M

MLOG

日本語

ゲームの状態管理のための有限ステートマシン（FSM）の詳細ガイド。堅牢なゲーム開発のための実装、最適化、高度なテクニックを学びます。

ゲームの状態管理：有限ステートマシン（FSM）をマスターする

ゲーム開発の世界では、魅力的で予測可能な体験を生み出すために、ゲームの状態を効果的に管理することが不可欠です。これを達成するために最も広く使用されている基本的なテクニックの1つが有限ステートマシン（FSM）です。この包括的なガイドでは、FSMの概念を深く掘り下げ、その利点、実装の詳細、およびゲーム開発における高度な応用について探ります。

有限ステートマシンとは？

有限ステートマシンは、有限個の状態のいずれかにあることができるシステムを記述する計算の数学的モデルです。システムは、外部入力や内部イベントに応じてこれらの状態間を遷移します。簡単に言うと、FSMはエンティティ（例：キャラクター、オブジェクト、ゲーム自体）の可能な状態のセットと、エンティティがこれらの状態間をどのように移動するかを規定するルールを定義できるデザインパターンです。

単純な照明のスイッチを考えてみてください。それにはONとOFFの2つの状態があります。スイッチを入れる（入力）と、一方の状態からもう一方の状態への遷移が起こります。これがFSMの基本的な例です。

なぜゲーム開発で有限ステートマシンを使用するのか？

FSMはゲーム開発においていくつかの重要な利点を提供し、ゲームの振る舞いの様々な側面を管理するための人気のある選択肢となっています：

有限ステートマシンの基本コンポーネント

すべてのFSMは、以下のコアコンポーネントで構成されています：

有限ステートマシンの実装

コードでFSMを実装するにはいくつかの方法があります。最も一般的なアプローチには次のものがあります：

1. EnumとSwitch文の使用

これは、特に基本的なFSMにとって、シンプルで直接的なアプローチです。異なるステートを表すためにenumを定義し、switch文を使用して各ステートのロジックを処理します。

例（C#）：


public enum CharacterState {
    Idle,       // 待機
    Walking,    // 歩行
    Running,    // 走行
    Jumping,    // ジャンプ
    Attacking   // 攻撃
}

public class CharacterController : MonoBehaviour {
    public CharacterState currentState = CharacterState.Idle;

    void Update() {
        switch (currentState) {
            case CharacterState.Idle:
                HandleIdleState();
                break;
            case CharacterState.Walking:
                HandleWalkingState();
                break;
            case CharacterState.Running:
                HandleRunningState();
                break;
            case CharacterState.Jumping:
                HandleJumpingState();
                break;
            case CharacterState.Attacking:
                HandleAttackingState();
                break;
            default:
                Debug.LogError("Invalid state!");
                break;
        }
    }

    void HandleIdleState() {
        // アイドル状態のロジック
        if (Input.GetKey(KeyCode.W) || Input.GetKey(KeyCode.A) || Input.GetKey(KeyCode.S) || Input.GetKey(KeyCode.D)) {
            currentState = CharacterState.Walking;
        }
    }

    void HandleWalkingState() {
        // 歩行状態のロジック
        // shiftキーが押されたら走行状態に遷移
        if (Input.GetKey(KeyCode.LeftShift)) {
            currentState = CharacterState.Running;
        }
        // 移動キーが押されていなければアイドル状態に遷移
        if (!Input.GetKey(KeyCode.W) && !Input.GetKey(KeyCode.A) && !Input.GetKey(KeyCode.S) && !Input.GetKey(KeyCode.D)) {
            currentState = CharacterState.Idle;
        }
    }

    void HandleRunningState() {
        // 走行状態のロジック
        // shiftキーが離されたら歩行状態に戻る
        if (!Input.GetKey(KeyCode.LeftShift)) {
            currentState = CharacterState.Walking;
        }
    }

    void HandleJumpingState() {
        // ジャンプ状態のロジック
        // 着地後、アイドル状態に戻る
    }

    void HandleAttackingState() {
        // 攻撃状態のロジック
        // 攻撃アニメーション後、アイドル状態に戻る
    }
}

長所：

短所：

2. ステートクラス階層の使用

このアプローチは、継承を利用してベースとなるStateクラスと各特定のステートのサブクラスを定義します。各ステートのサブクラスはそのステートのロジックをカプセル化し、コードをより整理され、保守しやすくします。

例（C#）：


public abstract class State {
    public abstract void Enter();
    public abstract void Execute();
    public abstract void Exit();
}

public class IdleState : State {
    private CharacterController characterController;

    public IdleState(CharacterController characterController) {
        this.characterController = characterController;
    }

    public override void Enter() {
        Debug.Log("Entering Idle State");
    }

    public override void Execute() {
        // アイドル状態のロジック
        if (Input.GetKey(KeyCode.W) || Input.GetKey(KeyCode.A) || Input.GetKey(KeyCode.S) || Input.GetKey(KeyCode.D)) {
            characterController.ChangeState(new WalkingState(characterController));
        }
    }

    public override void Exit() {
        Debug.Log("Exiting Idle State");
    }
}

public class WalkingState : State {
    private CharacterController characterController;

    public WalkingState(CharacterController characterController) {
        this.characterController = characterController;
    }

    public override void Enter() {
        Debug.Log("Entering Walking State");
    }

    public override void Execute() {
        // 歩行状態のロジック
        // shiftキーが押されたら走行状態に遷移
        if (Input.GetKey(KeyCode.LeftShift)) {
            characterController.ChangeState(new RunningState(characterController));
        }
        // 移動キーが押されていなければアイドル状態に遷移
        if (!Input.GetKey(KeyCode.W) && !Input.GetKey(KeyCode.A) && !Input.GetKey(KeyCode.S) && !Input.GetKey(KeyCode.D)) {
            characterController.ChangeState(new IdleState(characterController));
        }
    }

    public override void Exit() {
        Debug.Log("Exiting Walking State");
    }
}

// ... (RunningState, JumpingState, AttackingStateのような他のステートクラス)

public class CharacterController : MonoBehaviour {
    private State currentState;

    void Start() {
        currentState = new IdleState(this);
        currentState.Enter();
    }

    void Update() {
        currentState.Execute();
    }

    public void ChangeState(State newState) {
        currentState.Exit();
        currentState = newState;
        currentState.Enter();
    }
}

長所：

短所：

3. ステートマシンアセットの使用（ビジュアルスクリプティング）

視覚的な学習者やノードベースのアプローチを好む人向けに、UnityやUnreal Engineのようなゲームエンジンで利用可能なステートマシンアセットがいくつかあります。これらのアセットは、ステートマシンを作成および管理するためのビジュアルエディタを提供し、ステートと遷移を定義するプロセスを簡素化します。

例：

これらのツールは、開発者がコードを一行も書かずに複雑なFSMを作成できることが多く、デザイナーやアーティストにも利用しやすくなっています。

長所：

短所：

高度なテクニックと考慮事項

階層型ステートマシン（HSM）

階層型ステートマシンは、ステートがネストされたサブステートを含むことを許可することで、基本的なFSMの概念を拡張します。これによりステートの階層が作成され、親ステートがその子ステートの共通の振る舞いをカプセル化できます。これは、共通のロジックを持つ複雑な振る舞いを管理するのに特に役立ちます。

例えば、キャラクターには一般的な戦闘（COMBAT）ステートがあり、その中に攻撃（ATTACKING）、防御（DEFENDING）、回避（EVADING）といったサブステートが含まれることがあります。戦闘ステートに遷移すると、キャラクターはデフォルトのサブステート（例：攻撃）に入ります。サブステート内の遷移は独立して発生し、親ステートからの遷移はすべてのサブステートに影響を与えることができます。

HSMの利点：

ステートデザインパターン

コードの品質と保守性を向上させるために、FSMと組み合わせて使用できるいくつかのデザインパターンがあります：

グローバルステートの処理

場合によっては、複数のエンティティやシステムに影響を与えるグローバルなゲームの状態を管理する必要があります。これは、ゲーム自体に別のステートマシンを作成するか、異なるFSMの振る舞いを調整するグローバルなステートマネージャーを使用することで達成できます。

例えば、グローバルなゲームのステートマシンには、ローディング、メニュー、ゲーム中、ゲームオーバーのようなステートがあるかもしれません。これらのステート間の遷移は、ゲームアセットの読み込み、メインメニューの表示、新しいゲームの開始、ゲームオーバー画面の表示など、対応するアクションをトリガーします。

パフォーマンス最適化

FSMは一般的に効率的ですが、特に多数のステートと遷移を持つ複雑なステートマシンでは、パフォーマンスの最適化を考慮することが重要です。

イベント駆動型アーキテクチャ

FSMをイベント駆動型アーキテクチャと統合することで、システムの柔軟性と応答性を高めることができます。入力や条件を直接照会する代わりに、ステートは特定のイベントを購読し、それに応じて反応することができます。

例えば、キャラクターのステートマシンは、「体力変化」「敵検出」「ボタンクリック」のようなイベントを購読するかもしれません。これらのイベントが発生すると、ステートマシンは負傷、攻撃、対話などの適切なステートへの遷移をトリガーできます。

さまざまなゲームジャンルにおけるFSM

FSMは幅広いゲームジャンルに適用可能です。以下にいくつかの例を挙げます：

有限ステートマシンの代替案

FSMは強力なツールですが、すべての問題に対して常に最適な解決策であるとは限りません。ゲームの状態管理への代替アプローチには次のものがあります：

どのテクニックを使用するかの選択は、ゲームの特定の要件と管理対象の振る舞いの複雑さによります。

人気ゲームでの例

すべてのゲームの正確な実装詳細を知ることは不可能ですが、FSMまたはその派生形は多くの人気タイトルで広く使用されている可能性が高いです。以下にいくつかの潜在的な例を挙げます：

有限ステートマシンを使用するためのベストプラクティス

まとめ

有限ステートマシンは、ゲームの状態管理のための基本的で強力なツールです。基本概念と実装テクニックを理解することで、より堅牢で、予測可能で、保守しやすいゲームシステムを作成できます。あなたがベテランのゲーム開発者であれ、始めたばかりであれ、FSMをマスターすることは、複雑なゲームの振る舞いを設計し実装する能力を大幅に向上させるでしょう。

あなたの特定のニーズに合った正しい実装アプローチを選択することを忘れずに、階層型ステートマシンやイベント駆動型アーキテクチャのような高度なテクニックを探求することを恐れないでください。練習と実験を重ねることで、FSMの力を活用して、魅力的で没入感のあるゲーム体験を創り出すことができます。

ゲームの状態管理：有限ステートマシン（FSM）をマスターする | MLOG