我所理解的Cocos2d-x（簡體書）

《我所理解的Cocos2d-x》針對最新的 Cocos2d-x 3.x版本，介紹了Coco2d-x游戲引擎的基本架構、渲染機制，以及各個子模塊的功能和原理，并結合OpenGL ES圖形渲染管線，深入探討了游戲開發中涉及的相關圖形學的知識，內容包括：Cocos2d-x的基本架構及渲染機制、紋理相關的知識、OpenGL ES 2.0渲染管線、計算機字體的繪制、多分辨率支持、事件分發、碰撞與物理引擎、游戲對象模型架構、Genius-x開源框架、腳本在游戲引擎中的架構等。《我所理解的Cocos2d-x》偏重講解每個知識模塊的概念及原理，使讀者能夠透過現象看到其背后的工作機制，所以本書在內容組織上并不是圍繞Cocos2d-x的接口使用來展開，而是按照通用游戲引擎架構及圖形學的內容進行組織。
《我所理解的Cocos2d-x》面向中、高級開發者，可作為初級開發者進階的教程，也可作為高校游戲引擎架構及圖形學相關專業的參考教材。

秦春林，自大學開始自學編程，先后從事過工作流軟件，云計算，Web等相關的工作。2011年開始進入游戲開發領域，主持并移植了Cocos2d-x-for-XNA項目。喜歡技術分享，發起并組織了北京快樂技術沙龍，多次作為講師參與微軟，CSDN，51CTO以及9RIA等組織的各類技術培訓和講座。參與了手游項目《天降》的開發，目前主要的興趣方向是計算機圖形學和游戲引擎架構，致力于用軟件技術豐富游戲世界的表現及品質。

我與Cocos2d-x結緣于2011年，那個時候我所在的公司OpenXLive與Cocos2d-x團隊合作移植Cocos2d-x游戲引擎到WP7平臺，它采用C#語言基于XNA來實現，我是該項目的負責人。然而不久，微軟就用支持C++原生語言的WP8替代了WP7，該項目也逐漸被開發者淡忘。沒想到三年后我卻會為Cocos2d-x寫一本書，這三年，我和Cocos2d-x都在成長。
開源是我認為軟件最富魅力的部分，它給予我們閱讀和修改源代碼的自由。開源對人類和科技進步的貢獻是巨大的，如今，大多數軟件系統都有著各種各樣開源軟件的影子。開源代碼對技術人員的成長有著難以估量的價值，例如，沒有開源的Cocos2d-x，我就難以寫出本書中的很多內容。
本書定位為一本進階的書籍，它著重于講述Cocos2d-x引擎各個功能及組件背后的實現原理。因此，本書并沒有嚴格按照Cocos2d-x引擎本身的功能展開描述，而是從這些功能中抽象出一些設計或者架構層面的內容進行討論。例如本書沒有分別講述精靈、地圖、粒子特效等的接口使用，而是從紋理、渲染方式等多個方面來講述這些元素背后的工作機制；而OpenGL ES、物理引擎和腳本等內容也幾乎是可以脫離于Cocos2d-x進行學習和理解的。
這就是本書標題的來源，也是本書與同類書籍在內容編排上的最大不同。我希望寫一本書，它可以讓讀者站在一個系統性的高度對游戲引擎的一些架構設計及實現進行理解，從而不但提升和擴充自己的知識結構，更能夠在實際開發中去靈活解決各個層面的技術問題。本書同時追求系統性和實踐性的平衡，例如對于紋理部分，除了總結紋理相關的所有知識，也通過一些示例來演示它在各個層面的具體使用。
本書共分18章。
第1～4章介紹了Cocos2d-x引擎的基本架構及新的繪制系統。這部分內容包括：Cocos2d-x的內存管理機制，UI樹的遍歷及結構，應用程序的生命周期，游戲循環的各個階段，以及在Cocos2d-x中驅動各個子系統進行邏輯更新的機制和工作原理。這部分也介紹了Cocos2d-x 3.x新的數據結構，并詳細描述了新的渲染系統。總之，在這一部分，讀者可以對Cocos2d-x的基本架構有比較系統的了解。
第5～10章圍繞OpenGL ES圖形渲染管線進行介紹。這部分從紋理講起，詳細講述了紋理的存儲格式、傳輸、縮放、壓縮及多重紋理等相關知識；第8章詳細講述了頂點數組的結構、頂點屬性的綁定及傳輸、著色器程序的編譯及鏈接，以及Cocos2d-x新的著色器子系統，并舉例在Cocos2d-x中使用著色器的流程和怎樣使用多重紋理。這部分也對頂點著色器和片段著色器兩個階段在圖形渲染管線中的作用進行了詳細描述。
第9、10章講述了OpenGL ES圖形渲染管線的最后兩個階段：幀緩沖和片段操作，并以Cocos2d-x中對這兩個階段的應用RenderTexture和ClippingNode為例進行講解。這樣，讀者將對整個渲染管線的每一個階段都能有所了解，并且能夠結合Cocos2d-x中的使用去思考每一個階段的意義和作用，從而對圖形渲染管線有更深刻的了解。這也是本書最具特色的部分。
第10～15章講述了Cocos2d-x的一些子系統，包括事件分發、多分辨率支持、動畫系統及物理引擎整合。其中物理引擎部分也是我比較喜歡的章節，這部分講述了一些通用的物理引擎的架構及其使用，以及怎樣和游戲引擎進行整合。
第16～18章探討應該怎樣去設計和管理游戲世界中的對象。第16章講述了常見的對象模型、組件模型、屬性模型之間的概念、區別及優缺點；第17章則以屬性模型為例，講述了一個游戲對象模型應該怎樣設計；第18章探討了時下最流行的腳本相關的內容，但是與僅僅討論腳本使用不同的是，我們站在一個游戲引擎的高度去討論腳本的架構，這樣讀者甚至能設計自己的腳本模型。這一部分內容具有對前端架構設計的高度總結性與實踐性，不管是對經驗豐富的讀者還是初學者，相信都具有一定的啟發性。
另外，本書在寫作之初并沒有構建出整本書的內容結構，在寫前面的章節時我甚至不知道最后幾章的內容和結構會是怎樣的。在開始寫每一章的時候，我不會首先去給自己描繪一個目錄結構，而是首先把所有相關的內容列出來，如果之中有我不熟悉的內容，或者有Cocos2d-x以外的一些知識，我則會首先停下寫作去把這些內容整理出來。例如關于ECS部分的內容就是基于Cocos2d-x社區的一些討論，我花了很多時間去學習和理解。當最后所有相關的內容整理為一個列表時，我就知道該怎么去寫作這部分的內容。因此，在這本書的目錄結構中，讀者找不到任何同類書籍類似的內容結構，因為這完全是基于個人的理解及知識結構體系去寫作的一本書。
所以，對我而言這本書還有一個有意義的目標，我希望透過這樣的方式去探討一種系統性的學習方法。當你開始學習某個知識點時，不要把自己限定在該知識點處，而是首先從該知識點進行適當的擴展，列出該知識點相關的所有內容，再逐個深入學習和研究細節，最后反過來整理該知識點的結構體系。這樣不僅能夠更深入地學習該知識點，還能夠延伸知識的廣度，所以本書有大量超出Cocos2d-x以外的內容，這些內容又是與Cocos2d-x緊密相關的。希望讀者在閱讀過程中能夠感受到這樣一種寫作風格和方法。
本書是一本進階類書籍，閱讀本書，你需要對Cocos2d-x和C++有基本的了解。如果你是一名新手，可以首先閱讀同類書籍中相對比較入門的書籍，否則本書的一些章節可能會給你造成一定的困惑。
學習知識最好的方法永遠是多讀幾遍，書中關于OpenGL ES和游戲對象模型部分的內容可能需要多讀幾次才能更加深入地理解相關的概念。當然，如果你在閱讀過程中遇到什么障礙，隨時可以通過電子郵件或者我的博客等多種方式和我進行探討。
本書可以作為Cocos2d-x開發學習的書籍，也可以作為單獨的OpenGL ES相關的教材，游戲對象模型部分的內容也可以作為設計游戲引擎架構的參考資料。本書也可以作為高校游戲及圖形學相關專業的參考教程。
最后，由于個人經驗有限、思維有限，書中難免會出現一些錯誤和疏漏。真誠地希望讀者可以將這些錯誤的地方反饋給出版社，我們會及時地列出勘誤，以幫助更多的讀者更好地學習。
秦春林
2014年7月25日

第1章 全新的Cocos2d-x 3.0
1.1 Cocos2d-x 3.0的歷史意義
1.1.1 回歸C++風格
1.1.2 更靈活的渲染架構
1.1.3 更自由的發展
1.2 Cocos2d-x 3.0的新特性
1.2.1 使用C++風格
1.2.2 跨平臺的Label
1.2.3 新的渲染系統
1.2.4 統一的消息分發
1.2.5 物理引擎集成
1.2.6 新的數據結構
1.2.7 其他
1.3 Cocos2d-x引擎展望
1.3.1 3D
1.3.2 Cocos Code IDE
1.4 本章小結
第2章 Cocos2d-x架構一瞥
2.1 Cocos2d-x引擎系統總覽
2.2 Cocos2d-x內存管理機制
2.2.1 C++顯式堆內存管理
2.2.2 C++ 11中的智能指針
2.2.3 為什么不使用智能指針
2.2.4 垃圾回收機制
2.2.5 Cocos2d-x內存管理機制
2.2.6 Cocos2d-x中的智能指針
2.2.7 怎樣進行內存管理
2.3 UI樹及運行時游戲對象
2.3.1 位置與變換
2.3.2 坐標系
2.3.3 UI樹
2.3.4 UI元素與內存管理
2.4 應用程序架構
2.4.1 游戲生命周期
2.4.2 窗口尺寸
2.4.3 場景管理
2.4.4 游戲循環
2.5 實時更新游戲對象
2.5.1 幀率
2.5.2 Scheduler
2.5.3 時間線
2.5.4 邏輯更新優先級
2.5.5 性能問題
2.6 Cocos2d-x的主線程
2.6.1 在主線程中執行異步處理
2.6.2 紋理的異步加載
2.6.3 異步處理的單元測試
2.7 本章小結
第3章 OpenGL ES 2.0概覽
3.1 圖形處理器簡介
3.2 什么是OpenGL ES
3.3 OpenGL ES 2.0渲染管線
3.3.1 頂點數組
3.3.2 頂點著色器
3.3.3 圖元裝配
3.3.4 光柵化
3.3.5 片段著色器
3.3.6 片段測試
3.4 渲染管線中的并行計算
3.5 構建高性能的渲染引擎
3.6 幀緩沖
3.7 本章小結
第4章 全新的繪制系統
4.1 新繪制系統的特點
4.2 繪制系統概覽
4.3 RenderCommand
4.4 RenderQueue
4.5 GroupCommand
4.6 Render
4.6.1 RenderCommand的排序
4.6.2 QuadCommand
4.7 元素的可見性
4.8 繪制的時機
4.9 示例：自定義RenderCommand
4.10 本章小結
......

第16章 運行時游戲對象模型
到目前為止，我們討論的所有內容都可以稱之為低階引擎系統，例如Renderer如何將網格繪制到屏幕上，紋理如何被使用，字體如何被繪制，如何從人體學接口設備獲取玩家輸入信息，如何處理物體的碰撞，以及如何對物體執行動畫等。這些幾乎都是和游戲性無關的一些基礎功能。
當開始設計游戲的時候，開發者面對的往往是一個更上層的，可以稱之為游戲性（Gameplay）基礎系統的高階引擎系統，例如怎樣表示游戲中的對象，怎樣組織它們的行為和狀態，設計師怎樣通過數據驅動來快速修改關卡及游戲配置，怎樣高效有序地組織游戲對象之間的邏輯更新等。這些筆者稱之為游戲性架構（Gameplay Architecture），或者很多開發者稱之為游戲架構。理論上，游戲性架構的一些理論和實踐甚至可以和游戲引擎無關。
當然，游戲性架構其實涉及很多內容，例如它可以包括運行時游戲對象模型、關卡及串流、實時更新游戲對象模型、事件分發及腳本系統等。本章將會聚焦于運行時游戲對象模型，講述常見的幾種游戲對象設計的概念、方式及優缺點。
16.1 概述
在所有游戲性架構相關的內容中，運行時游戲對象模型可能是最復雜的系統，并且不同的游戲引擎呈現出的差異極大。例如Unity3D提供的組件模型，虛幻引擎提供的面向對象繼承的模型，其他一些游戲例如《末日危城（Dungeon Siege）》則使用一種不同于兩者的基于數據驅動的游戲對象模型。
這些不同的游戲對象模型之間呈現出很大的設計思維及使用上的差異，但是它們往往都提供或者必須具備一些通用的功能，這些包括但不限于：
（1）管理游戲對象的創建及銷毀。游戲中經常會動態創建各種游戲對象，例如一個塔防游戲會定時出現一些小怪物，子彈在撞擊到目標時立即被銷毀等。許多游戲引擎都提供一種統一的動態創建、銷毀游戲對象的方式，并管理游戲對象的內存及資源，例如第17章即將講述的Genius-x框架中使用createEntity()、removeEntity(entity)來動態創建和銷毀一個游戲對象。但是在Cocos2d-x中卻不是通過統一的方式創建和銷毀游戲對象，它使用每個Node子類自己的構造函數來創建，并使用一種特殊的方式管理內存（參見第2章）。
（2）聯系底層游戲引擎。每個游戲對象要能夠通過某種方式訪問底層的游戲引擎系統，例如能夠渲染三角形網格、執行碰撞檢測，對角色執行動畫等。在Unity3D引擎中，每個游戲對象（GameObject）可以通過添加一個與底層引擎功能相關的組件（Componment）來訪問底層引擎系統。Cocos2d-x的Node類則直接集成了物理模擬、動畫、實時邏輯更新等接口。
（3）實時模擬對象行為。游戲是一個高度實時的系統，游戲對象的狀態、行為在每一幀都可能會隨著時間發生變化，這需要一套高效的游戲對象更新機制。對象可能需要以特定的邏輯次序進行更新。此外，除了邏輯次序，游戲對象之間還可能存在依賴關系，需要按照一定的次序更新（關于游戲對象更新的次序會在本章后面講述）。
（4）定義新游戲對象類型。在開發過程中，隨著游戲需求的改變和演進，游戲對象模型必須有足夠的彈性，可以容易地加入新的對象類型。理想情況下，新的游戲類型應可以完全用數據驅動的方式定義，但是在實際情況中，大部分新增游戲類型都需要程序員的參與。在Genius-x框架中，新的不同行為的組合類型可以通過修改數據文件來實現，而新的行為則可以通過腳本來實現，然后修改數據文件來添加新的行為。
（5）唯一的對象標識符。游戲世界可能會包含成百上千的游戲對象，在運行時必須能夠識別和找到想要的對象，這意味著每種對象需要有某種唯一標識符。例如在Cocos2d-x 中可以通過給一個Node指定一個字符串名稱，然后通過字符串標識符查找一個游戲對象。
（6）游戲對象查詢。除了上面按游戲唯一標識符查詢游戲對象，游戲性系統還需要一些更高級的查詢方式，例如找到某種類型的游戲對象，或者某個范圍的敵人等。在面向組件或者屬性的架構中，游戲對象是以組件/屬性為單位存儲的，很容易查找具有某個屬性類型的游戲對象組合，并且這種查找游戲對象的方式對數據驅動更友好，筆者稱之為面向類型編程。
除了上述提到的這些，運行時游戲對象模型還包括有限狀態機，用于同一個網絡內的對象復制、對象序列化和持久性存檔等。
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