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数据偏好

在面对问题 X 的时候，你有没有对应该使用数据结构 Y 还是 Z 产生过困惑？本文会涉及到与这些困境有关的各种主题。

备注

本文会提及“[某某]时间”的操作。这个术语来自于算法分析中的大 O 表示法。

简而言之，它描述了最坏情况下的运行时长。用外行的话来说：

“随着问题域的大小增加，算法的运行时长……”

  • 常量时间，O(1)：“……不会增加。”

  • 对数时间，O(log n)：“……会以较慢的速度增长。”

  • 线性时间，O(n)：“……会以相同的速度增长。”

  • 等等。

想象一下, 如果必须在一帧内处理300万个数据点. 不可能使用线性时间算法来设计这个特性, 因为数据的绝对大小, 将使运行时间大大超出分配的时间. 相比之下, 使用常量时间算法可以毫无问题地处理该操作.

总的来说, 开发人员希望尽可能避免进行线性时间操作. 但是, 如果保持线性时间运算的规模很小, 并且如果不需要经常执行操作, 则这是能够接受的. 平衡这些需求, 并为工作选择正确的算法/数据结构, 是使程序员的技能有价值的一部分.

数组、字典、对象

Godot 把脚本 API 中的所有变量都存储在 Variant 中。Variant 可以存储兼容数据结构，例如 Array （数组）、 Dictionary （字典）、 Object （对象）。

Godot 使用 Vector<Variant> 实现数组。引擎会将数组内容存储在一段连续的内存之中，也就是说，元素与元素之间是相邻的。

备注

这里的 Vector 是传统 C++ STL 库中数组对象的名称，是个“模板”类型，即它只能存储特定类型的数据（用尖括号表示）。例如，PackedStringArray 其实就类似于 Vector<String>。

因为是在内存中连续存储，所以执行各种操作的性能如下：

  • 迭代：最快，非常适合循环。

    • 操作：把计数器加一即可获取下一个元素。

  • 插入、删除、移动：与位置相关，一般较慢。

    • 操作：元素的添加、删除、移动需要移动与之相邻的元素（腾出地方或者填充空缺）。

    • 在末尾添加、删除很快。

    • 在任意位置添加、删除较慢。

    • 在开头添加、删除最慢。

    • 如果需要在开头执行多次插入、删除操作，那么……

      1. 反转数组。

      2. 通过循环在末尾执行数组更改。

      3. 再把数组反转回来。

      这样就只复制了两次数组（虽然比较慢，但还是常数时间），否则就得把平均大概一半的数组复制 N 遍（线性时间）。

  • 取值、设值：因为是按位置存取的，所以最快。例如你可以请求第 0 个、第 2 个、第 10 个等等的元素，但不能按照元素的值来请求。

    • 操作：把起始位置做一次加法，得到所需的索引。

  • 查找：最慢。根据值获取索引，也就是位置。

    • 操作：必须遍历数组，一个个元素做比较，直到找到匹配的为止。

      • 性能同时也取决于是否需要查遍整个数组才能找到目标。

    • 如果保持有序, 自定义搜索操作, 可以使其达到对数时间(相对较快). 不过, 外行用户对此会感到不舒服. 通过在每次编辑之后, 重新排序数组, 并编写一个感知顺序的搜索算法来完成.

Godot 使用 OrderedHashMap<Variant, Variant> 实现 Dictionary。引擎存储一个键值对的小数组（初始化为 2^3 即 8 条记录）。当试图访问一个值时，它提供一个键。然后，对键进行哈希处理，即转换成一个数字。“哈希”值用来计算进入数组的索引。作为一个数组，OHM 就可以在键映射到值的“表”中快速查找。当 HashMap 变得过满时，它会增加到2的下一个幂值（即 16 条记录，然后是 32 条，以此类推），并重新构建结构。

散列是为了减少键碰撞的机会. 如果发生了, 列表必须为考虑前一个位置的值, 重新计算另一个索引. 总之, 这导致以牺牲内存和一些较小的操作效率为代价, 对所有记录的常量时间访问.

  1. 散列每个键任意次数.

    • 散列操作是常量时间的, 因此即使一个算法必须执行多于一个, 只要散列计算的数量不太依赖于列表的密度, 一切都会保持快速. 这导致了……

  2. 保持不断增长的表规模.

    • HashMaps为了减少哈希冲突, 并保持访问速度, 在表中保留了未使用的内存的间隙. 这也是为什么它的大小不断地以2的幂次增加的原因.

如大家所知，字典擅长的任务是数组所不擅长的。其操作细节概述如下：

  • 迭代 : 快速.

    • 操作: 遍历映射的内部散列向量. 返回每个键. 之后, 用户使用该键跳转到并返回所需的值.

  • 插入, 删除, 移动 : 最快.

    • 操作: 散列给定的键. 执行1个加法操作来查找适当的值(数组开始+偏移量). 移动其中的两个(一个插入, 一个擦除). 映射必须进行一些维护, 以保留其功能:

      • 更新记录的有序列表.

      • 确定列表密度, 是否需要扩展列表容量.

    • 字典会记住用户插入键的顺序. 这使它能够执行可靠的迭代.

  • 取值, 设值 : 最快. 和 根据键 查找相同.

    • 操作: 和插入/删除/移动类似.

  • 查找 : 最慢. 标识值的键.

    • 操作: 必须遍历记录并比较该值, 直到找到匹配的为止.

    • 请注意,Godot并未开箱即用地提供此功能(因为它们并非用于此任务).

Godot用愚蠢, 但动态的方式容纳数据容器实现对象. 提出问题时, 对象将查询数据源. 例如, 要回答”你是否有一个名为 position 的属性？”的问题, 它可能会询问其 script 或 ClassDB. 你可以在 在 Godot 中应用面向对象原则 文章中, 找到有关什么是对象以及它们如何工作的更多信息.

这里重要的细节是对象任务的复杂性. 每次执行这些多源查询时, 它运行 几个 迭代循环和哈希表查找. 此外, 查询是线性时间操作, 依赖于对象的继承层次结构大小. 如果 Object 查询的类(当前类)什么都没有找到, 则该请求将一直推迟到下一个基类, 一直到原始 Object 类为止. 虽然这些都是单独的快速操作, 但它必须进行如此多的检查, 于是这一事实使得它们比查找数据的两种方法都要慢.

备注

当开发人员提到脚本API有多慢时, 所引用的正是这一系列查询. 与编译后的, 应用程序知道在哪里可以找到任何东西的,C++代码相比, 不可避免的是, 脚本API操作将花费更长的时间. 他们必须定位任何相关数据的来源, 然后才能尝试访问它.

GDScript很慢的原因是, 它执行的每个操作都要经过这个系统.

C#可以通过更优化的字节码, 以更快的速度处理一些内容. 但是, 如果C#脚本调用引擎类的内容, 或者脚本试图访问它的外部内容, 它会通过这个管道.

NativeScript C++甚至更进一步, 默认将所有内容都保持在内部. 对外部结构的调用将通过脚本API进行. 在NativeScript C++中, 注册方法以将其公开给脚本API是一项手动任务. 至此, 外部非C++类将使用API来查找它们.

因此, 假设从引用扩展到创建数据结构, 比如一个 Array 或 Dictionary, 为什么选择一个 Object 而不是其他两个选项？

  1. 控件 : 对象能够创建更复杂的结构. 可以在数据上分层抽象, 以确保外部API不会响应内部数据结构的更改. 更重要的是, 对象可以有信号, 允许响应式行为. 对象带来了创建更复杂结构的能力.

  2. 清晰 : 当涉及到脚本和引擎类为对象定义的数据时, 对象是一个可靠的数据源. 属性可能不包含期望的值, 但是无需担心这个属性是否首先存在.

  3. 便利 : 如果已经有了类似的数据结构, 之后从现有类扩展, 可以使构建数据结构的任务变得容易得多. 相比之下, 数组和字典不能满足所有的用例.

对象还让用户有机会创建更专门化的数据结构。有了它，一个人可以设计自己的列表、二叉搜索树、堆、散列树、图、不相交集，以及其他选择。

“为什么不在树结构中使用节点？” 有人可能会问. 节点类包含与自定义数据结构无关的内容. 因此在构建树结构时, 构造自己的节点类型是很有帮助的.

GDScriptC#

  1. extends Object
  2. class_name TreeNode
  4. var _parent: TreeNode = null
  5. var _children: = [] setget
  7. func _notification(p_what):
  8.     match p_what:
  9.         NOTIFICATION_PREDELETE:
  10.             # Destructor.
  11.             for a_child in _children:
  12.                 a_child.free()
  1. using Godot;
  2. using System.Collections.Generic;
  4. // Can decide whether to expose getters/setters for properties later
  5. public partial class TreeNode : GodotObject
  6. {
  7.     private TreeNode _parent = null;
  9.     private List<TreeNode> _children = new();
  11.     public override void _Notification(int what)
  12.     {
  13.         switch (what)
  14.         {
  15.             case NotificationPredelete:
  16.                 foreach (TreeNode child in _children)
  17.                 {
  18.                     node.Free();
  19.                 }
  20.                 break;
  21.         }
  22.     }
  23. }

从这里开始, 然后就可以创建具有特定功能的结构, 只会受到他们想象力的限制.

枚举：整数 VS 字符串

大多数语言都提供了一个枚举类型选项.GDScript也不例外, 但与大多数其他语言不同的是, 它允许人们使用整数或字符串作为枚举值(只有在GDScript中使用 export 关键字时才可使用后者). 那么问题就来了,”应该使用哪一种？”

简而言之,”你觉得哪个更舒服就选哪个.” 这是GDScript特有的特性, 而并非一般的Godot脚本；该语言将可用性置于性能之上.

在技术层面上, 整数比较(常量时间)比字符串比较(线性时间)更快. 如果你想保持其他语言的习惯, 那么应该使用整数.

当你想要 打印 枚举值时，使用整数的主要问题就出现了。尝试直接打印以 int 型保存的枚举 MY_ENUM ，将会打印 5 之类的东西，而不是像 MyEnum 这样的词。要打印以 int 型保存的枚举。必须编写一个字典来映射每个枚举对应的字符串值。

如果使用枚举的主要目的是打印值, 并且希望将它们作为相关概念组合在一起, 那么使用它们作为字符串是有意义的. 这样, 就不需要在打印上执行单独的数据结构.

AnimatedTexture vs. AnimatedSprite2D vs. AnimationPlayer vs. AnimationTree

在什么情况下应该使用Godot的各种动画类？对于Godot的新用户来说, 可能不是马上清楚答案.

AnimatedTexture 是引擎绘制一个动画循环, 而不是一个静态图像的纹理. 用户可以进行如下操作…

  1. 它在纹理的每个部分移动的速率（FPS）。

  2. 纹理中包含的区域数(帧).

Godot 的 RenderingServer 会按照规定的速度依次绘制区块。好处是不涉及引擎部分额外的逻辑。坏处是用户几乎没有控制权。

另外请注意，AnimatedTexture 是一种 Resource，与此处讨论的其他 Node 对象不同。可以创建 Sprite2D 节点，使用 AnimatedTexture 作为其纹理。或者（仅在其他方法无法满足要求时）可以将 AnimatedTexture 作为图块添加到 TileSet 中并将其与 TileMap 集成到一起，从而获得自动动画化的背景。使用此方法时所有的渲染将在单个批处理内绘制调用。

AnimatedSprite 节点可以与 SpriteFrames 资源结合使用，使用户可以通过精灵表创建各种动画序列、在动画之间切换并控制它们的速度、区域偏移量和方向。这使得它们非常适合控制基于二维的帧动画。

触发与动画更改相关的其他效果，例如创建粒子效果、调用函数或操作除基于帧的动画外的其他外围元素需要将一个 AnimationPlayer 节点与 AnimatedSprite 关联。

如果你想设计更复杂的二维动画系统，AnimationPlayer 也是你的必备工具，例如……

  1. 剪纸动画：在运行时编辑精灵的变换。

  2. 二维网格动画：为精灵的纹理划分一个区域，并将骨架绑定在上面。然后动画化其中的骨骼，使骨骼按照彼此之间的关系，成比例地拉伸和弯曲纹理。

  3. 综上所述.

虽然我们需要一个 AnimationPlayer, 来为游戏设计每个独立的动画序列, 它也可以用来混合复合动画, 也就是说, 在这些动画之间实现平滑的转换. 在为对象规划的动画之间, 也可能存在一个层次结构. 在这些情况下使用 AnimationTree 效果很出色. 可以在 这里 找到关于使用 AnimationTree 的深入指南.

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