基于C++的纯代码2D游戏开发框架设计

flowchart TD A[游戏启动] --> B[初始化引擎] B --> B1[创建窗口] B --> B2[初始化渲染器] B --> B3[加载资源] B --> C[主游戏循环] C --> D1[处理输入] D1 -->|事件数据| D2[更新游戏状态] D2 -->|实体变换数据| D3[物理检测] D3 -->|碰撞数据| D4[逻辑响应] D4 -->|渲染指令| D5[绘制场景] D5 -->|帧缓冲| C C --> E{退出条件?} E -->|是| F[释放资源] E -->|否| C subgraph 核心模块 B1[Window模块] B2[Renderer模块] B3[ResourceManager] end subgraph ECS系统 D2[TransformSystem] D3[PhysicsSystem] D4[ScriptSystem] D5[RenderSystem] end

关键逻辑说明：

  1. 初始化阶段：
    • 并行创建窗口、渲染器、加载资源
    • 所有子系统通过引擎核心协调
  2. 游戏循环： 
    输入 → 逻辑更新 → 物理检测 → 碰撞响应 → 渲染 → (循环)
    • 数据通过各系统管道式传递
    • 每帧生成渲染指令集
  3. 模块交互：
    • Window：接收OS事件 → 转译为游戏输入事件
    • Renderer：消费场景图数据 → 输出帧缓冲
    • ECS：各系统通过共享组件数据通信
  4. 资源流：
    • 蓝色箭头：控制流
    • 橙色箭头：数据流
    • 虚线框：逻辑分组

核心架构设计

1. 基础模块

// Core.hpp - 框架核心
class GameEngine {
public:
    virtual ~GameEngine() = default;
  
    virtual void Initialize() = 0;
    virtual void Update(float deltaTime) = 0;
    virtual void Render() = 0;
    virtual void Shutdown() = 0;
  
    void Run();
};

2. 窗口管理

// Window.hpp - 跨平台窗口抽象
class Window {
public:
    bool Create(const std::string& title, int width, int height);
    void Destroy();
    void ProcessEvents();
    bool ShouldClose() const;
  
    // 获取窗口尺寸
    int GetWidth() const;
    int GetHeight() const;
  
    // 输入相关
    bool IsKeyPressed(int keyCode) const;
    // ...其他输入方法
};

3. 渲染系统

// Renderer.hpp - 2D渲染抽象
class Renderer {
public:
    virtual ~Renderer() = default;
  
    virtual void Clear() = 0;
    virtual void Present() = 0;
  
    // 2D绘图原语
    virtual void DrawRectangle(float x, float y, float w, float h, Color color) = 0;
    virtual void DrawSprite(Texture* texture, float x, float y) = 0;
    virtual void DrawText(const std::string& text, float x, float y, Font* font, Color color) = 0;
  
    // 变换
    virtual void PushTransform(const Transform& transform) = 0;
    virtual void PopTransform() = 0;
};

关键子系统实现

1. 资源管理

// ResourceManager.hpp
class ResourceManager {
public:
    Texture* LoadTexture(const std::string& path);
    Font* LoadFont(const std::string& path, int size);
    Sound* LoadSound(const std::string& path);
  
    void UnloadAll();
  
private:
    std::unordered_map<std::string, std::unique_ptr<Texture>> m_textures;
    std::unordered_map<std::string, std::unique_ptr<Font>> m_fonts;
    // ...其他资源类型
};

2. 实体组件系统(ECS)

// ECS核心
class Entity {
public:
    template<typename T>
    void AddComponent(T&& component);
  
    template<typename T>
    T* GetComponent();
  
    // ...其他ECS方法
};

class System {
public:
    virtual void Update(float deltaTime) = 0;
};

class Scene {
public:
    Entity* CreateEntity();
    void AddSystem(std::unique_ptr<System> system);
    void Update(float deltaTime);
  
private:
    std::vector<std::unique_ptr<Entity>> m_entities;
    std::vector<std::unique_ptr<System>> m_systems;
};

3. 输入系统

// InputSystem.hpp
class InputSystem : public System {
public:
    void Update(float deltaTime) override;
  
    bool IsKeyDown(KeyCode key) const;
    bool IsMouseButtonDown(MouseButton button) const;
    Vector2 GetMousePosition() const;
  
    // 事件回调
    void SetKeyCallback(std::function<void(KeyCode, bool)> callback);
  
private:
    // 输入状态存储
};

框架使用示例

// 示例游戏实现
class MyGame : public GameEngine {
public:
    void Initialize() override {
        // 初始化窗口
        m_window.Create("My 2D Game", 800, 600);
      
        // 加载资源
        m_playerTexture = m_resources.LoadTexture("player.png");
      
        // 创建实体
        auto player = m_scene.CreateEntity();
        player->AddComponent<TransformComponent>(Vector2(400, 300));
        player->AddComponent<SpriteComponent>(m_playerTexture);
        player->AddComponent<PlayerControllerComponent>();
      
        // 添加系统
        m_scene.AddSystem(std::make_unique<RenderSystem>(&m_renderer));
        m_scene.AddSystem(std::make_unique<PhysicsSystem>());
    }
  
    void Update(float deltaTime) override {
        m_scene.Update(deltaTime);
    }
  
    void Render() override {
        m_renderer.Clear();
        // 场景渲染由RenderSystem处理
        m_renderer.Present();
    }
  
    void Shutdown() override {
        m_resources.UnloadAll();
        m_window.Destroy();
    }

private:
    Window m_window;
    Renderer m_renderer;
    ResourceManager m_resources;
    Scene m_scene;
    Texture* m_playerTexture;
};

高级特性扩展

1. 粒子系统

class ParticleSystem : public System {
public:
    void Update(float deltaTime) override;
    void Emit(const ParticleEmitter& emitter);
  
private:
    std::vector<Particle> m_particles;
};

// 使用示例
auto explosion = m_scene.CreateEntity();
explosion->AddComponent<ParticleEmitterComponent>(
    /* 参数配置 */
);

2. 动画系统

class AnimationSystem : public System {
public:
    void Update(float deltaTime) override;
};

struct AnimationComponent {
    std::vector<Texture*> frames;
    float frameDuration;
    float currentTime;
    int currentFrame;
    bool looping;
};

3. 物理系统

class PhysicsSystem : public System {
public:
    void Update(float deltaTime) override;
};

struct PhysicsComponent {
    Vector2 velocity;
    Vector2 acceleration;
    float mass;
    bool isStatic;
};

性能优化

  1. 对象池模式：对频繁创建销毁的对象(如粒子、子弹)使用对象池
  2. 批处理渲染：将相同材质的绘制调用合并
  3. 空间分区：使用四叉树或网格进行碰撞检测优化
  4. 内存管理：自定义分配器用于游戏对象

跨平台考虑

// 平台抽象层
namespace Platform {
    // 文件系统
    std::vector<uint8_t> ReadFile(const std::string& path);
  
    // 时间
    double GetCurrentTime();
  
    // 图形API初始化
    void InitGraphicsAPI();
}