251109 用Godot实现的行为树

简介

行为树是一种用来表达与实现复杂行为的工具，它具有以下特征：

行为树一定得是树：由节点和边构建，节点之间不存在闭环；假设下图的虚线真的连上了，它就不再是树了。
叶子节点代表可执行的行为：叶子节点是没有子节点的节点，是根节点之外的只有一条边的节点；它代表一个具体的行为，执行该行为后需要返回执行状态（成功、失败、运行中……）
非叶子节点控制树的遍历：内部节点根据子节点返回的状态，根据一定规则确定下一个执行的节点，返回自己的执行状态。

行为树

在游戏中，我们常用行为树制作NPC的AI，自机角色的控制也可通过行为树构建。

概念

流程

行为树执行一个节点可能返回三种基本状态：成功、失败和运行中。当前没有运行中的节点时，行为树的执行是从根节点开始的，根据一定规则遍历树中的节点，直到遇到运行中的节点；当前存在运行中的节点时，行为树就直接执行该节点，直到它执行结束。

此外，行为树可能出现运行中的节点被打断的操作。

想象一下这样的场景：一个太刀侠打出了登龙（气刃兜割），正在半空中迅速下坠，直到落地都无法做出其它任何行动；与此同时，另外一边，怪物使用了一个强而有力的技能击杀了太刀侠。

正常情况下，太刀侠应该会立刻停止登龙，进入战败CG；但如果这个行为树没考虑打断，太刀侠还会继续登龙直到落地，很壮烈但毕竟不合常理。

因此，打断往往也是设计行为树需要考虑的点。

节点

行为树有以下几种基本节点：

选择节点：顺序执行自己的子节点，遇到执行成功的节点时，停止继续往后执行子节点，自身返回成功；若子节点全部执行失败，则返回失败。
序列节点：顺序执行自己的子节点，遇到执行失败的节点时，停止继续往后执行子节点，自身返回失败；若子节点全部执行成功，则返回成功。
执行节点：可以分为仅返回成功、失败的条件节点与可能返回运行中的动作节点。一般来说，前者用于执行简单的判断，后者用于执行复杂的行动。不过笔者认为无需如此细分，至少不应被名称限制，认为任何实际行动都要通过动作节点执行，不能放在条件节点里，很快就能看到相关例子了。

此外，还有一些节点可能会为构建行为树带来便利：

装饰节点：有且仅有一个子节点，可以根据一定条件决定是否执行子节点，类似于序列节点与条件节点的组合，如下图所示；也可以对子节点的执行状态进行修饰，例如取反。
并行节点：允许多个子节点同时运行，根据子节点的运行结果决定自身的运行状态。

实现

最近笔者正在探索Godot，发现屏幕左侧的场景树居然是树状结构，树中的节点还能不包含空间信息；右侧的检查器窗口与树结构分离开，用于编辑数据十分清晰简洁，天然适合作为行为树的图形化编辑界面，故使用 Godot 4.4.1 Mono版本实现行为树。

节点的基类

using Godot;

namespace BehaviorTree;

[GlobalClass]
public abstract partial class BTNode : Node
{
    public State CurrentState { get; private set; }

    public enum State
    {
        Aborted,
        Running,
        Success,
        Failure,
    }

    public void Tick(double delta)
    {
        if (CurrentState != State.Running) OnEnter();
        CurrentState = Process(delta);
        if (CurrentState != State.Running) OnExit();
    }

    public virtual bool Abort(AbortInfo info)
    {
        CurrentState = State.Aborted;
        return true;
    }

    public virtual void Input(InputEvent input) { }

    protected abstract State Process(double delta);

    public virtual void Init() { }

    protected virtual void OnEnter() { }

    protected virtual void OnExit() { }
}

选择节点

using Godot;

namespace BehaviorTree;

[GlobalClass]
public partial class BTSelectNode : BTCompositeNode
{
    protected override State Process(double delta)
    {
        int idx = 0;
        for (int i = 0; i < BTChildren.Length; i++)
            if (BTChildren[i].CurrentState == State.Running)
            {
                idx = i;
                break;
            }

        for (int i = idx; i < BTChildren.Length; i++)
        {
            var node = BTChildren[i];
            node.Tick(delta);
            if (node.CurrentState != State.Failure) return node.CurrentState;
        }

        return State.Failure;
    }
}

序列节点

using Godot;

namespace BehaviorTree;

[GlobalClass]
public partial class BTSequenceNode : BTCompositeNode
{
    protected override State Process(double delta)
    {
        int idx = 0;
        for (int i = 0; i < BTChildren.Length; i++)
            if (BTChildren[i].CurrentState == State.Running)
            {
                idx = i;
                break;
            }

        for (int i = idx; i < BTChildren.Length; i++)
        {
            var node = BTChildren[i];
            node.Tick(delta);
            if (node.CurrentState != State.Success) return node.CurrentState;
        }

        return State.Success;
    }
}

装饰节点基类

using Godot;

namespace BehaviorTree;

[GlobalClass]
public abstract partial class BTDecorator : BTNode
{
    protected BTNode BTChild { get; private set; }

    public override void Init()
    {
        base.Init();

        BTChild = GetChild<BTNode>(0);
    }

    public override bool Abort(AbortInfo info)
    {
        if (BTChild.CurrentState == State.Running && BTChild.Abort(info)) return base.Abort(info);
        return false;
    }
}

条件节点基类

using Godot;

namespace BehaviorTree;

[GlobalClass]
public abstract partial class BTConditionNode : BTNode
{
    protected abstract bool Meets();

    protected sealed override State Process(double delta) => Meets() ? State.Success : State.Failure;
}