ステートマシン(FSM) 〜 複雑さに立ち向かうには

社内で開催された勉強会の資料です。
x (twitter): https://twitter.com/ssr_maguro

もくじ
[前半]
ステートマシンとは？ どんな時に使いたくなるのか？

[後半]
自作ステートマシン・ライブラリの紹介

Transcript

1. ステートマシン(FSM) 〜 複雑さに⽴ち向かうには 1
2. ステートマシンLT ステートマシンとは ⾃⼰紹介 サイバーエージェント / アプリボット所属 畑⼭ 政道 2 最近まじめにTwitter（X）始めました。よろしくお願いします。
3. ステートマシンLT ステートマシンとは [前半] ステートマシンとは？ どんな時に使いたくなるのか？ 3 もくじ [後半] ⾃作ステートマシン‧ライブラリの紹介
4. ステートマシンLT ステートマシンとは 4 Game Programming Patterns に掲載されている、キャラクター 制御の例をもとに説明します。 Game Programming Patterns ソフトウェア開発の問題解 決メニュー impress top gearシリーズ Robert Nystrom (著), 武舎広幸 (著, 読み⼿), 阿部和也 (著, 翻訳), 上⻄昌弘 (著, 翻訳) ステートマシンとは？ どんな時に使いたくなるのか？
5. ステートマシンLT ステートマシンとは 5 キャラクター制御 Bボタン押したらジャンプする 空中でもジャンプできてしまった。 改修します。
6. ステートマシンLT ステートマシンとは 6 _isJumpingフラグを導⼊、チェックする ように変更
7. ステートマシンLT ステートマシンとは 7 仕様追加！ ‧下キーを押す → 屈む ‧下キーを離す → ⽴ち状態
8. ステートマシンLT ステートマシンとは 8 新たな仕様追加 ‧下キーを押す → 屈む ‧下キーを離す → ⽴ち状態 屈んだままジャンプできるし、 ジャンプ中に⽴ち状態になってしまう‧‧ 対策する ↓キー 押す ↓キー 離す
9. ステートマシンLT ステートマシンとは 9 _isDuckingフラグを導⼊ ↓キー 押す ↓キー 離す
10. ステートマシンLT ステートマシンとは 1 0 仕様追加！ ジャンプ中に下ボタンを押すと、ダイブ攻撃！
11. ステートマシンLT ステートマシンとは 1 1 仕様追加 ジャンプ中に下ボタンを押すと、ダイブ攻撃！ jump中なら ダイブ中に屈んだり、ジャンプできるのでは‧‧？ うーん、もうひとつフラグ追加‧‧ ↓キー 押す ↓キー 離す
12. ステートマシンLT ステートマシンとは 1 2 制御フラグまみれになっていく。 仕様が複雑になるにつれ、コントロール不能になる 🤯
13. ステートマシンLT ステートマシンとは 1 3 ⻑期記憶: HDD 短期記憶: メモリ とすると、⼈間がメモリにロードできる変数は 7± 2個と ⾔われる(4±1とも)。この調⼦で変数が増えて、それに応 じた状態を制御するのは⾄難の技 【使わなきゃ損】マジカルナンバー7±2と4±1は⼈間が覚えていられる限界【認知⼼理学】社会⼈の教養 https://asu-yoku-laboratory.com/magical-number
14. ステートマシンLT ステートマシンとは 1 4 そこで、ステートマシン (有限状態機械、FSM、有限オートマトン)
15. ステートマシンLT ステートマシンとは 1 5 ステートマシン (有限状態機械、FSM、有限オートマトン) 仕様を図にするとこう。 こういった遷移の仕組みを実装したものが有限状態機械。
16. ステートマシンLT ステートマシンとは 1 6 どんなところで使われる？ 単純なAI (敵キャラの動きとか) アウトゲームなどの画⾯遷移の仕組み キャラクター制御 ゲームの進⾏制御 などなど他にも⾊々‧‧
17. ステートマシンLT ステートマシンとは 1 7 ステートマシンを実装していく前に、enumを使っ た制御を考えてみる。 沢⼭のフラグで管理しているのが駄⽬だった。 それぞれの状態は同時に成⽴しないのだから、 enumで管理するのが良いのでは
18. ステートマシンLT ステートマシンとは 1 8 かなりスッキリした。 規模によってはこれで⼗分な場合も。
19. ステートマシンLT ステートマシンとは 1 9 仕様追加 ⼀定時間屈むとチャージアタックが出来る
20. ステートマシンLT ステートマシンとは 2 0 仕様追加 ⼀定時間屈むとチャージアタックが出来る リセット処理 変数 _chargeTime追加。 State.DUCKINGの時はインクリメントされる。 既定値を超えると発動
21. ステートマシンLT ステートマシンとは 2 1 屈んでいるときしか使わない値が必要になった。 さらに、他の状態でもその値を気にする必要が出て きた。 状態と、そこに必要な変数を⼀箇所にまとめたい
22. ステートマシンLT ステートマシンとは 2 2 ステートマシン - ①ステートパターンの適⽤ ステートパターンを雑に説明すると‧‧‧ enumで表現していたstateを、⼀つのクラスとして表現する
23. ステートマシンLT ステートマシンとは 2 3 ステートパターン ステート専⽤の処理をクラスに閉じ込めて記述できる
24. ステートマシンLT ステートマシンとは 2 4 ステートマシン - ②遷移の仕組みを作る ステートパターンで表現した「ステート」を遷移させていく仕組みを作る
25. ステートマシンLT ステートマシンとは 2 5 遷移の仕組み •どのステートからどのステートに遷移するのか。 •どんな条件で遷移するのか。 •ステートが始まった‧終了した、などのイベント作成。
26. ステートマシンLT ステートマシンとは 2 6 既存の実装 •Arbor 3 が有名。 •今回は、コードだけで完結できる軽量のモノを求めていた。 •Githubで探したが、履歴‧階層構造の両⽅に対応するものは⾒つけられなかった。
27. ⾃作したライブラリの機能を紹介します。 2 7
28. ステートマシンLT ⾃作ライブラリの特徴 2 8 特徴 1 •plant umlフォーマットで、状態遷移図を書き出せる
29. ステートマシンLT ⾃作ライブラリの特徴 2 9 •ステートマシンを定義する際、まず遷移情報を記述する。 •この情報を元にplant umlを書き出す。
30. ステートマシンLT ⾃作ライブラリの特徴 3 0 •Outgame → Ingameへの遷移、 •Ingame → Outgameへの遷移 •を登録
31. ステートマシンLT ⾃作ライブラリの特徴 3 1 •Plant uml向け補⾜情報。Conditional属性で⾮Editor環境は無効となる。
32. ステートマシンLT ⾃作ライブラリの特徴 3 2 •ここの遷移が定義できた。generatePlantUml() 関数で指定のフォルダに書き出す。
33. ステートマシンLT ⾃作ライブラリの特徴 3 3 •遷移の情報を元に、現在のステート‧直近の履歴を画⾯表⽰できる。 •ステート遷移情報を使って補助機能もすぐに作れる •表⽰例
34. ステートマシンLT ⾃作ライブラリの特徴 3 4 特徴 2 •階層構造を持てる
35. ステートマシンLT ⾃作ライブラリの特徴 3 5 •⽴ち‧しゃがみ‧ジャンプ •といった基本の状態が3つある時を考える。
36. ステートマシンLT ⾃作ライブラリの特徴 3 6 しゃがみ状態のまま、移動‧攻撃ができる仕様が追加 された。 どう表現するか？ ステート図にすると、かなり複雑になってしまった。 また、しゃがみ状態3種からジャンプ‧移動に遷移で きるため、ステート遷移の判断を3箇所に書く必要が 出てきた。
37. ステートマシンLT ⾃作ライブラリの特徴 3 7 階層化が役に⽴つ。 しゃがみ状態で発⽣するステートを⼀つにまとめた。 親ステートと⼦供ステートが同時に発⽣している状態。
38. ステートマシンLT ⾃作ライブラリの特徴 3 8 必ず• からstartする。 ◎で状態を抜ける。 「しゃがみ」から⽴ち‧ジャンプに移⾏する判断は、 親の「しゃがみ」ステートが⾏う。 親がなんらかのきっかけで遷移する判断を⾏う。
39. ステートマシンLT ⾃作ライブラリの特徴 3 9 ⼦要素から直接外の要素に遷移したいといった要望 もあるので、ここは調整の余地あるかも
40. ステートマシンLT ⾃作ライブラリの特徴 4 0 特徴 3 •履歴を持てる
41. ステートマシンLT ⾃作ライブラリの特徴 4 1 ステート遷移の履歴を保持し、過去のステートに戻 る事が可能
42. ステートマシンLT ⾃作ライブラリの特徴 4 2 よく⾒ると、⽮印の形状が２種類あります。 実線が戻れない⽮印。 点線が戻れる⽮印。 戻れると不都合が起きることもあるので、制限して います。
43. まとめ 4 3
44. ステートマシンLT ⾃作ライブラリの特徴 4 4 まとめ 1. ⼈間、同時にたくさんの事柄を扱えない たくさんの変数を元に状態を切り替えていくのには、結構早めに限界が来る 

45. ステートマシンLT ⾃作ライブラリの特徴 4 5 まとめ 2. 制限を与える事で理解しやすくなる あるステートがどのステートにも⾃由に遷移できてしまうと、把握ができなくなっ てくる。 最初にステート間の遷移ルールを定めてしまう事で、考える事が減る。 

46. ステートマシンLT ⾃作ライブラリの特徴 4 6 まとめ 3. ビジュアライズは⼤事 Unity Editorでのグラフ描画実装が⼤変そうだったので、最初はビジュアライズを考 えていなかった。 plant umlならすぐに実装できそうだったので実装したところ、⼤変役に⽴った。 ビジュアライズがなかったらカオスになっていたと思う。
47. ステートマシンLT ⾃作ライブラリの特徴 4 7 ご清聴ありがとうございました
48. 4 8 おまけ ステートパターン → ステートマシン の順に⽣まれたと思っていたが、ど うも逆らしい？ Stateパターン 巨⼤なswitch⽂や⼤量のif⽂を使わず、状態遷移をエレガントに管理 https://www.oracle.com/webfolder/technetwork/jp/javamagazine/Java-JA 18 -StateDesignPattern.pdf
49. 4 9 おまけ - 今後の展望 ‧やっぱりplant umlではなく、unity editor内でノードベース表⽰したい。 リアルタイムに遷移情報を表⽰したい。 ‧stateの重複を許容すると、遷移図が⾒やすくなるのかも？ 【Unite 2017 Tokyo】Unityで出来る『⾒える開発』のススメ 〜スマホゲーム「ららマジ」開発事例〜 | ドクセル https://www.docswell.com/s/UnityJapan/ZJEQ 4 K-unite- 20 17 -tokyounity- 767 27793 #p 55
50. ステートマシンLT ⾃作ライブラリの特徴 5 0 ご清聴ありがとうございました