Design Patterns in Game Development

PublishDate: 2025-06-01 | CreateDate: 2025-06-01 | LastModify: 2025-06-01 | Creator：ljf12825

游戏开发中，设计模式是组织代码、提升可维护性、扩展性和复用性的基础工具。尤其是大型游戏项目或使用Unity、Unreal等引擎开发时，恰当使用设计模式能显著提高架构质量

基于Gof23种设计模式，常用于游戏开发的设计模式有以下几种：

分类	模式	用途
创建型	Singleton（单例）	管理全局状态（如 GameManager、AudioManager）
	Factory Method（工厂方法）	创建敌人、道具、技能等实例
	Prototype（原型）	克隆预制体、生成技能副本等
	Object Pool（对象池）	管理大量频繁生成/销毁的对象（子弹、特效）
结构型	Component（组件）	Unity核心模式（基于组合而非继承）
	Decorator（装饰器）	给技能、Buff添加额外效果
	Flyweight（享元）	减少内存（如重复使用同一 Mesh、材质）
行为型	State（状态机）	角色状态切换（Idle、Run、Jump、Attack）
	Observer（观察者）	UI监听角色属性变化、事件派发系统
	Command（命令）	实现撤销/重做、输入缓存、动作序列
	Strategy（策略）	多种AI行为切换，技能释放策略等
	EventBus（事件总线）	解耦不同系统的事件通信（如成就、音效）
	Mediator（中介者）	管理复杂交互系统（UI面板交互）
	Visitor（访问者）	用于遍历不同 GameObject 执行操作（如保存、统计）

Unity中常用的设计模式

Singleton 单例模式

单例模式用于确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点

用途：管理全局对象，如AudioManager、UIManager、GameManager

单例模式的核心思想：确保一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局方式\

典型结构

public class GameManager
{
    private static GameManager _instance;
    public static GameManager Instance
    {
        get
        {
            if (_instance == null)
                _instance = new GameManager();
            
            return _instance;
        }
    }

    private GameManager() {} // 私有构造

    public void StartGame()
    {
        // 游戏启动逻辑
    }
}

典型用途

游戏管理器（GameManager）控制游戏状态（开始、暂停、结束、重启等）

GameManager.Instance.StartGame();

音效管理器（AudioManager）

AudioManager.Instance.PlaySound("Explosion");

资源管理器（ResourceManager）加载资源（Prefab、音效、贴图等），避免重复加载

var bullet = ResourceManager.Instance.LoadPrefab("Bullet");

UI管理器（UIManager）打开、关闭UI界面，维护UI栈

UIManager.Instance.ShowPanel("MainMenu");

输入管理器（InputManager）统一收集和管理玩家输入，避免在多个地方监听
配置表管理器（ConfigManager）统一读取CSV/JSON配置数据

Unity中的单例实现

在Unity中，单例类一般继承自MonoBehaviour，并用DontDestroyOnLoad保持在多个场景中持久存在

public class GameManager : MonoBehaviour
{
    public static GameManager Instance { get; private set; }

    private void Awake()
    {
        if (Instance != null && Instance != this)
        {
            Destroy(gameObject);
            return;
        }

        Instance = this;
        DontDestroyOnLoad(gameObject);
    }

    public void StartGame() { ... }
}

将其拖到场景中的一个空物体上就可以使用了

如果不想拖脚本，可以实现自动创建

public class GameManager : MonoBehaviour
{
    private static GameManager _instance;
    public static GameManager Instance;
    {
        get
        {
            if (_instance == null)
            {
                // 查找场景中是否存在
                _instance = FindObjectOfType<GameManager>();

                // 如果没有，创建一个新的GameObject挂上它
                if (_instance == null)
                {
                    GameObject obj = new GameObject("GameManager");
                    _instance = obj.AddComponent<GameManager>();
                    DontDestroyOnLoad(obj);
                }
            }
            return _instance;
        }
    }

    private void Awake()
    {
        // 防止重复
        if (_instance == null)
        {
            _instance = this;
            DontDestroyOnLoad(gameObject);
        }
        else if (_instance != this) Destroy(gameObject);
    }
}

单例模式的特点

优点

全局访问：任何脚本都能方便地访问
数据共享：多个系统共享同一份数据，如游戏状态、资源
节省资源：避免多次实例化相同管理器
逻辑集中：将一类功能集中处理，方便维护

缺点

隐藏依赖：使用单例模式可能让类间依赖不明显，降低可读性
生命周期管理难：尤其在Unity中，切换场景可能出现多实例、空引用等问题
难以测试：单例可能使单元测试变得困难（不可隔离、难模拟）
违背面向对象原则：单例是全局状态，本质上是一种全局变量。过度依赖会让程序耦合严重

改进建议

使用懒汉式 vs 饿汉式

懒汉式（Lazy）：只有第一次访问时才创建实例
饿汉式（Eager）：程序启动时立即创建

使用接口隔离将单例隐藏在接口后面，便于替换和测试

public interface IAudioManager
{
    void PlaySound(string name);
}

使用依赖注入容器如Zenject、Extenject等

ObjectPool 对象池

用途：频繁生成/销毁对象如子弹、粒子效果，减少GC ObjectPooling

State 状态机模式

用途：角色状态管理

public interface IState
{
    void Ender();
    void Execute();
    void Exit();
}

public class IdleState : IState { ... }
public class RunState : IState { ... }

public class StateMechine
{
    private IState currentState;

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

    public void Update() => currentState?.Execute();
}

Observer 观察者模式

用途：事件通知系统、属性变化通知UI

public class Health : MonoBehaviour
{
    public Action<int> OnHealtChanged;
    private int hp;

    public void SetHP(int value)
    {
        hp = value;
        OnHealthChanged?.Invoke(hp);
    }
}

Strategy 策略模式

用途：定义不同行为策略（如攻击方式、AI逻辑）

public interface IAttackStrategy
{
    void Attack();
}

public class MeleeAttack : IAttackStrategy { ... }
public class RangedAttack : IAttackStrategy { ... }

public class Character
{
    public IAttackStrategy attackStrategy;
    public void PerformAttack() => attackStrategy.Attack();
}

Command 命令模式

用途：实现撤销、按键映射、行为记录

public interface ICommand
{
    void Execute();
    void Undo();
}

public class MoveCommand : ICommand { ... }

public class InputHandler
{
    Stack<ICommand> history = new Stack<ICommand>();
    public void HandleInput()
    {
        ICommand cmd = new MoveCommand();
        cmd.Execute();
        history.Push(cmd);
    }

    public void Undo() => history.Pop().Undo();
}

EventBus 事件总线

用途：各个系统之间通信解耦

public static class EventBus
{
    public static event Action OnLevelComplete;
    public static void LevelComplete() => OnLevelComplete?.Invoke();
}

Unity自带的设计模式

系统	使用的设计模式
GameObject + Component	Component 模式
ScriptableObject	数据驱动、配置注入
Coroutine	类似状态机/命令模式
Animator Controller	状态机（FSM）
Input System	命令模式、策略模式
UI System（事件系统）	观察者模式、命令模式

推荐书籍：《游戏编程模式》 Game Programming Patterns