有限状態機械（Finite State Machine）

1.はじめに

有限状態機械とは、

複数の「状態」を持ち、その「状態」により「振る舞い」が決定される抽象的な機械

のことです。

具体的な例を挙げると、パックマンのモンスターがそれに該当します。

モンスターは、

移動
追跡
逃避

３つの「状態」を持ちます。

そして、これらに対応して、

ランダムに歩き回る
パックマンを追いかける
（パワーエサを取ると）パックマンから逃げ回る

という「振る舞い」を行います。

また、有限状態機械はキャラだけでなく、シーンにも適用することができます。

例えば、タイトルシーンに以下の「状態」を持たせます。

初期化
フェードイン
メイン
スタートボタン押下
フェードアウト
終了

さてはて、このような有限状態機械を使うと何が嬉しいのかというと、

分かりやすい
実装しやすい
デバッグしやすい（状態が明確なため）

ということがあるためです。

逆にデメリットは、状態遷移をJump処理で行うため、状態が増えると遷移が複雑になることです。

2.有限状態機械の設計

先ほどのモンスターにおける、有限状態機械の流れは以下のようになります。

初期化
1. プレイヤーのポインタを設定
2. パワーエサタイマのポインタを設定
3. 視界を設定
4. 初期状態（移動）を設定
メインループ
1. 遷移トリガーチェック→状態遷移
  1. 視界内にプレイヤーがいる and パワーエサが有効でない→追跡
  2. 視界内にプレイヤーがいる and パワーエサが有効である→逃走
  3. それ以外→移動
2. 状態に基づき、振る舞いを行う
3. メインループに戻る

遷移トリガーチェックというのは、状態遷移するには「何らかのきっかけ」が必要となるためです。ここでは「視界内にプレイヤーがいるかどうか？」などという条件ですね。

あと、ポイントは、「状態遷移のチェック処理」と「振る舞いの実行」が独立していることです。これにより、見通しの良いソースコードになります。

3.有限状態機械の実装

C++のクラスで設計するとこうなります。

/**
 * モンスタークラス
 */
class CMonster
{
public:
	// 状態列挙型
	enum State
	{
		FSM_MOVE,   // 移動
		FSM_CHASE,  // 追跡
		FSM_ESCAPE, // 逃走
	};
private:
	State m_state; // 状態
public:
	void Update(); // 更新関数
private:
	// 遷移トリガー
	bool IsPlayerInRange(); // プレイヤーが視界にいるかどうか
	bool IsPowerFood();     // パワーエサが有効かどうか
	// 振る舞い
	void Move();   // ランダムに移動する
	void Chage();  // プレイヤーを追いかける
	void Escape(); // プレイヤーから逃げる
};
メインループでUpdate関数が呼ばれます。

// =======================================
// 更新関数：毎フレームこの関数が呼ばれる
// =======================================
void CMonster::Update()
{
	// 遷移トリガーチェック
	if(IsPlayerInRange() && !IsPowerFood())
	{
		m_state = FSM_ESCAPE;
	}
	else if(IsPlayerInRange() && IsPowerFood())
	{
		m_state = FSM_CHASE;
	}
	else
	{
		m_state = FSM_MOVE;
	}
	
	// 振る舞いの実行
	switch(m_state)
	{
	case FSM_MOVE:
		Move();
		break;
	case FSM_CHASE:
		Chase();
		break;
	default: // FSM_ESCAPE
		Escape();
		break;
	}
}

読みやすいように、「状態遷移のチェック処理」と「振る舞いの実行」をべた書きしましたが、privateなメンバ関数としてそれぞれChageState関数とDoAction関数を用意する方が、きれいなソースコードになると思います。

4.ソースコード補足

読みやすさを考えてあえて書かなかったのですが、不足している情報として、

プレイヤーのポインタ
パワーエサタイマのポインタ
視界の広さ

がありますので、それらを設定するメンバ関数・メンバ変数が必要になると思います。

また、「状態」を外部から見れるようにすると、デバッグがやりやすいので、

State GetState() {return m_state;}

というメンバ関数を用意しておくと、何かと便利になります。（デバッグ文字列を取得する関数を用意するのもアリです）