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C++游戏开发实战：从引擎架构到物理碰撞

article 2025/2/4 2:48:49

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1. 引言

C++ 是游戏开发中最受欢迎的编程语言之一，因其高性能、低延迟和强大的底层控制能力，被广泛用于游戏引擎、物理计算、图形渲染、AI 逻辑等。本教程将带你从 C++ 基础到高级游戏开发，包括 游戏引擎架构、2D/3D 渲染、物理碰撞、AI 角色控制 等，并通过一个 简易 2D 物理引擎 进行实战演练。

2. C++ 游戏开发基础

2.1 游戏开发涉及的关键技术

模块	技术
游戏引擎	Unreal Engine, Unity (C++ 插件), 自研引擎
图形渲染	OpenGL, DirectX, Vulkan
物理引擎	Box2D, Bullet, PhysX
音频处理	OpenAL, FMOD, Wwise
人工智能	FSM, A* 路径寻路, 机器学习
网络通信	TCP/UDP, WebSockets, gRPC
脚本支持	Lua, Python, JavaScript 绑定

2.2 选择开发环境

编译器：GCC、Clang、MSVC（Visual Studio）
开发环境：Visual Studio, CMake + CLion
调试工具：GDB, Visual Studio Debugger
代码管理：Git + GitHub/GitLab

示例：CMake 构建游戏项目

cmake_minimum_required(VERSION 3.10)
project(MyGame)
set(CMAKE_CXX_STANDARD 17)
add_executable(MyGame main.cpp)

3. 游戏引擎架构设计

3.1 游戏引擎的核心组件

+---------------------------------+
| Game Loop (游戏主循环)         |
+---------------------------------+
| Physics Engine (物理引擎)      |
| Graphics Engine (图形引擎)      |
| Audio Engine (音频引擎)         |
| AI System (AI 系统)            |
+---------------------------------+
| Input System (输入系统)        |
| Network System (网络系统)      |
+---------------------------------+

3.2 游戏主循环（Game Loop）

while (running) {
    processInput();  // 处理输入
    update();        // 逻辑更新
    render();        // 渲染画面
}

4. 2D 游戏开发：精灵渲染

4.1 使用 SFML 进行 2D 游戏开发

SFML（Simple and Fast Multimedia Library）是一个轻量级的 2D 游戏框架。

安装 SFML

sudo apt install libsfml-dev  # Linux
vcpkg install sfml            # Windows

绘制精灵

#include <SFML/Graphics.hpp>

int main() {
    sf::RenderWindow window(sf::VideoMode(800, 600), "2D Game");
    sf::Texture texture;
    texture.loadFromFile("player.png");
    sf::Sprite player(texture);

    while (window.isOpen()) {
        sf::Event event;
        while (window.pollEvent(event)) {
            if (event.type == sf::Event::Closed)
                window.close();
        }
        window.clear();
        window.draw(player);
        window.display();
    }
    return 0;
}

5. 3D 游戏开发：OpenGL 渲染

5.1 OpenGL 初始化

#include <GL/glew.h>
#include <GLFW/glfw3.h>

int main() {
    glfwInit();
    GLFWwindow* window = glfwCreateWindow(800, 600, "OpenGL Game", NULL, NULL);
    glfwMakeContextCurrent(window);
    glewInit();

    while (!glfwWindowShouldClose(window)) {
        glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
        glfwSwapBuffers(window);
        glfwPollEvents();
    }

    glfwTerminate();
    return 0;
}

5.2 加载 3D 模型

#include <assimp/Importer.hpp>
#include <assimp/scene.h>
#include <assimp/postprocess.h>

void loadModel(const std::string& path) {
    Assimp::Importer importer;
    const aiScene* scene = importer.ReadFile(path, aiProcess_Triangulate);
    if (!scene) {
        std::cerr << "Failed to load model!" << std::endl;
    }
}

6. 物理碰撞检测

6.1 2D 物理引擎（AABB 碰撞检测）

struct Box {
    float x, y, width, height;
};

bool isColliding(Box a, Box b) {
    return (a.x < b.x + b.width && a.x + a.width > b.x &&
            a.y < b.y + b.height && a.y + a.height > b.y);
}

7. 游戏 AI：A 路径寻路*

A* 是常见的路径规划算法，适用于 NPC 移动。

示例：A 算法*

struct Node {
    int x, y, gCost, hCost;
    Node* parent;
    int getFCost() { return gCost + hCost; }
};

8. 网络同步（多人联机）

8.1 TCP 服务器

#include <iostream>
#include <boost/asio.hpp>

using namespace boost::asio;
io_service service;

void handleClient(ip::tcp::socket& socket) {
    char data[512];
    socket.read_some(buffer(data));
    std::cout << "Received: " << data << std::endl;
}

int main() {
    ip::tcp::acceptor acceptor(service, ip::tcp::endpoint(ip::tcp::v4(), 12345));
    ip::tcp::socket socket(service);
    acceptor.accept(socket);
    handleClient(socket);
}