Коротко о реактивном программировании в геймдеве. Что это, зачем нужно и как применить в контексте Unity

Всем привет. Сегодня решил продолжить описывать технические статьи для Unity-разработчиков и на этот раз кратко пробежаться по теме реактивного программирования.

Начнем с того, что реактивное программирование - это несколько иной подход к реализации вашего программного обеспечения. Конечно, никто не запрещает вам совмещать различные подходы (ООП, ECS и RX), однако нужно понимать что, зачем и почему.

Реактивное программирование строится на взаимодействии с потоками данных. Вам нужно уяснить, что все что вы будете делать - это манипулировать потоками.

Представим себе такую ситуацию - что у нас есть игрок, который может получать урон от противника, а UI - будет выводить этот урон. В базовом понимании у нас есть методы для работы с этим внутри объектов и мы по ссылкам будем обращаться к примеру от игрока к UI. В реактивном же подходе - мы создаем поток данных (к примеру здоровье игрока) у которого будет свой таймлайн, во время которого значения здоровья будет меняться и вызывать событие об этом, а все подписчики - получать новое событие.

Один простой пример, который показывает как работают потоки в реактивном программировании - это посмотреть на математические примерчики.

В стандартном примере без реактивного программирования, где:

A = B + C; B = 12; C = 12; A = 24;

И если мы изменим значение B - то при дальнейшем использовании A - оно останется неизменным.

Но в реактивном программировании, если мы изменим значение B - то значение A автоматически пересчитается (как в формулах в Excel). Таким образом, если мы сделаем B = 20, то в обычном подходе A остается 24, а в реактивном A станет = 32.

Помимо рассылки событий - вы можете манипулировать с потоками для фильтрации данных, обрабатывать ошибки и отменять их. Это отличает их от обычных Event-Bus.

В основе потоков стоят наблюдатели - которые отслеживают изменения потока и оповещают об этом слушателей.

Для того, чтобы группировать наши данные - мы можем объединять потоки и работать с единым потоком при помощи фильтраций. Эти фильтрации могут быть сделаны банальным сравнением, либо через LINQ (однако производительность LINQ - это отдельная тема и злоупотреблять им не стоит).

Объединенный поток - включает в себя общий таймлайн с событиями об изменении отдельных данных в потоке.

Как и у любого подхода - в работе с потоками есть свои плюсы и минусы. Я выделил для себя несколько пунктов в обеих колонках.

Преимущества работы с потоками:

Уменьшает связность и клей в проекте, а так же количество кода;
Повышает отказоустойчивость системы - поскольку при возникновении ошибок в одном из классов, он не нарушит работу системы в целом, а просто перестанет обновлять данные в потоке;
Высокий контроль над данными и событиями;
Может сочетаться с ООП и ECS подходами;

Минусы работы с потоками:

Сложен в понимании для новичков, требует определенного мышления;
В некоторых случаях (как например в Unity) могут потребоваться Rx расширения (как например UniRx или самописные решения), которые в свою очередь могут накладывать свои ограничения;
В идеале - требует понимания асинхронной разработки приложений, поскольку эти подходы часто пересекаются;
Сложности в отладки многоуровневых реактивных полей при разработке проектов;

Допустим мы хотим обновление здоровья игрока при получении урона. Самый простой вариант - пробросить в класс игрока ссылку на UI и обновлять её. Однако это создает клей - и один из способов избавления от него - воспользоваться реактивными полями и UniRx.

public class Player : MonoBehaviour { [SerializeField] private Text playerHeal; [SerializeField] private Text playerArmor; public float Heal = 100f; public float Armor = 100f; public void ApplyDamage(float damage) { if(Armor >= damage) { Armor -= damage; damage = 0; }else if(Armor > 0){ damage -= Armor; Armor = 0; } Heal -= damage; playerHeal.text = Heal.ToString("N0") + "%"; playerArmor.text = Armor.ToString("N0") + "%"; } }

Воспользовавшись потоками мы можем подписаться на обновление здоровья игрока и, если что-то пойдет не так - мы просто не будем получать новое значение. Так же мы абстрагируемся от реализаций внутри класса игрока, подписываясь лишь на его данные.

public class Player : MonoBehaviour { [SerializeField] private Text playerHeal; [SerializeField] private Text playerArmor; public ReactiveProperty<float> Heal = new ReactiveProperty<float>(100f); public ReactiveProperty<float> Armor = new ReactiveProperty<float>(100f); public void ApplyDamage(float damage) { if(Armor >= damage) { Armor -= damage; damage = 0; }else if(Armor > 0){ damage -= Armor; Armor = 0; } Heal -= damage; } }

И теперь выносим UI отдельно от класса Player:

public class UI : MonoBehaviour { [SerializeField] private Player player; [SerializeField] private Text playerHeal; [SerializeField] private Text playerArmor; private void Start() { player.Heal.SubscribeToText(playerHeal); player.Armor.SubscribeToText(playerArmor); } }

Работа с потоками - отличный инструмент. В Unity для этого существует UniRx и другие реализации.

В целом можно выделить следующие цели работы с потоками:

Для того, чтобы не запрашивать данные у владельца, а оперировать лишь данными (к примеру, для работы с моделями в MVVM);
Фильтровать данные в потоке, чтобы не получать лишнее;
Подписываться на изменения и получать их;
Работать с асинхронными задачами;
Подписываться на ошибки работы в потоках;
Манипулировать данными в потоке без изменения конкретных данных;
Снизить связность в коде и уменьшить клей;
Когда нам нужно реагировать на изменения между потоками;

В каких случаях стоит отказаться от потоков:

Когда мы часто обращаемся к записи потоков с разных источников (по большей части касается UniRx);
Когда это не оправдано (создавать поток для того, чтобы работать с ним в единственном классе. В таком случае проще обращаться на прямую);
Когда нам не нужно реагировать на изменения;

UniRx довольно мощное расширение для реактивного программирования и включает в себя большой набор функционала:

Поддержку LINQ;
Работу с сетью;
Группировку потоков;
Отладку ошибок и прогресса;
Поддержку корутин;
Поддержку MultiThreading;
Кастомные триггеры;
Интеграцию с uGui;
MV(R)P паттерн;

Важно! UniRx плохо работает с очередями изменений, поэтому ваши подписчики могут получать события не в том порядке, в котором должны. Правильно проектируйте ваши приложения, чтобы избежать этого.

Еще один пример реактивного программирования, но в ECS:

github.com

GitHub - EcsRx/ecsrx: A reactive take on the ECS pattern for .net game developers

A reactive take on the ECS pattern for .net game developers - GitHub - EcsRx/ecsrx: A reactive take on the ECS pattern for .net game developers

Работать с потоками полезно, когда вы оперируете большим количеством данных и вам нужно получать их состояние при изменении. Так же это полезно для реагирования на изменения, к примеру чтобы коэффицент атаки игрока менялся автоматически при изменении здоровья.

Rx полезен, когда мы работаем с UI, но может нанести вред, если мы бездумно будем использовать его везде (как и впринципе со всем, что есть в программировании).

Полезные ссылки для изучения:

github.com

GitHub - neuecc/UniRx: Reactive Extensions for Unity

Reactive Extensions for Unity. Contribute to neuecc/UniRx development by creating an account on GitHub.

appunite.com

Introduction to Reactive Programming in Unity | AppUnite

Bringing the reactive programming world to the Unity game engine with UniRx.

www.loekvandenouweland.com

Reactive programming in Unity with UniRx.

Are you looking for alternatives to events and co-routines in Unity? What if Unity would tell you when someone clicked a controller button instead of having to poll for it in the Game loop update? How about being informed every 500ms as long as a button is held? After reading this, you know how to get a stream of button clicks and update a Unity Text by simply increasing a count integer.

github.com

GitHub - EcsRx/ecsrx: A reactive take on the ECS pattern for .net game developers

A reactive take on the ECS pattern for .net game developers - GitHub - EcsRx/ecsrx: A reactive take on the ECS pattern for .net game developers

А вы пользуетесь реактивными расширениями и для чего? Будет интересно узнать о вашем опыте, в особенности о проблемах Rx в ваших проектах.

Пользуетесь ли вы реактивными расширениями?

Да, использую

Нет, не использую

Не знаю, как это работает

25 комментариев

DroiD

28.08.2022

Выглядит как обычные подписки + timeline. Зачем использование таймлайна в обычных данных таких как хп игрока? Как мы используем эту временную переменную по сравнению с обычной подпиской?

>Что еще умеют потоки?>Помимо рассылки событий - вы можете манипулировать с потоками для фильтрации данных, обрабатывать ошибки и отменять их. Это отличает их от обычных Event-Bus.

И ни слова о том как потоки обрабатывают ошибки. А это единственное отличие от простых ивентовов, которое я увидел из всей статьи. Зачем городить всю эту сложность с таймлайнами если все те же проблемы (связанность кода и отказоустойчивость) решаются обычными подписками на ивенты без таймлайна?

Ответить

Илья Сергеич

Автор

Эвент это эвент. А поток можно использовать как поле класса, с которым можно делать все тем же действия и его значение обновится автоматически и разошлется всем подписчикам. Таким образом поток может быть внутри потока и при обновлении первого - автоматически обновится второй и разошлется всем подписчикам без необходимости делать Invoke события.

Vandallord

Статья хорошая респект.

"LINQ (однако производительность LINQ - это отдельная тема и злоупотреблять им не стоит)."
*надо знать как и где можно использовать, но если разработчик не знает где нужно использовать, то лучше не использовать)

Но тут открываются еще некоторые аспекты, как-то принято говорить что профи используют такой подход, а новички нет, так например часто думают работодатели. Но все наоборот, используют его обычно разработчики "новой волны", а старые разработчики держаться от него по дальше :)

Так с ходу не обдумывая какие проблемы такие эксперименты могут повлечь:
Понижение стабильности проекта
Проблема с компиляцией, или в кое где это вообще может на заработать
Повышение сложности проекта
Увеличивается порог входа для новых разработчиков
Время идет все меняется, может и сейчас что-то поменялось уже)

Это инструмент наверняка полезный, если профессионал знает где и как его использовать.