UnrealEngine Game Ability System

UE5的GAS学习

记录一下UE5的GAS的学习内容

Posted by John Young on September 11, 2024

前言

最近在做自己项目的时候，遇到技能系统设计的一些技术选型问题。 考虑到自己这方面经验很少，因此我打算先学习一下业界的成熟解决方案。 Unity在这方面没有特别好的轮子，简单研究之后发现UE的Game Ability System在设计上和自己的原始想法比较接近，因此我决定深度学习一下UE5的GAS，查漏补缺地改进自己的设计，最终应用在自己的Unity项目中。

Note：这些只是我自己的主观总结，用于打开设计思路的，很多和引擎、网络同步相关的部分我都略过了。 我的主要参考资料是：GASDocumentation和Official Ducument

1. 总体介绍

  • 适用场景：适用于Moba游戏或者RPG游戏，支持联网，开箱即用
  • 成功案例：Paragon, Fortnite
  • 框架模块：
    1. GameplayAbilities（基于等级的角色能力系统，支持资源消耗和冷却时间）
    2. Attributes（操纵Actor身上的属性数值）
    3. GameplayEffects（在Actor身上添加状态效果）
    4. GameplayTags（Actor身上的标签）
    5. GameplayCues（生成特效或音效）
    6. 上述所有内容的实例复制
  • 多人游戏支持下列客户端预测：
    1. 技能激活
    2. 播放timeline
    3. 属性改变
    4. 添加GameTags
    5. 生成GameplayCues
    6. 角色的移动

2. GAS中的概念

2.1 Ability System Component

ASC是一种Actor组件，它是GAS的核心。挂载了ASC的Actor才可以使用GameplayAbilities、拥有Attribute或者接收GameplayEffects。ASC也管理了上述对象的生命周期、复制等等。

挂载ASC的OwnerActor不一定和它的表现类AvatarActor是同一个Actor。对于MOBA游戏，OwnerActor一般是PlayerState类，而AvatarActor一般是Character类。OwnerActor和AvatarActor如果不是同一个Actor，则需要实现GetAbilitySystemComponent()接口来实现相互通信。

ASC保存了Actor获得的所有Gameplay Abilities，遍历这些能力的时候，需要加锁ABILITYLIST_SCOPE_LOCK()，以确保不会删除列表中的能力（自己实现技能系统的话，可能技能列表的删除需要延迟处理？）。

ASC管理了GameplayEffects、GameplayTags、GameplayCues的网络同步（Attributes由AttributesSet同步）。有三种同步模式Full, Mixed和Minimal。在单机、多人，以及是玩家操控还是AI操控Actor，使用的同步模式不同。

2.1 GameplayTags

GameplayTags是一些带有层级结构的名称的集合，以FName储存。例如：State.Debuff.Stun表示一个被晕眩的debuff。通过布尔逻辑就能知道物体是否带有某些tag。出于效率原因，tag的集合一般用GameplayTagContainers 而不是TArray<FGameplayTag>，因为FName的复制有冗余，前者有做优化。UE5需要通过ini文件预先定义所有的tags，可以在UE5编辑器里配置与编辑tags。

GameplayTags如果是由GameplayEffect添加的话，会是自动复制的。ASC可以添加和删除另一种LooseGameplayTags，它不会被复制，因此这种情况下，需要手动管理LooseGameplayTags。例如角色的死亡，需要客户端本地立即处理，可以手动添加State.Dead的LooseGameplayTags；角色重生之后再手动删除这个LooseGameplayTags。

当ASC添加或者移除GameplayTag时，会有回调事件（可以同时添加多个同名tag到一个ASC，返回的变化后的TagCount）：

AbilitySystemComponent->RegisterGameplayTagEvent(FGameplayTag::RequestGameplayTag(FName("State.Debuff.Stun")), EGameplayTagEventType::NewOrRemoved).AddUObject(this, &AGDPlayerState::StunTagChanged);
virtual void StunTagChanged(const FGameplayTag CallbackTag, int32 NewTagCount);

2.2 Attributes

  1. Attributes的定义：Attributes储存float类型的数据，用来表示游戏里与某个Actor相关的各种数值（等级、生命值、法力值etc）。一般来说Attributes只能由GameplayEffects来修改，这样ASC才能预测其改变（网络同步相关）。Attributes存在于AttributeSet之中，由其定义、复制（只有标记了可复制的才会复制）。

  2. Attributes由BaseValue和CurrentValue两个值构成。BaseValue储存的是基础值，CurrentValue储存的是基础值经过GameplayEffects的临时修改之后的值。例如角色基础移速600，BaseValue和CurrentValue在没有buff的情况下都是600；这时候如果有个加速buff，那BaseValue还是600，CurrentValue就是650了。BaseValue的永久改变来源于Instant GameplayEffects，而Duration GameplayEffects和Infinite GameplayEffects则只会改变CurrentValue。

  3. Meta Attributes：一类需要与其他属性交互的临时Attributes。例如伤害值一般是Meta Attributes，GameplayEffect不会直接改变我们的生命值，而是改变这个临时的伤害值属性；伤害值属性也能被buff和debuff影响，也能被AttributeSet中的其他属性影响（例如护甲值）。Meta Attributes一般不会被标记为需要复制。Meta Attributes的引入可以实现逻辑分离，Gameplay Effects不需要知道目标如何处理伤害，不同目标可能有不同的AttributeSet，例如有的没护甲属性，有的有护甲属性，它们可以有不同的处理伤害的方式。

  4. 属性变化也有回调事件： 
    AbilitySystemComponent->GetGameplayAttributeValueChangeDelegate(AttributeSetBase->GetHealthAttribute()).AddUObject(this, &AGDPlayerState::HealthChanged);
virtual void HealthChanged(const FOnAttributeChangeData& Data);

    FOnAttributeChangeData包含OldValue、NewValue

  5. Derived Attributes(派生属性)：派生属性一般是由一个或多个Attributes，通过一个Infinite GameplayEffect（拥有多个Attribute Based或者MMC Modifiers）派生出来的。当Attributes的值改变时，相应的Derived Attributes的值会自动更新。

2.3 Attribute Set

ASC通过AttributeSet定义、管理Attributes。一个ASC可以有一个或多个AttributeSet。AttributeSet的开销是微不足道的，所以开发者可以比较自由地组织Attributes，既可以使用一个全局通用的AttributeSet，所有Actor都使用其中的某些属性；也可以不同类型Actor使用不同的AttributeSet。

AttributeSet可以通过一个instant GameplayEffect来初始化属性（推荐做法）。

PreAttributeChange(const FGameplayAttribute& Attribute, float& NewValue)是Attribute的CurrentValue改变之前的回调，这里适合对最终值做一些clamp。

PostGameplayEffectExecute(const FGameplayEffectModCallbackData & Data)只会在BaseValue被Instant GameEffect改变之后被触发。例如，伤害属性在设计上是一个Meta Attribute，可以监听它的这个事件，在这里去做扣除生命值、护甲的逻辑，以及受击动画、伤害飘字等等逻辑。

OnAttributeAggregatorCreated(const FGameplayAttribute& Attribute, FAggregator* NewAggregator)会在新的Aggregator创建时触发。Aggregator会基于所有的Modifier和属性的BaseValue去计算属性的CurrentValue。例如，减速buff会创建负面的Modifier，在所有减速Modifier中，只想减速程度最大的Modifier生效，这个时候就需要在Aggregator创建这个回调里，设置Aggregator的参数。

2.4 Gameplay Effects

GameplayEffects(GE)是Ability改变Attributes和GameTags的一种载体。GE既可以造成立即的属性值改变（例如受伤、治疗），也可以添加长期的状态（例如眩晕、加速buff）。一个GE类只包含数据，不包含逻辑，一个游戏里一般有非常多的GE派生类。

GE通过Modifiers和Executions改变属性；GE有三种持续类型：Instant, Duration和Infinite。另外，GE也可以添加或执行GameplayCues。Instant GE会调用GameplayCues的Execute事件，用于BaseValue的立即修改，不能添加GameTag；而Duration GE和Infinite GE会调用GameplayCues的Add/Remove事件，用于CurrentValue的临时修改，也可以添加GameTag，二者区别在于是否会expire。

Duration或者Infinite类型的GE还可以添加Periodic Effects，周期性地应用Modifiers和Executions。Periodic Effects被视为Instant GE，可以改变BaseValue、执行GameplayCues，它对于制作DOT(Damage Over Time)类型的伤害效果很有用。

GE临时的开和关可以由GameplayTags控制，而不需要删掉这个GE的实例。关闭GE时可以添加一个关闭的GameplayTag，移除Modifiers；打开GE可以重新激活Modifiers，移除相应GameplayTag。

GE是一般是不会被实例化的。当一个ASC想要添加一个GE时，会从GE的ClassDefaultObject创造一个GameplayEffectSpec（可以看作GE的实例）并添加到ASC的ActiveGameplayEffects中。

添加或移除GE有很多的接口，但最终都是走到Target的ASC的ApplyGameplayEffectToSelf和RemoveActiveEffects函数。

可以如下添加Duration GE和Infinite GE的Add/Remove事件监听：

AbilitySystemComponent->OnActiveGameplayEffectAddedDelegateToSelf.AddUObject(this, &APACharacterBase::OnActiveGameplayEffectAddedCallback);

AbilitySystemComponent->OnAnyGameplayEffectRemovedDelegate().AddUObject(this, &APACharacterBase::OnRemoveGameplayEffectCallback);

virtual void OnActiveGameplayEffectAddedCallback(UAbilitySystemComponent* Target, const FGameplayEffectSpec& SpecApplied, FActiveGameplayEffectHandle ActiveHandle);

virtual void OnRemoveGameplayEffectCallback(const FActiveGameplayEffect& EffectRemoved);

Modifiers可以改变Attribute。一个GE 可以有零个或多个Modifiers。每个Modifier负责通过特定的操作去改变它对应的那个Attribute。这些操作包含Add、Multiply、Divide、Override。CurrentValue就是将BaseValue通过所有的Modifiers聚合之后的结果。默认情况下，同一类的Modifier先累加，再通过公式聚合，聚合公式为((InlineBaseValue + Additive) * Multiplicitive) / Division。Override会直接覆盖上一个Modifier的结果。

有四种Modifiers，它们都能生成一个float类型的值，用于改变Attribute。Scalable Float可以通过读表，将技能等级映射到一个float值；Attribute Based可以取GE的Source(创建者)或者Target(目标)的某个属性的CurrentValue或BaseValue；Custom Calculation Class是通过自定义的办法生成float，是最自由的一种方法；SetByCaller，由GE的创建者提供值的一种方法。

GE会捕获source ASC（创建时）和target ASC（应用时）的GameplayTags。Modifiers也可以根据这些tag决定要不要apply。

GE默认情况下是创建新的GameplayEffectSpec实例。但是也可以选择堆叠的形式，改变现有的GameplayEffectSpec的堆叠层数，而不创造新实例。堆叠只对Duration GE和Infinite GE生效。有两种堆叠类型，Aggregate by Source会为每一个Source创造一个堆叠实例，各自最多叠加X层；Aggregate by Target则是所有Source共享一个堆叠实例，一起最多叠X层。

Duration GE和Infinite GE可以赋予新的GameplayAbilities到ASC上。常见的用法是，例如当你想强制另一个玩家受到击退或者拉近效果，可以添加一个GE，赋予他们一个自动激活的GameplayAbilities，达到强制位移效果。一个GE可以控制赋予何种能力、赋予能力的等级，以及GE从Target移除时赋予的能力的处理。有三种处理方式：立即移除能力；允许能力结束后再移除；不再控制能力，交予Target控制。

GE有几种tag分类，每一类都有对应的一个tag容器，用于不同的目的。Gameplay Effect Asset Tags不做任何事，只是用来描述GE的；Granted Tags会在GE添加到ASC时，给它添加容器里的所有tag，在GE移除时移除这些tag；Ongoing Tag Requirements只有当里面所有tag都满足时，GE才会激活，否则会失效，待到条件满足会重新激活；Remove Gameplay Effects with Tags当GE被赋予到ASC时，会移除ASC上所有Granted Tags或Asset Tags里包含这个目录里tag的GE。

GESpec是GE的实例化，其中包括了指向对应GE的指针、创建时的等级、创建它的ASC等等。GESpec不一定是在创建之后立马被赋予到Target上，例如一个投射物可以被赋予一个GESpec，当击中物体时再向目标赋予这个GESpec。一个GESpec包含的内容：

  • 创建它的GE的引用
  • 它的等级，通常与GE相同，但也可以不同
  • 它的持续时间，通常与GE相同，但也可以不同
  • 它的periodic effects的发生周期，通常与GE相同，但也可以不同
  • 当前堆叠层数。最大堆叠层数在GE类上
  • GameplayEffectContextHandle，告诉我们谁创建的GESpec
  • GESpec创建时的属性的快照
  • SetByCaller TMaps，保存由外部传入的Map（Tag映射到float），再用于Modifiers或者别的用途

ModifierMagnitudeCalculations (MMC) 是GE中一种功能强大的Modifier。它的能力比Execution弱，但是好处在于可以预测。它可以捕获Source或Target的属性（可以是快照版本也可以是实时版本），可以获取SetByCallers的数据，并用这些数据计算属性的CurrentValue。

Gameplay Effect Execution Calculation（Execution）是GE改变ASC最强大的一种方式。它也能像MMC一样捕获属性，但它可以改变ASC的任意属性，不仅仅只是某个属性。因此程序员几乎能用它完成任意想要的功能。权衡处就在于灵活性高，但是不可预测了。

CustomApplicationRequirement (CAR)是可以用来自定义GE应用规则的类。默认的GE应用限制只有GameTag的限制。例如需要新增一种当目标身上某些GE的堆叠层数达到N层才激活的GE，可以从这里扩展。

GameplayAbilities（GA）可以通过特定的GE来确定激活时的资源消耗。这个GE需要是Instant GE，有一个或多个Modifiers来计算资源Attribute的消耗值。

GA也可以通过特定的GE来实现能力的冷却。这个Cooldown GE需要是一个没有Modifiers，并且对于每一种能力（如果游戏支持能力切换，并且能力槽共享cd，则是能力槽）在GrantedTags中有一个特殊的GameTag（Cooldown Tag）的Duration GE。GA正是通过检查Cooldown Tag的存在而不是Cooldown GE的存在来确定是否能力正在冷却的。

2.5 Gameplay Abilities

GameplayAbilities (GA) 是游戏里Actor可以使用的技能。同一时间可以同时激活多个GA，例如冲刺的同时可以射击。常见的GA：跳跃、冲刺、设计、每X秒免疫一次伤害、使用药水、打开一扇门、收集资源、建造建筑。GA具有等级，可以通过改变GA等级改变GA的数值或功能。GA使用AbilityTasks处理持续一段时间的动作，例如监听某个事件、等待属性改变、等待玩家选择目标等等。 一个简单点的GA流程如下： 一个复杂一些的GA流程如下： 更复杂的GA可以由使用不同的GA进行组合、交互来实现

GA的升级有两种，一种是移除原来的GA的实例，再重新赋予新的等级的GA；一种是直接改原来GA实例的等级。二者流程上有点区别，取决于需求。

2.6 Ability Tasks

GA只在一帧里执行，当我们想要响应一段时间内的事件时，我们需要AbilityTasks。 例如：

  • 移动Character
  • 播放timeline
  • 响应Attribute
  • 响应用户输入
  • and more

例如一种多重护甲技能，当受到伤害减少一层护甲层数，就需要新增AbilityTasks去监听Actor受伤的事件。像击退、冲刺、拉取这样的是用一些影响移动组件的AbilityTasks来实现的

2.7 Gameplay Cues

GameplayCues (GC) 执行的是与gameplay无关的逻辑，例如声效、粒子特效、相机震动等。 GameplayCues一般是从远程同步的（除非是特意由本地管理的）。

3. 常见能力的实现

3.1 眩晕

眩晕时，我们一般取消Character的所有主动类型的GameplayAbilities，阻止新的主动GameplayAbility的激活，并且在眩晕的持续过程中，阻止角色移动。

对于取消GameplayAbilities，我们可以在眩晕时调用ASC的AbilitySystemComponent->CancelAbilities()，再添加眩晕的GameTag。为了阻止能力在眩晕时激活，我们可以在阻止这些能力激活的GameTag类别里添加眩晕的GameTag。为了阻止移动，我们可以在角色移动组件的GetMaxSpeed()里当存在眩晕标签时返回0。

3.2 吸血

可以在伤害的Execute流程里计算吸血。如果GE的GameTag存在Effect.CanLifesteal，那么Execution会计算吸血量，构造一个Instant GE，将这个值赋予到Source的ASC上。

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