯操作如圖5所示。

圖5 使用C4Droid編譯FlappyBird工程

4 結(jié)語

本文首先基于SDL2對CSimpleEngine框架進(jìn)行設(shè)計(jì)，擴(kuò)展出通用功能、事件編輯、輸入控制、聲音管理、精靈管理、文字繪制、物體管理等模塊，其中物體管理與事件編輯是整個(gè)框架的應(yīng)用核心。然后介紹了框架的驅(qū)動(dòng)流程，包含初始化、執(zhí)行、銷毀這三個(gè)階段，其中執(zhí)行階段使用了事件輪詢模式。接著分析了框架代碼的3個(gè)核心文件：CSimpleConfig.h、CSimpleEngine.h、CSimpleEngine.c，并闡述了它們負(fù)責(zé)的主要功能。最后，使用雙人彈球與FlappyBird的示例代碼分別演示了框架的基本流程及其支持跨平臺(tái)編譯的特性，驗(yàn)證了框架的易用性和跨平臺(tái)性，CSimpleEngine框架可以進(jìn)一步作為日常C語言教學(xué)的課外擴(kuò)展，提升學(xué)生對學(xué)習(xí)的興趣。