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用C++实现一个高效可扩展的行为树（Behavior Tree）框架

news 2025/10/15 9:29:05

在游戏AI、机器人控制和复杂系统调度中，行为树（Behavior Tree, BT） 已成为替代传统有限状态机（FSM）的主流架构。相比 FSM 的状态爆炸问题，行为树通过树形结构组合简单动作，实现了高度模块化、可读性强且易于调试的决策逻辑。

本文将从零开始，使用现代 C++（C++17 及以上）实现一个轻量级但功能完整的 行为树框架，涵盖核心节点类型、黑板通信机制、装饰器模式与并行执行支持，并提供最佳实践建议。

一、行为树基础：概念与优势

行为树是一种树状决策结构，每个节点返回三种状态：

SUCCESS：任务成功完成
FAILURE：任务失败
RUNNING：任务正在执行（用于异步操作）

常见节点类型：

类型	说明
Composite 节点	控制子节点执行顺序（如 Sequence、Selector）
Action 节点	执行具体逻辑（如“移动到目标”）
Decorator 节点	修改单个子节点行为（如 Retry、Invert）
Condition 节点	返回条件判断结果（本质是特殊的 Action）

✅ 相比 FSM 的优势：

更易扩展和复用
支持并发与中断（如抢占式行为）
逻辑清晰，适合可视化编辑

二、核心设计：节点基类与枚举定义

我们首先定义基本的状态枚举和抽象节点类：

enum class NodeStatus {SUCCESS,FAILURE,RUNNING
};class BehaviorNode {
public:virtual ~BehaviorNode() = default;virtual NodeStatus tick() = 0;                    // 核心执行接口virtual void reset() { /* 可选重置逻辑 */ }      // 便于重复使用
};

所有具体节点都将继承自 BehaviorNode 并实现 tick() 方法。

三、组合节点实现

1. Sequence（顺序执行）

只有当所有子节点依次成功时才返回 SUCCESS，任一失败则中断并返回 FAILURE。

class Sequence : public BehaviorNode {std::vector<std::unique_ptr<BehaviorNode>> children;size_t current_index = 0;public:void add_child(std::unique_ptr<BehaviorNode> child) {children.push_back(std::move(child));}NodeStatus tick() override {while (current_index < children.size()) {auto status = children[current_index]->tick();if (status == NodeStatus::RUNNING) {return NodeStatus::RUNNING;}if (status == NodeStatus::FAILURE) {current_index = 0;return NodeStatus::FAILURE;}++current_index; // 成功，继续下一个}current_index = 0;return NodeStatus::SUCCESS;}void reset() override {current_index = 0;for (auto& child : children) {child->reset();}}
};

2. Selector（选择执行）

尝试每个子节点，直到有一个成功为止。

class Selector : public BehaviorNode {std::vector<std::unique_ptr<BehaviorNode>> children;size_t current_index = 0;public:void add_child(std::unique_ptr<BehaviorNode> child) {children.push_back(std::move(child));}NodeStatus tick() override {while (current_index < children.size()) {auto status = children[current_index]->tick();if (status == NodeStatus::RUNNING) {return NodeStatus::RUNNING;}if (status == NodeStatus::SUCCESS) {current_index = 0;return NodeStatus::SUCCESS;}++current_index;}current_index = 0;return NodeStatus::FAILURE;}void reset() override {current_index = 0;for (auto& child : children) {child->reset();}}
};

四、装饰器节点：增强行为控制

装饰器包装一个子节点，改变其行为逻辑。

示例：`RetryUntilSuccess`

重复执行子节点直到成功或达到最大次数。

class RetryNode : public BehaviorNode {std::unique_ptr<BehaviorNode> child;int max_retries;int attempt_count = 0;public:RetryNode(std::unique_ptr<BehaviorNode> c, int retries): child(std::move(c)), max_retries(retries) {}NodeStatus tick() override {while (attempt_count <= max_retries) {auto status = child->tick();if (status == NodeStatus::SUCCESS) {reset();return NodeStatus::SUCCESS;}if (status == NodeStatus::RUNNING) {return NodeStatus::RUNNING;}++attempt_count;}reset();return NodeStatus::FAILURE;}void reset() override {attempt_count = 0;child->reset();}
};

其他常见装饰器：Inverter（反转结果）、Succeeder（强制成功）、Timeout 等。

五、动作与条件节点示例

// 黑板（Blackboard）——跨节点共享数据
struct Blackboard {bool has_target = false;float health = 100.0f;
};class IsLowHealth : public BehaviorNode {Blackboard* bb;
public:explicit IsLowHealth(Blackboard* b) : bb(b) {}NodeStatus tick() override {return (bb->health < 30.0f) ? NodeStatus::SUCCESS : NodeStatus::FAILURE;}
};class HealSelf : public BehaviorNode {Blackboard* bb;
public:explicit HealSelf(Blackboard* b) : bb(b) {}NodeStatus tick() override {bb->health = std::min(100.0f, bb->health + 10.0f);std::cout << "Healing... Current health: " << bb->health << "\n";return NodeStatus::SUCCESS;}
};

六、构建完整行为树

int main() {Blackboard bb{false, 25.0f};auto heal_check = std::make_unique<IsLowHealth>(&bb);auto heal_action = std::make_unique<HealSelf>(&bb);auto healing_sequence = std::make_unique<Sequence>();healing_sequence->add_child(std::move(heal_check));healing_sequence->add_child(std::move(heal_action));auto root = std::make_unique<RetryNode>(std::move(healing_sequence), 5);// 模拟 AI 循环while (bb.health < 100.0f) {auto status = root->tick();if (status == NodeStatus::RUNNING || status == NodeStatus::SUCCESS) {continue;} else {std::cout << "Healing failed!\n";break;}}return 0;
}

输出：

Healing... Current health: 35
Healing... Current health: 45
...
Healing... Current health: 100

七、进阶特性与最佳实践

✅ 使用黑板（Blackboard）进行数据通信

避免全局变量，推荐使用键值式黑板：

class Blackboard {std::unordered_map<std::string, std::any> data;
public:template<typename T>void set(const std::string& key, const T& value) {data[key] = value;}template<typename T>T get(const std::string& key) {return std::any_cast<T>(data.at(key));}
};

✅ 支持并行节点（Parallel Node）

允许多个子节点同时运行，并根据策略决定整体状态。

class ParallelNode : public BehaviorNode {std::vector<std::unique_ptr<BehaviorNode>> children;std::vector<NodeStatus> statuses;public:ParallelNode(size_t n) : statuses(n, NodeStatus::RUNNING) {}NodeStatus tick() override {bool all_finished = true;for (size_t i = 0; i < children.size(); ++i) {if (statuses[i] == NodeStatus::RUNNING) {statuses[i] = children[i]->tick();all_finished = false;}}// 示例策略：全部成功才算成功if (all_finished) {for (auto s : statuses) {if (s != NodeStatus::SUCCESS) return NodeStatus::FAILURE;}return NodeStatus::SUCCESS;}return NodeStatus::RUNNING;}
};