Zalety programowania prostych gier komputerowych w Javie

Seminarium Dyplomowe
Zalety programowania prostych gier komputerowych w Javie
Paweł Radulski 12-04-2013
Dlaczego Java do tworzenia gier komputerowych?
Java jest jednym z wysokopoziomowych języków programistycznych, który umożliwia
tworzenie dynamicznych i pełnoekranowych gier komputerowych oraz gier przeznaczonych
na urządzenia mobilne jak np.: Smartfony. Java dziedziczy składnię po językach C i C++, co
ułatwia opanowanie tego języka wielu programistom. Język Javy został zaprojektowany do
tworzenia interaktywnych, sieciowych aplikacji. By spełnić wymagania tego typu programów
w Javę wbudowano mechanizmy programowania wielowątkowego, które umozliwiają
wykonywanie wielu zadań jednocześnie. Prosty mechanizm wielowątkowości i niezależność
od różnych konfiguracji komputerowych przemawia za wyborem Javy do tworzenia w niej
aplikacji. Inną zaletą tego języka jest pokaźna ilość "wolno-dostępnych" (ang. open-source)
bibliotek ułatwiających tworzenie zarówno prostych, jak i skomplikowanych aplikacji
graficznych. Nowopowstałe silniki do gier (wspierające tworzenie aplikacji trójwymiarowych)
oraz popularne, zintegrowane środowiska programistyczne jak NetBeans czy Eclipse, w
znacznym stopniu ułatwiają tworzenie prostych gier w tym języku.
Ogólne zalety Javy
W celu lepszego zrozumienia korzyści wyboru Javy do tworzenia gier komputerowych
i mobilnych konieczne jest zrozumienie działania tego języka. Część z nich zostanie pokrótce
opisana.

WIELOPLATFORMOWOŚĆ
Pojawianie się coraz to nowszych systemów operacyjnych i procesorów może
przyczynić się do niepoprawnego funkcjonowania programu, który działał na starszym
sprzęcie komputerowym. W celu uniknięcia tego problemu język Javy został tak
zaprojektowany, by wraz z maszyną wirtualną każdy program mógł zostać poprawnie
uruchomiony na dowolnym komputerze. W Javie kod wynikowy, który powstał jako efekt
kompilacji jest tzw. Beta-kodem. Jest on interpretowany przez maszynę wirtualną Javy
pracującą w określonym środowisku. Oznacza to, że każda aplikacja napisana w Javie jest
niezależna od sprzętu i oprogramowania.

OBIEKTOWOŚĆ
Proces tworzenia gry komputerowej jest złożony i angażuje więcej niż jedną osobę.
Podstawą do wydajnej pracy zespołu nad projektem gry jest czytelne pisanie kodu, który
będzie tworzony i modyfikowany przez różnych programistów (z charakterystyczną dla nich
manierą pisania programów). Obiektowo napisana aplikacja jest zawsze zamknięta w klasie,
co jest pomocne w organizowaniu programu wokół zawartych w nim danych, czyli tak
zwanych obiektów. Pomaga również w określeniu interfejsu dostępu do tych obiektów . Jest
1
to jeden z czynników ułatwiających tworzenie prostych w pielęgnacji systemów
informatycznych, które będą optymalizowane w celu zwiększenia ich wydajności. Takie
podejście jest kluczowe do tworzenia dobrze zoptymalizowanych gier, tworzonych przez
zespół programistów.

TWORZENIE APLIKACJI MOBILNYCH
Możliwość bezproblemowego uruchomienia programów na różnych platformach oraz
popularność Javy w sieci, przyczyniły się do tworzenia różnych aplikacji na urządzeniach
mobilnych. Fakt, że aplikacje rozrywkowe jakimi są gry dominują wśród wszystkich
tworzonych aplikacji sprawia, że Java staje się wyborem wielu programistów tworzących
proste gry.

ODŚMIECACZ PAMIĘCI
Mechanizm ten sprawia, że w Javie nie ma konieczności jawnego usuwania obiektów i
zwalniania po nich pamięci. Natomiast w językach C i C++ wymagane jest ręczne alokowanie i
zwalnianie dynamicznie przydzielonej pamięci. Procedura ta może prowadzić do problemów
takich jak zapominanie zwolnienia zaalokowanej wcześniej pamięci lub nieumyślne
zwolnienie pamięci, która jest jeszcze używana przez inny fragment aplikacji. Java eliminuje
ten problem.

WIELOWĄTKOWOŚĆ
Java zawiera wbudowaną obsługę programowania wielowątkowego, która powoduje
asynchroniczność jej środowiska. Cecha ta pomaga zredukować brak wydajności komputera.
Marnuje się mniejsza liczba cykli procesora, przez co napisane gry działają płynnie i nie
dochodzi do ich wadliwego funkcjonowania. Dodatkowo, programista tworzący aplikacje w
języku Java nie musi martwić się podsystemem wielozadaniowości, a jedynie odpowiednim
zachowaniem programu.
Fundamenty tworzenia gier komputerowych
Niezależnie od stopnia złożoności gry napisanej w Javie, czy też każdym innym języku,
programista lub zespół programistów musi wziąć pod uwagę sześć podstawowych
czynników, które stanowią kwintesencję tworzenia gier. Są to:
1.
2.
3.
4.
Wątki - podział gry na mniejsze podprogramy.
Grafika i Animacja - wizualna prezentacja gry komputerowej.
Interaktywność - możliwość manipulowania obiektami w świecie gry.
Efekty dźwiękowe i muzyka - informowanie gracza o tym, co dzieję się na ekranie
oraz zwiększenie atrakcyjności samej gry.
5. Platformy 2D/3D - tworzenie gry dwuwymiarowej lub trójwymiarowej.
6. Tryb wieloosobowy - możliwość uczestniczenia w grze przez więcej niż jedną osobę.
W celu przybliżenia problematyki i zalet projektowania gier komputerowych w Javie
zostaną omówione trzy pierwsze z wymienionych powyżej czynników.
2
Wątki w Javie
Gra komputerowa jest przykładem programu wielowątkowego, który zazwyczaj
zawiera więcej niż dwie ścieżki wykonania, działające współbieżnie. Każda z tych ścieżek
stanowiących część tego programu nosi nazwę wątku. Przy tworzeniu złożonej aplikacji
graficznej (jaką jest gra komputerowa), Java umożliwia pisanie własnych wątków i
definiowanie ich przepływu działania. Jest to dość ważne zagadnienie, ponieważ w grze
komputerowej często zachodzi potrzeba wykonywania kilku czynności jednocześnie np.:
wyświetlanie obrazków, obsługa użytkownika, czy też cykliczne przesuwanie się obiektów na
planszy w tym samym czasie.
Do tworzenia wątków i organizowania ich zakresu i sposobu działania używa się kilku metod:
METODA KLASY THREAD
ZNACZENIE
getName()
Metoda pobiera nazwę wątku.
getPriority()
Metoda pobiera priorytet wątku.
isAlive()
Metoda sprawdza, czy wątek nadal
działa.
join()
Czas oczekiwania na zakończenie
wątku.
run()
Miejsce
wątku.
sleep()
Zawieszenie działania
określony czas.
start()
Uruchomienie
wątku
wywołanie metody run() .
wait()
Uśpienie wątku do czasu do
momentu
wywołania
metody
notify().
notify()
Budzi wątek, który wywołał metodę
wait() dla tego samego obiektu.
rozpoczęcia
wykonania
wątku
na
przez
Przykład stworzenie wątku:
Thread watek = new Thread();
watek.start();
Samo stworzenie wątku nie odniesie żadnego skutku jeżeli nie zostanie przydzielone
mu zadanie w metodzie run(). Wiele gotowych metod ułatwia wykorzystanie mechanizmu
wielowątkowości przy pisaniu gier komputerowych w Javie. Istnieją trzy podstawowe
możliwości nadania metodzie run() zadań:
1. Rozwinięcie klasy Thread.
2. Implementacja interfejsu Runnable.
3. Użycie wewnętrznych klas anonimowych.
3
Zatem kiedy i w jakich warunkach używać wątków w Javie i na co warto zwrócić uwagę przy
ich stosowaniu?
KIEDY UŻYWAĆ
KIEDY NIE UŻYWAĆ
 Przy ładowaniu wielu plików z
 Kiedy wielowątkowość powoduje
lokalnych systemów plików.
asynchroniczne
działanie
programów.
Wówczas
często
 Przy wykonywaniu jakiejkolwiek
wymagane jest wymuszenie ich
komunikacji sieciowej np.: wysyłanie
synchronizacji.
Synchronizowanie
osiągniętego wyniku przez gracza do
kodu (mechanizm umożliwiający
serwera.
spójne wykonanie wybranego ciągu
 Przy wykonywaniu dużych obliczeń
instrukcji) może prowadzić do wielu
np.: generowanie terenów w grze.
niepotrzebnych opóźnień pracy gry.
 Kiedy „wróg” jako postać w grze (lub
jego niepełny obraz) może pojawić
się w połowie operacji rysowania
(tymczasowa duplikacja obiektu
graficznego).
 Kiedy efekt zakleszczenia (ang.
deadlock) może być odpowiedzialny
za nierówny stan pracy gry.
Grafika i Animacja
Wyróżnia się trzy typy graficzne gier w Javie:
1. Gra apletowa - głównie zastosowana w przeglądarkach internetowych.
Charakterystyką tego typu gier jest to, że nie jest grą złożoną i gracz nie może
wykonać pewnych podstawowych czynności jak np. zapisać swój stan gry.
2. Gra okienkowa - aplikacja, która jest widoczna w okienku z wszystkimi elementami
interfejsu pulpitu jak również elementami okienka, np.: pasek tytułu, pasek menu.
3. Gra pełnoekranowa -gracz ma pełną kontrolę nad jej wizualną prezentacją. Gra która
jest pozbawiona zbędnych elementów interfejsu pulpitu użytkownika.
Trzy obiekty potrzebne do przejścia w tryb graficzny pełnoekranowy:
1. Obiekt klasy Window – stanowi swego rodzaju "płótno", na którym powstaje
graficzna część gry. Tworzy najwyższy poziom klasy okna, które działa bezpośrednio
na pulpicie.
2. Obiekt klasy DisplayMode – jest odpowiedzialny za rozdzielczość, głębię bitową i
tempo odświeżania ekranu.
3. Obiekt klasy GraphicsDevice – jest odpowiedzialny za zmianę trybu wyświetlania oraz
wgląd na właściwości wyświetlania. Pełni on rolę Interfejsu do karty graficznej.
4
Obrazy podlegające akceleracji sprzętowej są zazwyczaj przechowywane w pamięci
karty graficznej, rzadziej w pamięci systemu. Java automatycznie stara się wykorzystać
akcelerację sprzętową grafiki poprzez zestaw dostępnych narzędzi np.: getImage().
Możliwość „przyśpieszenia” przetwarzania obrazu zależy zarówno od systemu operacyjnego,
jak typu grafiki. W Javie można „wymusić”, by dana grafika znajdowała się w pamięci karty
graficznej poprzez użycie „niestabilnych obrazów” (ang. VolatileImages). W sytuacji gdy
dana grafika nie może zostać obsłużona przez kartę graficzną Java generuję odpowiedni
komunikat informujący osobę programującą.
Przykład:
createVolatileImage(int w, int h) - użycie metody Component
createCompatibleVolatileImage(int w, int h) – użycie metody GraphicConfiguration
W kwestii tworzenia animacji w grze, programista zawsze powinien przewidzieć
rozwiązanie, które będzie najwydajniejsze z jak najmniejszym obciążeniem zasobów
komputera. Przy tworzeniu prostych gier komputerowych można wykorzystać dwie metody
do wyświetlania obrazu. Pierwsza to Double buffer, która zapewnia poprzez kartę graficzną
płynne wyświetlanie kolejnych obrazów, a każda kolejna klatka jest już wcześniej tworzona w
jej pamięci. Druga metoda to Page flipping. W metodzie tej wykorzystywane są wskaźniki
karty graficznej, które są jej adresem w pamięci. Wskaźnik informuje kartę graficzną gdzie
należy szukać treść graficzną i gdzie ona ma być odświeżana w następnym cyklu odświeżania.
W Javie można również wykorzystać gotową już klasę BufferStrategy(), która
sprawdza możliwości sprzętu komputerowego i wykorzystuje najwydajniejszą metodę do
wyświetlania obrazu na monitorze.
Interaktywność
Zadaniem interaktywności jest odbiór informacji i reagowanie na nią. Za prosty
przykład w grze komputerowej może posłużyć obiekt w postaci trójkąta, będący imitacją np.
statku kosmicznego, którym można poruszać się w dowolną stronę po wciśnięciu
odpowiedniego klawisza. Podstawowym pośrednikiem pomiędzy grą komputerową, a
graczem jest klawiatura i myszka.
Przy tworzeniu interaktywności w prostych grach napisanych w Javie, może posłużyć
standardowy zestaw narzędzi modelu zdarzeń Abstract Window Toolkit. AWT to pakiet
zawierający niezależny od platformy systemowej zestaw klas do projektowania aplikacji w
środowisku graficznym jakim jest np.: gra. Jednym z podstawowych interfejsów jest interfejs
KeyListener(). Definiuje on trzy metody. Metody keyPressed() i keyReleased() są
wywoływane w momencie, w którym klawisz jest odpowiednio naciskany i zwalniany.
Metoda keyTyped () jest wywoływana wtedy, gdy na klawiaturze wpisano znak. Brak
interaktywności w grze można porównać do gry w szachy, gdzie pionki zostały przyklejone do
szachownicy, co w rezultacie uniemożliwia wykonywanie jakiegokolwiek ruchu przez gracza.
5
Podsumowanie
Pisanie gier komputerowych jest złożonym procesem, który zazwyczaj angażuje
zespół ludzi z różnymi kwalifikacjami. Języki programowania trzeciej generacji, znacznie
ułatwiają pracę przy tworzeniu gier komputerowych. W przypadku Javy, możliwości jakie
oferują bogate biblioteki z pokaźnym zestawem narzędzi, znacznie ułatwiają pracę
programisty.
6