Cocos2d-xの深層　Cocos2d-x組み込みによるピュアAndroid/iOSアプリの外科手術的統合

Copyright © GREE, Inc. All Rights Reserved. Cocos2d-xの深層 2016/08/24 @
CEDEC 2016 久富木隆一 (KUBUKI Ryuichi) Cocos2d-x組み込みによるピュアAndroid/iOSアプリの外科手術的統合

Copyright © GREE, Inc. All Rights Reserved. 本日お話する内容 2 1.
自己紹介 2. 前提の共有: Cocos2d-xとは何か 3. Android/iOSクライアント統合という問題 - 2-1. 問題の状況と目指すべきゴール - 2-2. 統合案の検討と採用案 4. Cocos2d-x組み込みによるクライアント統合 - 3-1. Android/iOSアプリの構造 - 3-2. Cocos2d-xのAndroid/iOS実装の構造 - 3-3. Cocos2d-x組み込みの技術的詳細 - 3-4. これからのCocos2d-x 5. 総括

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久富木隆一 (KUBUKI Ryuichi) • グリー株式会社 • West Game事業本部 GREE International Entertainment(米国サンフランシスコ)等、海外ゲーム事業を担当

Copyright © GREE, Inc. All Rights Reserved. 自己紹介 4 Crime
City • Android / iOS • 2011- • Over tens of millions download globally Modern War • Android / iOS • 2011- • Over tens of millions download globally

Copyright © GREE, Inc. All Rights Reserved. 自己紹介 5 •
久富木隆一 (KUBUKI Ryuichi) Twitter: @ryukbk 『ゲームアプリの数学 Unityで学ぶ基礎からシェーダーまで』 (SBクリエイティブ刊) • リアルタイム3Dグラフィックスを成り立たせている数学要素をUnityサンプルプロジェクト付きで解説 • OpenGL ESレンダリングパイプラインやGPUアーキテクチャー、モバイル向け最適化も紹介

Copyright © GREE, Inc. All Rights Reserved. Cocos2d-xとは何か 6 •
Cocos2d • iOS向けの2Dゲームエンジン(Objective-C, Ricardo Quesada, 2008) • Cocos2d-x • Cocos2dのAPIを保持しつつ Android/Windows向けに移植(C++, Zhe Wang, 2010) • Cocos2d-xの現在 • Cocos2d作者も合流した主流となり、APIを独自発展。中国Chukong Technologiesを主な支援者としてオープンソース開発中

Copyright © GREE, Inc. All Rights Reserved. Cocos2d-xとは何か 7 •
Cocos2d-xは完全にオープンソース • Unityは完全にオープンソースではない • Cocos2d-xは完全無料 • Unity、Unreal Engineは有料メリットデメリット • Cocos2d-xにはベンダーサポートはない(コミュニティはある) • 3Dや開発環境など発展途上

Copyright © GREE, Inc. All Rights Reserved. Android/iOSクライアント統合という問題 8 Crime
City • Android / iOS • 2011- Modern War • Android / iOS • 2011- • iOS/Androidクライアントを、別々のチームがそれぞれ独立して開発(ピュアObj-C/Java) • 通信するサーバー、スタティックデータ(マスターデータ)は共通 • それ以外(ビュー/UI、ロジック)は全てプラットフォーム別に独自実装状況把握

Copyright © GREE, Inc. All Rights Reserved. Android/iOSクライアント統合という問題 9 •
問題1: 同じゲームの複数の実装 • 車輪の再発明 • Android/iOS開発者が別個にいるためヘッドカウントが2倍 • Android/iOS実装間での見た目や挙動の差異

問題2: データ駆動ではないデザインパイプライン • エンジニアがUIやアニメーションの調整を実施 • エンジニアがステート遷移をコードで実装 • スタティックデータの変更以外エンジニアの助力なしに行えない

問題3: 将来にわたって安心(future- proof)ではないレガシーアーキテクチャー • 描画がOpenGL ES 1.1に留まる • 新OSバージョンへの対応コスト • 3D、パーティクル、物理、AIなどゲームデザインに影響を与える技術要素の追加困難 • Objective-CはSwiftに取って代わられる • 開発者を探しにくい

Copyright © GREE, Inc. All Rights Reserved. Android/iOSクライアント統合という問題 12 1.
同じゲームの複数の実装 2. データ駆動ではないデザインパイプライン 3. 将来にわたって安心 (future-proof)ではないレガシーアーキテクチャー問題

Copyright © GREE, Inc. All Rights Reserved. Android/iOSクライアント統合という問題 13 よし、Android/iOSで
分かれているクライアントを1つに統合しよう! 結論

単一の実装への統合 • Write Once, Run Everywhere • ユニットテスト/テスト自動化が楽 2. データ駆動デザインパイプライン • エンジニアリングリソースがボトルネックとならない 3. 将来にわたって安心(future-proof)なアーキテクチャー • 一般的なゲームエンジンの最新版を利用 • 既に流通しているソフトウェアコンポーネントの再利用ゴール

Copyright © GREE, Inc. All Rights Reserved. Android/iOSクライアント統合という問題 15 1.なるべく早期のローンチを
2.なるべく移行をスムースに 3.なるべく低い金銭的コストで 4.なるべく低い開発者教育コストで 5.サーバーとスタティックデータは現在のものを流用 6.オリジナルの見た目を踏襲現実的な追加要件

Copyright © GREE, Inc. All Rights Reserved. Android/iOSクライアント統合という問題 16 1.保守的な案
• 現実的、低リスク、地味、コード駆動、旧式 2.革新的な案 • 理想的、高リスク、派手、データ駆動、モダン 2つの案

今回のゲーム(既存アプリ)内に、スクリプトエンジン等を組み込むのと同様に、Cocos2d-xゲームエンジンをまるごと組み込み(embed) • 新フィーチャーのみCocos2d-xで開発 • 既存アプリのコードを原則再利用し、必要に応じてCocos2d-x部分へ漸次移植保守的な案

単一の実装への統合 • C++でAndroid/iOS向けに実装できる • ただし既存アプリ部分とのブリッジAPIを実装するコードは複雑になる • ただし既存コード(Obj-C/Java)のメインテナンスは必要 2. データ駆動デザインパイプライン • Cocos Studio/Cocos Creatorが使える 3. 将来にわたって安心(future-proof)なアーキテクチャー • 最新のオープンソースゲームエンジン保守的な案(Cocos2d-x組み込み)

Unityへ移植 • 現在のサーバー&スタティックデータ &アセットデータとの互換性を持つクリーン実装 • 課金や通知など再実装/再検証コストが高い部分のみ既存アプリ実装をネイティブプラグイン化して再利用 • データ駆動デザインを促進するUnity アセットの利用革新的な案

単一の実装への統合 • C#でAndroid/iOS向けに実装できる 2. データ駆動デザインパイプライン • Unity Editor中心の開発 • MarkUX: XMLによるMVVMでUI作成 • NodeCanvas: Behaviour TreeやHierarchical State Machineで状態遷移作成 3. 将来にわたって安心(future-proof)なアーキテクチャー • 最新のトレンドを押さえたゲームエンジン革新的な案(Unity移植)

保守的な案(Cocos2d-x組み込み)と革新的な案(Unity移植)を3つのゴールの達成度で比較した場合、革新的な案の方が優位となった • しかし、追加的要件も勘案すると、保守的な案(Cocos2d-x組み込み)が優位となったため、今回はそちらを採用した採用案

なるべく早期のローンチを 2. なるべく移行をスムースに 3. なるべく低い金銭的コストで 4. なるべく低い開発者教育コストで 5. サーバーとスタティックデータは現在のものを流用 6. オリジナルの見た目を踏襲 Cocos2d-x組み込みはこれらの要件を満たす 1: (Cocos2d-x組み込みの技術さえ確立できれば)移植より早く済む。 2/5/6: 既存部分の流用が多いので問題が少ない。 3: Cocos2d-xは無料である。 4: 偶然今回のプロジェクトチームではCocos2d-x経験者が多かったので問題とならなかった。

Unityのネイティブプラグインは独自描画を行えるため、既存アプリ部分をまるごとネイティブプラグイン化することも考えられる • しかし、Unity側に変更を加える必要が出てくる可能性、既存アプリ部分のビルドシステムとの親和性を考え、今回は見送った Unityへの既存アプリの組み込みはできないのか

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いきなり実装の詳細に入って行く前に、全体の大まかな構造をイメージし、何ができそうかを構想してみよう • Cocos2d-x組み込みを思いついたのは、 Cocos2d-xの内部実装に自分が通暁していたからではなく、一般的なアプリを構成するゲームエンジンなら必ず一定の構造を内包しているはずなのでそれを再利用してやればよい、という想定が自分の中にあったから • ソースコードがある以上どうにでもなるという楽観があった(OSの仕様に阻まれないかぎりは) 実装の詳細を追う前に

単純化して考えると、アプリは4つの要素から成立している 1. イベントループ 2. ロジック 3. GLビュー 4. ネイティブUIウィジェットビューアプリの抽象的構造

常に動作しているイベントループが必要に応じて異なるユーザー定義ロジック(Java/Obj-C)を実行 • 結果を、ネイティブUIウィジェットビュー(OS固有のダイアログなどのUIウィジェット表示)、またはアプリが独自にOpenGL ESでカスタム描画する GLビューへ出力アプリの抽象的構造

常に動作しているイベントループが必要に応じて異なるユーザー定義ロジック (C++)を実行し、実行結果を、アプリが独自にOpenGL ESで描画するGLビューへ反映 Cocos2d-xの抽象的構造

Cocos2d-xのGLビューが最前面に描画される Cocos2d-xを組み込んだアプリ構造の完成形

UIView(とCALayer)の階層にGLビューを含む全てのビューは属する • Objective-C言語は、ファイル拡張子を.mから.mmにするとObjective-C++としてCだけではなくC++コードを混ぜることができる • Obj-Cの世界とC++の世界のメモリ空間は単一 • Obj-C - C++ - Obj-CまたはC++ - Obj-C - C++の呼び出しとコールバック実行による処理継続は、同期で、同じスタックフレーム上で起こる • メタファー: iOSアプリの世界は、モノリシック (一枚岩)な世界である iOSアプリの特性

1つのアプリが複数のActivityを内包する • Activityは複数のFragmentを内包する • ActivityはWindowとViewの階層を持つ • ViewはGLビューであるGLSurfaceViewを含む • Activity同士はIntentで通信しあう • Activityが存在するJavaの世界(JVM)と、LinuxネイティブのC/C++の世界(NDK)のメモリ空間は、分離されており、越境(JNI)のコストは高い • Java - C++ - JavaまたはC++ - Java - C++の呼び出しとコールバック実行による処理継続は、非同期で、異なるスタックフレーム/スレッド上で起こる • メタファー: Androidの世界は、分散オブジェクト/ メッセージパッシング/疎結合マイクロサービスの世界である Androidアプリの特性

Cocos2d-x自身は、これまで見てきた両プラットフォームの特性を利用しつつ差異を吸収する形で実装してある • Cocos2d-xは、他アプリに組み込まれることを想定した構造にはなっていないはず • であれば、今回やるべきことの中心は2つ 1. 既存アプリとCocos2d-xとのブリッジコードを実装してやる 2. Cocos2d-xのAndroid/iOS実装が他アプリの存在を想定していない構造になっている部分にパッチを適用(実際はほんの少しで済んだ) Cocos2d-xのAndroid/iOS実装と組み込み

Copyright © GREE, Inc. All Rights Reserved. Cocos2d-x組み込みによるクライアント統合 32 1.
(AppDelegateはstatic変数領域に起動時生成) 2. AppController# didFinishLaunchingWithOptionsでGL ビューであるCCEAGLViewを生成 3. 作成したGLビューをRootViewController でビュー階層内に追加 4. Cocos2d-x側からGLビューに描画を行う GLViewオブジェクトを生成 Cocos2d-xのiOS実装の起動フロー

Java: Cocos2dxActivityを生成 2. C++: platform/android下のjavaactivity- android.cppをJNIで呼び出し、Cocos2d-xアプリケーション本体であるAppDelegateをヒープ領域に生成 3. Java: GLビューであるGLSurfaceViewを生成 4. Java: Cocos2dxRendererを生成 5. C++: javaactivity-android.cppを呼んで、 Cocos2d-x側からGLビューに描画を行う GLViewImplを生成 Cocos2d-xのAndroid実装の起動フロー

既存アプリ内からCocos2d-xを起動してシーンを作成し、全画面/モーダルダイアログとして表示 • シーン属性情報(例えばCocos2d-xダイアログの表示サイズ)はJava/Obj-C側ではなくCocos2d-x側で持つ 2. 複数回表示を反復しても問題ないこと(冪等性) 3. アプリ起動直後からCocos2d-xオブジェクト (AppDelegate)がC++側に存在すること 4. パフォーマンス低下を防ぐこと(速度/占有メモリ /占有ストレージサイズ) 5. Cocos2d-xと既存アプリのモジュールを混在させた単一バイナリを生成するビルドプロジェクトを構成 Cocos2d-x組み込み要件

Copyright © GREE, Inc. All Rights Reserved. Cocos2d-x組み込みによるクライアント統合 35 1.既存アプリ側からCocos2d-xを
起動し指定したシーンを表示 2.Cocos2d-xから既存アプリ側の Android/iOSネイティブ機能をクロスプラットフォームの同じインターフェイスで利用するためのAPI Cocos2d-x組み込みのために実装する機能

iOSアプリの中からのCocos2d-x起動は、 Cocos2d-x自体のiOS実装同様に、シンプル • Cocos2d-x起動フローと同様のGLビュー生成を、既存アプリ内でCocos2d-xを起動したい場所から呼び出すだけ • GLビューをどの位置にどのサイズで生成するかという点のみ解決できればよい • [UIScreen mainScreen].applicationFrameで取得した画面サイズ(iOS 7以前はw/hが逆なので注意)と、 Cocos2d-xシーン側に設定したシーンサイズを使う • Obj-C++なので既存アプリからCocos2d-x側の関数を簡単に呼び出せる組み込みCocos2d-x起動: iOS

Cocos2d-xのAndroid版はActivity(Cocos2dxActivity) として実装されているため、継承したクラスを作成し挙動をオーバーライド。「アプリ起動直後から AppDelegateがC++側に存在すること」という要件を満たすために、起動直後に生成されるメインActivityとしてそのクラスを指定 • Cocos2d-xのライブラリ(libcocos2dcpp.so)をロードし、C++側のメモリ空間にAppDelegateとGLViewが生成されたら、C++側からJavaのCocos2dxActivity継承クラス側にメッセージを送り、既存アプリのActivity を起動して、既存アプリ起動プロセスを続行 • 既存アプリActivityの中からCocos2d-xのActivityを起動する • 異種システム間でどのようにメッセージを送る? 組み込みCocos2d-x起動: Android

Cocos2d-x側と既存アプリ側とのブリッジAPIの仕様を考える • iOS側はモノリシックな構造だがAndroid側は分散・疎結合の構造。両方を抽象化し単一のAPIで制御するためには制限が大きい方に合わせるべき • Android側の、メモリ空間が別れた非同期通信モデルを基準とする • Cocos2d-xシーンが主体となり、離れた世界(既存アプリ側)のリソースをC++コードで制御するための、RPC(remote procedure call:遠隔関数呼出)の仕組みが要る Cocos2d-x側と既存アプリの通信

Android • JNI(Java Native Interface)で通信 • API呼び出し時にstd::function/ラムダ式のコールバックを、boost::uuidで生成したUUIDをキーとしてマップへ登録。既存アプリ側は受け取っていたUUID を返事を返す際に添えて返し、Cocos2d-x側は対応コールバックを実行 • iOS • Cocos2d-x -> 既存アプリ: Obj-C++のファイルにC の関数を定義し、externで参照し呼び出し • 既存アプリ -> Cocos2d-x: std::functionで渡されたコールバック関数を直接実行 Cocos2d-x側から既存アプリへのRPC

宣言: std::functionにコールバックとしてラムダ式を設定する Cocos2d-x側から既存アプリへのRPC • 実行: サーバーから返事が来るとラムダ式が実行される

iOS • 同じメモリー空間でC/C++の型が共通で存在しているのでデータ型の問題は存在しない • Android • C++とJavaの世界でデータを翻訳/交換するための合意が必要 • 任意のデータをペイロードとしてラップし変換/交換 (marshalling)するための便利なバッグがあればよい • 今回使ったもの • boost::variant using VariantValueType = boost::variant<int64_t, double, std::string>; • JSON (rapidjson::Document) RPCとデータ型

既存アプリ側から文字列でCocos2d-xシーンを指定したい • まずは可変長テンプレート引数を取れるC++テンプレート(Variadic Templates)を使って、型リストの要素各々に対してラムダ式を適用できるforEachを定義文字列とデータ型の関連付け

登録しておいたシーンクラスのリストの要素に対し、 RTTIのtypeidで取得した型名文字列を abi::__cxa_demangleでデマングルし、そのCocos2d-x シーンを作成するScene::create関数のラムダ式と関連付け(ラムダ引数のautoはC++14) 文字列とデータ型の関連付け

単にデータのやり取りをするだけでなく、既存アプリ側の特定メソッドを実行するAPI が必要になった • 各プラットフォームのリフレクションの仕組みが使える • iOS • NSInvocation#invoke • Android • Method#invoke 文字列とコードの関連付け

既存アプリ側からCocos2d-xを起動し指定したシーンを表示 2. Cocos2d-xから既存アプリ側のAndroid/iOSネイティブ機能をクロスプラットフォームの同じインターフェイスで利用するためのAPI • これらの要素が最低限あればアプリ自体は Cocos2d-xを組み込んだ状態で動くようになっているが、実際にはそのアプリをビルドするためのプロジェクトを整備しなければならない Cocos2d-x組み込みアプリのビルド

iOS • 既存アプリのXcodeプロジェクトにCocos2d-xの Xcodeプロジェクトcocos2d_libs.xcodeprojを入れる • ただしXcodeプロジェクトのマージが難しいので Cocos2d-xバージョンアップのたびに同じ作業が必要 • Android • 既存アプリがモジュラーなgradleビルドシステムを採用していたので、Cocos2d-xのAndroid Studio向けプロジェクトをgradleモジュールとして差し込むことができる • ただしC++部分はcocosコマンドでビルドする必要がある • Android Studio 2のInstant Runとは相性が悪い Cocos2d-x組み込みアプリのビルド

Cocos2d-xのビューを、全画面ではなく画面の1部に表示 • 矩形ではなく、丸みのある角など自由な形状に • フレームバッファーをアルファ値を持てるフォーマットにする • iOS • CCEAGLViewでeaglLayer.opaque = NO、 pixelFormatをkEAGLColorFormatRGBA8に • AndroidはそのままでOK • Cocos2d-x側でそもそも黒く塗りつぶしていたので透明に替える • FrameBufferで_clearColor(Color4F(0, 0, 0, 0))、 Rendererで_clearColor.a = 0.0f Cocos2d-xシーンのモーダルダイアログ表示

Cocos2d-xのActivityを表示していると、背後に回った既存アプリのActivityがOSによって制御できないタイミングでkillされてしまうトラブルシューティング: Android Activity問題 • AndroidManifestで @android:style/The me.Translucent.NoTit leBar.Fullscreenを指定し背後の既存アプリ Activityが見えるようにしてやればkillされない(全画面表示でも)

HTC J Butterfly(HTV31)上でのリリースビルドのみで、 OpenGL ESのコンテクストがおかしいことによるエラーが起こる(call to OpenGL ES API with no current context) • Cocos2d-xのAPIを操作しOpenGL ESコンテクストを操作する可能性のあるJNI呼び出しは、全て GLSurfaceView.queueEvent経由の呼び出しとして Cocos2d-x描画用スレッドで実行されるように • 逆に、Androidのビュー階層をJNIから操作する場合は Handler(Looper.getMainLooper())でUIスレッドにポスト • Cocos2d-x側では、AndroidからJNIで受けたものは performFunctionInCocosThreadで実行トラブルシューティング: Androidスレッド問題

アプリ起動時にAppDelegateのみ初期化しているものの、 Android版Cocos2d-xは元々バックグラウンドからの復帰時にGLSurfaceViewを再生成するようになっておりその処理がCocos2d-xビューを生成時にも必要なため、重い初期化処理が走ることにより表示されるまで時間がかかっていた • Cocos2d-xは内部で使っているシェーダープログラムを全て起動時に初期化しており、parseUniforms()と glLinkProgramが特に重かった • 3D向けなど使わないシェーダーの初期化を省略 • 今後シェーダーの利用時に初期化されるようになるかも https://github.com/cocos2d/cocos2d-x/issues/15637 トラブルシューティング: Androidシェーダー問題

Cocos2d-xビュー作成時は既存アプリGLビューのレンダリングループを止める • Cocos2d-xビュー終了時には、Director::endを呼ぶと次のフレームで呼ばれるGLViewImpl::end内で、GCDで dispatch_asyncした先で、GLコンテクスト(今誰が描画しているのか)を既存アプリのものに復帰 • Cocos2d-xと既存アプリのGLコンテクストの競合は起こっていないはずにもかかわらず、Cocos2d-xを起動して閉じた後、既存アプリのテクスチャーが時々乱れた • Cocos2d-xビュー作成前に開始されていた既存アプリのテクスチャー非同期ダウンロードジョブが、ダウンロード完了時(Cocos2d-x起動中)にglBindTextureなどGLの関数を呼び出してしまっていたのでスキップするよう変更トラブルシューティング: iOSテクスチャー問題

C++ラムダ式での変数キャプチャには注意 • サーバー通信などをCocos2d-xシーンからブリッジAPIを経由して行うと、時間が経ち結果が帰ってきた時には元のシーンが消滅しており、コールバックのラムダ式内にキャプチャされたシーンのthisポインタが無効になっている場合がある • staticなSceneFactoryでシーン毎にUUIDを発行して同一性を保証し、シーンが存在しない/そのシーンが発行していないAPI実行の結果が来た時は弾く • 参照キャプチャ(&)を使うとスタック変数がキャプチャされてしまい、iOSではスレッドを分けない限り原則として同一スタックフレーム上でブリッジAPIが最後まで実行されるので問題ないが、Androidではコールバックのスタックフレームが異なり無効なアドレスを参照して落ちるトラブルシューティング: シーンライフサイクル問題

透明領域を少なくして描画負荷を抑えるために、 Cocos2d-xのGLビューのサイズを、Cocos2d-x 内部で生成するシーンのサイズと同じにして既存アプリ側から生成する仕様とした • つまり、GLビューのサイズは端末画面サイズより多くの場合小さくなる • この仕様により、Cocos2d-x側で全画面表示した場合に行ってくれるスケーリングに頼れないことになり、様々なAndroid/iOSデバイス向けのスケーリングのコードを自前実装することになり、かなり手間になった失敗点: 自前スケーリングは面倒

ここまでの手間を経て、ようやくCocos2d-x組み込みは実用に耐える技術として確立する • しかし、Cocos2d-x自体も日々変化しており、明日はまた異なるものになっているかもしれない • Director::getInstance()- >getRunningScene()->getChildren().at(0)だとCameraが取れてしまう(現在のシーンはat(1)) • Cocos2d-xのSceneは、Node/Layerと異なり、 Camera、BaseLight、NavMesh、 Physics3DWorldを持つ • Cocos2d-xは3D/VRゲームエンジンへと変容を遂げつつある(Cocos2d-xからCocosへ) これからのCocos2d-x

Cocos Studio開発終了 • Cocos Creatorが主流に • Electronベースでオープンソース。Unityライクなビジュアル開発環境 • Chukongは、コンソール版をキャンセルしてでも開発環境の充実を第一目標に置いている • (UnityがC#で開発するように)JavaScriptでのダイナミックな開発を推奨、C++は重い処理を書く場合以外は使われなくなる • プロジェクト構成が従来と変わるので、新しくCocosプロジェクトを起こすならCocos CreatorベースとすべしこれからのCocos2d-x

余計な血は流さない • Cocos2d-xへのパッチは最小限に • Cocos2d-x最新版への追随更新を妨げない • ゴールはあくまでアプリを活かすこと • UnityにCocos2d-xを組み込むことも不可能ではない… かもしれない • ゲームエンジンの深層は学びの宝庫である総括: 外科手術の心得

Cocos2d-xの深層 Cocos2d-x組み込みによるピュアAndroid/iOSアプリの外科手術的統合

Cocos2d-xの深層 Cocos2d-x組み込みによるピュアAndroid/iOSアプリの外科手術的統合

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