תכנון ופיתוח תוכנה: מידול קונספטואלי

כבר כמה זמן שאני רוצה לזקק את תחום תכנון (Design) יעיל של תוכנה. זה תחום שיש בו מקום למיומנות רבה, אבל מאתגר מאוד ללמד. בכדי להתמודד עם האתגר, אתמקד בפן אחד (להלן Divide & Conquer) של אומנות ה Design: מידול.

"מידול", כצפוי, הוא מונח overloaded עם כמה משמעויות נפוצות. נעשה לרגע סדר בדברים:

• משתמשים במונח "מידול" כתהליך ההצגה של העיצוב (Design). כמטאפורה: אדריכל שבונה מודל מוקטן של הבית בכדי להציג אותו ללקוחות.
• כאן נכנסות "שפות מידול" (UML, ERM, ADL), ומתודולוגיות מסוימות (C4, ATAM, 4+1 Views). הטכניקות הללו מעט ארכאיות לתקופתנו ואני לא מתכוון לעסוק בהן.
• משתמשים במונח "מידול" כדי לתאר רעיון של יצירת מודל מפורט/מדויק שיחליף את הקוד / נחולל קוד ממנו. כאן המודל הוא פורמאלי, מדויק, ודורש עבודה ותחזוקה רבה. ניתן לאפיין כאן שתי גישות עיקריות:
• מידול מבנה או נתונים - בגישות כמו Model Driver Architecture (קרי MDA), או מידול של בסיסי נתונים.
• Semantic Modeling עבור מערכות לעיבוד שפה טבעית או Ontology modeling (אונטולוגיה - הגדרת קשרים בין מונחים) ליישומים יותר כללים של בינה מלאכותית.
• אני לא מתכוון לעסוק בנושאים הללו בפוסט.
• משתמשים במודל "מידול" כתהליך ביניים באיסוף דרישות, תיאור העולם / צרכים / דרישות בצורה מאורגנת ומדויקת יותר - לפני שמייצרים את העיצוב הטכני וכותבים קוד. הדרך המקובלת ביותר לתאר מודל מסוג זה היא מודל קונספטואלי (Conceptual Modeling) ועליו אני הולך לדבר בפוסט הזה.
• על אף שראיון המודל הקונספטואלי נמצא בשימושים כבר עשורים, רבים מקשרים אותו למתודולוגית ה Domain-Driven-Design (בקיצור: DDD) - שהביאה אותו לחזית הבמה / הפכה אותו לקצת יותר מדובר ופופלארי בתחילת שנות ה 2000.

פאק! מעולם לא הגדרתי מודל קונספטואלי. האם זה אומר שאני עושה Design גרוע?!

תנו לי להרגיע: היה לכם מודל קונספטואלי בכל ה Designs שעשיתם. פשוט לא ידעתם את זה.

כמו כן: הגדרה של מודל קונספטואלי up front - הוא רעיון שנראה שלא הוכיח את עצמו לאורך השנים. אי הקדשת זמן להגדרת מודל קונספטואלי up front - הוא כנראה הדרך היעילה יותר לעשות דברים.

אי אפשר לחשוב וליצור תוכנה - בלי מודל קונספטואלי בראש. ברור שיש לכם איזו קונספציה על איך הדברים קורים / צריכים להיות. זה המודל הקונספטואלי שלכם. אולי הוא לא תתועד / מתוקשר / מזוקק - אך הוא בהחלט קיים.

הבעיה במודלים קונספטואליים היא שאנשים שונים בונים לעצמם בראש מודלים שונים, כל אחד "והאמת שלו". למה זו בעיה? האם לא טוב שיש מעט שונות (Diversity) / נקודות מבט מגוונות?

ראו גם: Mental model, Representation (psychology), and Cognitive model

הרבה פעמים זו לא בעיה, אולי זה מספיק טוב. לגיוון בהבנה / תמונת-עולם גם יכולה להיות תרומה.

הבעיות שצצות לרוב הן:

• א: פערים משמעותיים בהבנה בקרב מפתחים שונים => קוד לא עקבי, או אפילו סותר.
• ב: יש תמימות-דעים בקרב המפתחים - אבל כולם טועים / לא מבינים נכון את הביזנס.
• ג: יש פערי-הבנה בין אנשי הביזנס, מה שמבלבל ומקשה על המפתחים להבין.
• ד: כל התשובות נכונות.

כלומר, בגישת ה Lean אנחנו לא ניגשים להגדיר מודל קונספטואלי ב"תחילת הפרויקט", אנו מגדירים אותו כאשר אנחנו מזהים בעיית תקשורת משמעותית.

משמעות נוספת של האמירה הזו היא שלא ננסה אפילו "למדל" את כל הביזנס ומה שקורה בו - אלא רק איים מרכזים / חשובים בביזנס - שגורמים לנו לבעיה בכתיבת המערכת.

איך מגדירים מודל?

כל תרשים או טקסט הם טובים מספיק. המרכיבים שבעזרתם מגדירים מודלים מורכבים בעיקר מ:

• ישויות (Entities)
• קשרים (Relations)
• תכונות (attributes) של הישויות. אולי גם מתודות.
• הכללה / ריבוי-צורות.
• הבחנה בין מחלקה/קבוצה למופע (instance).
• כלי עזר: טקסט.
• כלי עזר: קוד.

מודל טוב מגיע מתוך הבנה עמוקה של הביזנס + המערכת. המודל הקונספטואלי חייב להתייחס לביזנס הספציפי ולמערכת הספציפית, ומעוצב על ידם. הוא בעצם סוג של מתאם (Adapter) בין המציאות והצרכים של הביזנס (שלעולם לא יהיו מדויקים ומסודרים) והמערכת הממוחשבת (שחייבת סדר וחוקים ברורים וחד-משמעיים).

הדרכים הנפוצות להגדיר מודל, שאני נתקלתי בהן, הן pseudo-UML (לא צריך לדקדק), קוד, או פשוט מסמך וורד/מצגת.

מודל אינו נכון / לא נכון, אלא יעיל / לא יעיל.

מודל לא יעיל - עלול לגרום לכמות **אדירה** של עבודה בטווח הקצר והארוך. מודל יעיל יחסוך עבודה, יפשט את המערכת, ויקל מנטלית על העוסקים במלאכת פיתוח המערכת. מה יותר ארכיטקטורה מזה?

דוגמה למודל קונספטואלי

הפוסט הזה יהיה קצת באוויר, אם לא ניתן דוגמאות קונקרטיות למודלים קונספטואליים. לצורך הדוגמה בחרתי מודל קטנטן, ובתחום שמוכל לכולם: מודל לייצוג "כסף".

הנה, למשל, כמה אפשרויות למודלים שונים לכסף (Money), איזה הוא המוצלח לדעתכם?

לשם הפשטות ייצגתי את כולם ב UML, ובאותו האופן. במציאות סביר שנתקל במודלים חלופיים המתוארים / מיוצגים בצורה שונה - מה שקצת יקשה על ההשוואה / הקישור ביניהם. 

הערה: לא פעם אנשים יתקשו לתאר את המודלים ש"יש להם בראש", אל אף שהוא עקבי ולעתים אף מפורט. אם אלו אנשי-תוכנה, לפעמים עוזר לבקש פשוט מאוד לכתוב קוד / סכמה של בסיס נתונים כדי לנסות ולשחרר את "מחסום התקשורת".

ובכן, מתוך ארבעת המודלים של Money, איזה מודל הוא המתאים / המוצלח ביותר?

כמובן, כמובן - שכל מודל מתאים לכל סיטואציה. יש מערכות / מקרים בהם מודל #4 הוא מספיק טוב - ואז מודל מורכב יותר יסרבל את הפיתוח ללא סיבה. יש פעמים שמודל #3 הוא טבעי ויש מקרים בהם הוא לא-קשור-למציאות.

שווה לציין שהמודל הוא ספציפי לביזנס ולמערכת הספציפית. אין טעם למדל פרטים שלא רלוונטיים לביזנס הספציפי ו/או המערכת לא מתכוונת לכסות ולטפל בהם.

המודל גם מתאר tradeoffs טכנולוגיים. במקרה שלנו: מחשב ספרתי, בו כל מספר הוא כפולה של 2, אינו יכול לייצג בדיוק מספר כמו 1.1 - סכום לגיטימי לחלוטין לכסף. יש דרכים שונות להתמודד עם האתגר, ולא "לאבד" סנטים בעקבות פעולות חשבוניות / פעולות עיגול. למשל: שימוש ב Big Decimal או הייצוג הסנטים כמספר שלם (Long).

בסופו של דבר המודל הרבה פעמים משפיע חזרה על הביזנס, וגורם לו לאמץ הסתכלות חד-משמעית יותר על הדברים (שהתוכנה דורשת) / או לפשט תהליכים. לא פעם, כחלק מתהליך המידול - הביזנס מתאים את עצמו בשימוש במונחים, נקודת מבט, או תהליכים עסקיים.

תהליך יצירת המודל הקונספטואלי, מתוך מסמך אקדמי משעמם.

אז איך אפשר "לדפוק" מודל קונספטואלי?

עד כה, יכול להיות שאתם אומרים לעצמכם: "ברור!" \ "זה פשוט" \ "זה בדיוק מה שאני כבר עושה". כל זה - טוב ויפה. 

בכל זאת, פעולות מידול פעמים רבות מבוצעות בצורה מגושמת ולא כ"כ יעילה. אולי כדאי להתבונן על כמה דרכים בהן תהליך המידול יכול להשתבש:

"האחרון להבין ולזהות" 

הבעיה הנפוצה ביותר, כנראה, שלא מבינים שמדובר בבעיית מידול / תקשורת. מנסים למצוא את הפתרונות במקום אחר, ואולי פשוט להתעלם:

• התמודדות עם הבעיה כבעיית תכנות/קוד ("עוד Generic ושלוש רמות בהורשה - ואני מסדר פתרון שיעבוד") היא דרך לנסות לכסות נקודות מבט שונות ואולי סותרות של אנשים שונים - ולהמשיך לשלם מחירים לאורך זמן.
• לפעמים פשוט מתעלמים מהפערים, ומקווים שבסוף הדברים יסתדרו איכשהו. התוצאה היא לא פעם תוכנה לא טובה, שהארגון נאלץ לחיות איתה עוד זמן מה, "כי כבר העבודה נעשתה".

"מודל טוב מדי"

זה אולי לא נשמע כ"כ רע - אבל זו טעות נפוצה וכואבת. 

אולי הביזנס זקוק לאיש קשר יחיד לכל לקוח, אבל בתהליך המידול אנחנו רוצים לעשות "טוב יותר" \ "הכנה למזגן" \ "לעשות את הדברים כמו שצריך" - ואנחנו מתארים היררכיה של אנשי קשר והקשרים ביניהם. משהו שאנחנו מדמיינים שקורה בביזנס - אבל לא רלוונטי לביזנס הספציפי או למערכת הספציפית. 

הכל נעשה מכוונה טובה, אבל חשוב לשים לב שתהליך מידול לא הופך בטעות ל Over-Engineering. הוא בקלות יכול להגיע לשם.

"מודל נאיבי"

לא פעם אפשר לסיים את עבודת המידול בשיחה קצרה בת 30 דקות: הצלחה גדולה (!), ויוצאים לדרך.

הבעיה היא שהמודל לא "יחזיק מים" מעבר לשלב מסוים. כלומר: הוא יספק את הצרכים של תסריט א, ב, ו ג' - אבל הוא יותר אותנו חסרי-אונים מול תסריטים ד' ו ה'.

חשוב מאוד, לפני שמכריזים על המודל כגמור, "לזרוק עליו" את כל התסריטים ומקרי הקצה הידועים לנו - לבחון אותו, וכך לשפר ולהתאים אותו למגוון הצרכים. גם הצרכים המיידיים וגם צרכים עתידיים סבירים / מוכחים.

יכול להיות שנגלה מתי שהוא שתסריט מסוים לא נתמך ע"י המודל - ונדחה את הטיפול בו, בידיעה. יכול להיות אפילו שזו תהיה נקודת החלטה לא לתמוך בתסריט הזה או אפילו לבצע שינויים בתהליכים של הביזנס. 

יש כמה מקומות בעולם התוכנה בהם שווה להשקיע זמן ועבודה בשלב מוקדם ככל האפשר, גם בגישת ה Lean - ותיקוף מודל-קונספטואלי היא אחד מהם.

מודל אלגנטי יותר מהביזנס

וריאציה דומה לבעיה הקודמת, הוא ניסיון לתאר את העולם בצורה מסודרת / הגיונית יותר - שלא מתארת בצורה נכונה או לא תופסת את מלוא המורכבות של הביזנס. למשל:

• לכל מכירה יש תעודת משלוח אחת - בעוד בביזנס, בשל מורכבות אופרטיבית, לעתים מנפיקים (בטעות) שתי תעודות משלוח שונות לאותה ההזמנה.
• זיכוי יהיה כסכום החיוב - בעוד בפועל לעתים מזכים יותר או פחות בשל נסיבות ("פיצוי", "קיזוז") שונות שלא נכנסות למודל.

תת-וריאציה היא פשוט תקלות טכניות (הרבה פעמים: בצד התוכנה), שאנו נוטים לשכוח / לא מכירים בזמן המידול:

• ללקוח יש Cookie שמזהה אותו בצורה מדויקת - בעוד חלק לא זניח מהמשתמשים, מתקינים "חוסם פרסומות" שמוחק Cookies, והמידע לא שלם.
• ה GPS מדווח במדויק את נקודת ההתחלה והסיום של הנסיעה - בעוד בפועל בשם טעויות / רמאויות קטנות של נהגים, המידע לעתים שגוי או אפילו חסר.

תקשורת לקויה / חסרה

ישנו מודל, הוא טוב למדי - אבל נמצא בראשם של 2-3 אנשים. מכיוון שהוא לא מתואר בצורה מספיק ברורה / מדוייקת - אנשים אחרים מסביב מפתחים בראש "וריאציות" של המודל - ובעצם לא השגנו את מטרת המודל.

לא פעם מציינים continuous integration ככלי התומך במודלים הקונספטואליים. אם הקוד של מפתחים שונים צריך להתחבר ולעבוד מוקדם זה עם זה - הפערים יצוצו ויהיה קל / זול יותר לתקן אותם.

מודל חד-כיווני

"אלו הן הדרישות של הביזנס" - הוא משפט שגור, שמהווה smell לבעיה הזו.

הביזנס זקוק לתוכנה - ולכן ישנו צוות פיתוח העובד עליה. זו כנראה לא שאלה. מצד שני, הנטייה של אני הפיתוח היא לא פעם לקבל את כל הבקשות של אנשי הביזנס כמו שהן, בלי שאלות ובלי ספקות.

הרבה פעמים, יש ליקויים או חוסרי-יעילות. בתהליכים בהם הביזנס עובד. כאשר אנחנו ממדלים את הליקויים האלו והופכים אותם לתוכנה:

• אנחנו הרבה פעמים מייצרים תוכנה מסובכת מהנדרש - מה שלא משרת את הביזנס.
• מפספסים הזדמנות לשפר תהליכים עסקיים - מה שלא משרת את הביזנס.
• תהליך מידול הוא "עין נוספת" על התהליכים העסקיים, ולעתים אנשי התוכנה יכולים לעזור ולשפר אותם.
• קיבוע תהליכים לא טובים באמצעות תוכנה שקשה לשנות - לא משרתת היטב את הביזנס.
• לתוכנה יש סדר / אילוצים שהרבה פעמים לביזנס ייטב אם יקבל אותם, ויתגמש לקראתם - מאשר לדחות אותם.

בקיצור: זו נקודה רגישה. גם אנשי תוכנה ש"מסבירים" לביזנס כיצד עליהם לעבוד - הוא תסריט שיכול להיגמר רגע. בכל מקרה, מצד בו התקשורת היא חד-כיוונית בלבד, רק אנשי הביזנס משפיעים על התוכנה, בלי שום פידבק או השפעה בכיוון ההפוך - היא נקודה שיכולה להעיד על חוסר יעילות ארגונית. על דברים שאפשר לעשות טוב יותר.

"מודל אחד לשלוט בכולם"

היגיון פשוט אומר שאם יש מודל - עליו להיות מודל אחד שמשרת את כל המערכת. זה לרוב נכון, בעיקר בהקשר מצומצם (מערכת קטנה, יחידה ספציפית בביזנס, וכו').

אבל, לפעמים - הביזנס מסובך מדי, ובניית מודל יחיד לכלל המערכת - היא החלטה שלא תשרת אותנו היטב. ייתכן והאופן בו מחלקת השירות (support) ומחלקת המכירות (sales) רואים entities מרכזיים אפילו בביזנס, כמו לקוח או מוצר - הם שונים, והדרך הפשוטה למדל אותם היא בשני מודלים שונים.

כמובן ששני מודלים שונים עשויים לגרום לבלבול וטעויות. חשוב להגדיר bounded context - גבולות ברורים וחד משמעיים ואלו חלקים במערכת ובביזנס משתמשים במודל א' ואלו במודל ב'. כמו כן חשוב תרגום טוב מספיק בין המודלים - בנקודות החיבור של המערכת ב contexts השונים. יש המציעים בהשנות מקרים כאלו ליצור context map - מיפוי של כל ה contexts, הגבולות, והתרגומים בין המודלים ה"חופפים". "Good fences make good neighbours" - הם אומרים. 

מודל תוכנה השונה מדי מהמודל הקונספטואלי

מודל קונספטואלי הוא מחשבות / רעיונות / סדר - המוצגים בתרשימים, מסמכים ולעתים קצת קוד (יש כאלו שיאמרו - "כתבו interfaces").

מודל הקוד הוא המחלקות בפועל של התוכנה, החתימה של הפונקציות, והסכמה של בסיס הנתונים או ה documents הנשמרים ב Mongo או ב S3.

אפשר ליצור אותם שונים זה מזה, אפילו במידה ניכרת.

אבל... כל פעם שתגיע דרישה חדשה מהביזנס (ואנו יודעים שהן לא מפסיקות להגיע), הן יתאימו במידה רבה למודל הקונספטואלי (במיוחד אם הוא מוצלח / שימושי) - ואז תהיה מלאכת תרגום למודל התוכנה.

התרגום הזה הוא גם overhead / מקום לתקלות. יתרה מכך: הוא מקור להפתעות גדולות. מדי פעם תגיע הדרישה שנראית פשוטה בביזנס ואפילו במודל הקונספטואלי - אבל היא שינוי אדיר במודל התוכנה. זו דרך טובה לבזבז זמן, ודרך מצוינת לפגיעה באמון בין הפיתוח לביזנס.

ב DDD הגדירו את המונח Ubiquitous Language - שפה ומערכת מונחים אחידה המשותפת לכל אנשי הביזנס וכל אנשי-התוכנה. הצמדות אליה עוזרת לצמצם בעיות תקשורת. למשל: אם יש מונח השגור בפי אנשי הביזנס - אך אינו מתואר במודל, זוהי נורה אדומה משמעותית שמשהו חסר / לא תקין במודל.

סיכום

אם הייתם שואלים אותי איך לעשות Design טוב יותר, או איך להיות אנשי תוכנה טובים יותר - אני בטוח שתחום המידול צריך להיות תחנה חשובה בדרך.

לכאורה הנושא נשמע פשוט עד טריוויאלי, אבל בפועל שוב ושוב סט הכלים הזה אינו מנוצל - ואנו בונים תוכנה פחות טובה ממה שיכולנו ליצור בעזרתו.

אני עובר על הפוסט ותוהה כמה הוא יצא פילוסופי / טריוויאלי / מופשט - ואני מקווה שהוא לא. תחום המידול הוא תחום מעשי, קונקרטי - ושבקלות יכול להוביל לתוצאות טובות.

לא נכנסתי לטכניקות קונקרטיות / מפורטות יותר של מידול - כי אין הרבה כאלו. כלומר יש את Event Storming ויש כאלו שיחשיבו את CRC Cards כטכניקה של מידול (דיי דומה, למען האמת) - אבל סה"כ אין הרבה טכניקה מדוייקת שאני יודע לקשר לנושא.

בגדול: תקשורת טכנית טובה, היא מיומנות חשובה תומכת. איך משפרים אותה? לא קל לי לענות. טכניקת ה A3 של טויוטה היא תרגיל מעניין שהתנסתי בו, ולמדתי ממנו.

מלבד לזה, זה נראה בעיקר עניין של צבירת ניסיון: צפייה בדוגמאות (Analysis Patterns), עשייה, ולמידת לקחים מתוך העשייה והזמן (לפעמים רק ברטרוספקטיבה - אפשר ללמוד כיצד יכולנו ליצור מודל טוב יותר).

שיהיה בהצלחה!

הצצה לפיתוח משחקי-מחשב

בפוסט הזה אני רוצה לדבר על פיתוח-תוכנה של משחקי מחשב. בתור מישהו שמגיע מעולם הווב, אני מוצא את העולם של פיתוח משחקי המחשב מאוד מסקרן: אלו ארכיטקטורות ושיטות מקובלות שם, ששונות מעולם הווב? אילו הן המוצלחות יותר, ולמה?

אני מניח שחלקים מאיתנו גם צרכנים במידה כזו של משחקי מחשב. אפילו אם אנחנו לא "גיימרים", יש לנו מושג מהי החוויה. היכרות - היא זרז לסקרנות. 

האם לא נתקלתם במשחק מחשב, ותהיתם כיצד הוא בנוי מאחורי הקלעים? כיצד מיוצג העולם, מודל OO או אולי מודל פונקציונלי? כיצד מיוצג הזמן, ואלו תהליכים רצים ברקע?

ברור!

פעם נתקלתי בהרצאה על הארכיטקטורה של משחק רשת המוני (אולי זה היה Second Life?) שלמרות שלא שיחקתי בו - הייתה מאוד מפתיעה: תארו שם ארכיטקטורה של Fat Client/Thin Server בה רוב ההחלטות של הסביבה המשותפת לכמה שחקנים מחושבות בצד הלקוח (המשחק המותקן על המחשב של השחקן) ואז הן נשלחות לשרת רק לצורך אימות (שזה לא Cheat, שאין חריגה מהכללים). באופן הזה הצליחו להעביר הרבה מעלויות החישוב לחומרה של השחקנים, ולפשט את ארכיטקטורת השרת.

לאחרונה, הבן שלי (בן 11 עוד מעט) נרשם לקורס תכנות ב Unity (פלטפורמה לפיתוח משחקי מחשב) והוא לומד לכתוב משחקי מחשב פשוטים. הקורס (סליחה על הביקורת) - פח, ולכן נכנסתי לתמוך בו ולעזור לו. בדרך נתקלתי בכל מיני בעיות / פתרונות מעניינים - שחשבתי ששווה לשתף אותם.

פיתוח משחקי מחשב כולל הרבה צדדים של חווית משתמש (שימושיות, חווית גרפיקה מהנה / חלקה, תכנון המשחקיות וחווית ההנאה) ודי שיעשע אותי לראות טיפים על גרפיקה חלקה יותר, ונושאים שאני לא מבין בהם - לצד הסברים חוזרים ונשנים על עקרונות תוכנה בסיסיים, למשל: ההבדל בין Float ו Integer.

מפתחי משחקים לרוב עובדים על גבי מנועים+סביבות פיתוח ייעודיות. המוכרים שבהם הם:

• Unreal Engine - ה High End למשחקי תלת-מימד עם גרפיקה מלוטשת. מודל התמחור הוא כ 5% מהכנסות החברה שמעל $1M - כלומר: ממש אחוזי מרווחי החברה.
• Unity - אולי המנוע הפופולארי ביותר למשחקי תלת-מימד, וגם פופולארי למשחקי דו-מימד. הוא פשוט יותר מ Unreal וזול יותר (רישיון שנע בין חינם ל $200 - תלוי ברווחי החברה).
• GameMaker Studio - מנוע פופולארי מאוד למשקי דו-מימד. מגיע עם מגוון רשיונות בין $39-$1500 למפתח.

במהלך העבודה עם הבן שלי, נתקלתי בפלטפורמה מעניינת נוספת בשם גודוט (Godot) שהיא סביבת פיתוח משחקים מבוססת קוד-פתוח וקהילה, שמתחרה ישירות ב Unity ואף צומחת ומתחילה לאיים עליה. למרות שאנחנו מצליחים להתקדם בגודוט בצורה מהירה יותר, לבן שלי עדיין חשוב להיות "מפתח Unity" - שם אנחנו משקיעים את רוב המאמץ....

תעשיית המשחקים הולכת וצומחת בהתמדה ועומדת כרגע על כ $200B בשנה - כפול מתעשיית הקולנוע. 

ב"משחק סטודיו" מושקעים לעיתים אף עשרות מיליוני דולר, ועובדים עליהם צוותים שגם יכולים להגיע למאות אנשים (הרבה אנשי גרפיקה ואנימציה, הרבה פחות מתכנתים. בדקתי). 

Shift שהתעשייה הזו עוברת בשנים האחרונות היא צמיחה של המובייל כפלטפורמה המרכזית / הרווחית למשחקים. פלטפרמת המובייל מספקת הזדמנויות מחודשות למשחקי דו-מימד עם גרפיקה פשוטה יותר, ולמשחקי "אינדי". למשל: AmongUs פותח ומתוחזק ע"י 3 אנשים, ו Stardew Valley פותח ועוצב ע"י אדם יחיד. 

אם הצד העסקי של משחקי "אינדי" מעניין אתכם - אני ממליץ לצפות בקישורים. אלו סיפורים על סטארט-אפים עם כל ההזדמנויות לעשות כל טעות אפשרית / להיכשל (בעיקר: עסקית).

גרפיקה ברמת "סטודיו", דורשת עבודה רבה מאוד - שהרבה מעבר להישג ידם של מפתחי "אינדי"

חווית פיתוח המשחקים - מה היא שונה מעבודה ב IntelliJ?

זו שאלה שלפני כמה חודשים יכולתי רק לנחש לגביה, אבל אני חושב שמעניין לשתף בכמה מילים. 

סביבת העבודה המרכזית, בסביבות פיתוח של משחקים, היא ה Scene Editor (תלת-מימדית, במקרה של Unity) בה ניתן לערוך סצנות: להציב אובייקטים, להוסיף להם טקסטורות / אנימציות, ומאפיינים (גודל, התנהגויות). את הקוד כותבים בסקריפטים קצרים יחסית, המקושרים לאובייקטים או לאירועים עליהם - למשל: ()OnCollisionEnter - טיפול באירוע בו חפץ אחר במרחב נכנס ל"מרחב ההתנגשות" של האובייקט אחר. מודל הפיתוח הזה מאוד דומה ל Code Behind המקובל ב Forms.NET (למי שמכיר) בה אנו קודם כל "מציירים" את המסך (Form) ומציבים עליו פקדים (UI Controls) - ואז מוסיפים פיסות קוד לאירועים של הפקדים. למשל: לחיצה על כפתור.

כמו ב Forms. NET - ניתן להכין ב Drag&Drop סצינות ("מסכים") למשחק פשוט, אך ככל שהמשחק יהיה מורכב יותר, אנו נעביר יותר שליטה על יצירת / הגדרות / ומיקום האובייקטים - לקוד.

את הקוד כותבים לרוב ב #C (מסתבר שזו שפה פופולרית בקרב מנועי-משחק), או בשפת סקריפטים ייעודית. רוב הכלים תומכים ביותר משפה אחת - אבל יש תמיד את השפה שהיא ה 1st Class Citizen שכדאי לדבוק בה.

בנוסף יש קונספט מקובל של "Visual Scripting" בו ניתן לתאר התנהגויות ללא כתיבת קוד:

המוטיבציה היא להנגיש "הגדרה של לוגיקה" ללא כתיבת קוד. בפיתוח משחקים יש הרבה מיומנויות נדרשות - וכתיבת קוד היא רק אחת מהן, שאולי יותר קשה להתעמק בה. ככל שהמשחק דינמי ומורכב יותר - אני מניח שיהיה פחות ופחות שימוש בכלים ויזואליים מסוג זה. 

הקטגוריה האחרונה של כלים שזמינים בסביבות הללו הם עורכי גרפיקה / טקסטורות / אנימציה / סאונד - שבהם אפשר להשקיע המון זמן ועבודה.

למי שמעדיף להשקיע את הזמן בתכנון ותכנות המשחק, יש מגוון של assets גרפיים / סאונד שניתן למצוא ברשת בחינם - אני והבן מעדיף אותם, במיוחד לאור כשרון גרפי מוגבל.

את המשחק עצמו, ניתן "לארוז"/"לקמפל" לסביבות שונות. ל Windows/Mac/Linux, מובייל (iOS/Android) ואולי גם קונסולות ו/או HTML5 (בעיקר למשחקי דו-מימד). כלומר: המנועים מספקים סביבה שהיא באמת Multi-platform אלא אם כתבתם או צירפתם קוד ספציפי-לפלטפורמה (לרוב C++/C) - מה שסביר יותר במשחקים גדולים / מורכבים.

ניהול תנועה: הבסיס

ניתן לדמיין את מנוע פיתוח המשחקים ככלי Drag & Drop מלא - בו ניתן לבנות משחקים פשוטים ללא כתיבת קוד. בפועל, לא נראה לי שניתן לכתוב משחק כלשהו - בלי לכתוב קוד. אתגר בסיסי וראשון: דמות השחקן (אם יש כזו) - צריכה לנוע, ומנוע המשחק לא מסוגל לספק פתרון מלא לבעיה הזו.

למה לא? כי יש שונות גדולה בין משחק למשחק, על אף הדמיון.

• כיצד מיוצגת דמות השחקן במשחק? - יש מקום לבחירות שונות.
• יש המון אפשרויות כיצד לדייק את ההתנהגות של דמות השחקן. נראה שאין "ברירת-מחדל" שתספק אפילו 20% מהמשחקים. נראה זאת מיד.

בכתיבת הקוד, אגב, נראה שיש שימוש נרחב בפרדיגמה הקלאסית של ״גזור-הדבק-פצפץ׳״: יש הרבה דוגמאות קוד להעתיק מהן - ופחות הסברי-עומק איך הדברים עובדים מאחורי-הקלעים. בפוסט אשתדל דווקא להראות מעט קוד - ויותר להסביר מה קורה מאחורי הקלעים.

נתחיל: Platformer הוא משחק של דמות שזזה בעולם, קופצת, מתכופפת, נופלת, וכו'. כמו Super Mario. בואו נתבונן כיצד מנהלים תנועה של דמות פשוטה שכזו.

בצורה הנאיבית ביותר אנו מגדירים אובייקט המייצג את הדמות ("Player") עם תמונה/אנימציה מתאימה, מציבים אותה על המסך - ומזיזים אותה בעקבות קלט של השחקן, למשל: ימינה/שמאלה.

מה קורה כאשר הדמות פוגשת בקיר? בפיתוח נאיבי (ללא מנוע של משחקי מחשב)  - הדמות תעבור דרך הקיר. אולי אפילו תמחק (ויזואלית") את הקטע שדרכו עברה.

אז מצד שני: מנוע המשחק כן מספק כלים משמעותיים - ואנחנו לא צריכים לרדת לכאלו רזולוציות.

הבסיס לתנועה "טבעית/נעימה לעין" של מנועי-המשחק הוא מנוע פיסיקלי (Physics Engine, נקרא בעבר מנוע דינמי) שכנראה מגיע עם כל מנוע-משחקים שמכבד את עצמו. למשל, המנוע של Godot שהוא הפשוט יותר להבנה (מול Unity), מגיע עם כמה טיפוסי בסיס המסייעים לחבר משחק למנוע הפיסיקלי:

• StaticBody - מתאר אובייקט ססטי בסביבה שלא נע, אך אפשר להתנגש בו.
• KinematicBody - גוף שנע, ויכול להתנגש באובייקטים - אך התנועה שלו מנוהלת ע"י הקוד שלנו. המנוע הפיסיקלי מספק פונקציות עזר לניהול תנועה / גילוי וטיפול בהתנגשויות - אך הלוגיקה של התנועה מנוהלת על ידנו. ידע בסיסי של מכניקה ברמת התיכון, מאוד עוזרת בכדי ליצור התנהגות הגיונית ונעימה.
• RigidBody - גוף המנוהל לגמרי ע"י המנוע הפיסיקלי - ובדיוק רב.
• כולל אלמנטים כגון:
• כח-כבידה
• התנגשות אלסטית ("קפיצה לאחור" כאשר גוף אחד מתנגש בשני, כאשר המהירות והמסה של כל גוף משפיעה על ההתנהגות)
• מומנטים (חלקים שונים בגוף נעים באופן שונה) - מה שגורם לסיבוב / סחרור של גופים.

• בקוד אנו לא שולטים בהתנהגות ה RigidBody - ורק יכולים להפעיל עליו כוחות, לפרקי זמן נתונים. 
• גם כאן, הבנה של מכניקה ברמת תיכון - יכולה בהחלט לעזור.
  

כמובן ש RigidBody נשמע המשוכלל / "הטוב" ביותר - וייצור חוויה "מגניבה", אך יש סיבות טובות לצמצם את השימוש בו:

• חישוביות CPU/GPU - הזיזו על על המסך כמה עשרות אובייקטים כאלו - והשבתתם מחשב ממוצע. 
• התנגשויות מרובות, למשל, יכולים לגרום "לתקיעה" קצרה של המשחק, בגלל החישוביות המורכבת של אירוע שכזה. יש צורך במומחיות מסוימת בכדי לגרום למשחק לעבור אירועים כאלו ללא הפרעה.
• התנהגות (לא) צפויה - מנוע פיסיקלי מחשב התנהגויות בדיוק ריאליסטי רב - אך הוא יצור גם תנועות שונות ובלתי-צפויות - שיובילו למצבי-קצה שלא צפיתם. זה עלול להיות מקור לבאגים בתצוגה ואף ממש במשחקיות, שקשה לצפות, וקשה לתקן. 

ההמלצה המקובלת היא  להשתמש בטיפוסים הפשוטים ביותר שיספקו חוויה "מספיק טובה", ולשמור את השימוש ב RigidBody בעיקר עבור אלמנטים "מגניבים" שאתם מוכנים להשקיע בהם הרבה.

אפילו את דמות השחקן, מעדיפים לנהל בד"כ כ KinematicBody - בכדי להימנע מטיפול במקרי קצה מורכבים. ישנם מנגנונים המפשטים את השימוש ב RigidBody - למשל: נעילה שלו כך שלא יוכל להסתחרר (וכך יהיה דומה יותר ל KinematicBody - הנע כולו כ Particle).

בקיצור: Tradeoffs מובנים, שאנשי תוכנה טובה מתורגלים בהם.

בכדי לפשט את העבודה של המנוע הפיסיקלי, לכל אובייקט במשחק יהיה CollisionShape שיעטוף אותו וייצג אותו מבחינת התנגשויות. ה CollisionShape יהיה לרוב צורה פשוטה לחישוב, כגון מלבן, או אליפסה (בתלת מימד: תיבה, גליל, כדור, וכו') - מקסימום פוליגון / הרכבה של כמה פוליגונים.

במקום לחשב התנגשות של bitmap של אובייקטים שונים במשחק (קשה!), המנוע יחשב התנגשויות רק על בסיס ה CollisionShape - שהוא קירוב קל לחישוב של צורת האובייקט.

דמות השחקן היא של רובוט, אבל מבחינת התנגשויות / המנוע הפיסיקלי - מדובר באליפסה פשוטה.

ניהול תנועה של שחקן

נראה שאין תחליף להסתכל על מעט קוד. הנה ההתנהגות שהקוד שלנו יאפשר:

דוגמת הקוד הבאה מנהלת תנועה בסיסית מאוד של שחקן (רובוט) שיכול לנוע ולקפץ על פלטפורמות. הרובוט הוא אובייקט מסוג KinematicBody2D, כלומר: אנו שולטים בתנועה. הסיומת 2D מציינת שזהו גוף בעולם דו-מימדי, רק X ו Y - שהוא קצת יותר פשוט מעולם תלת-מימדי. הקוד כתוב ב GDScript - שזו ואריאציה של פייטון:

1. אנו מייצרים וקטור חדש עם ערכי אפס. כל החישוב של תנועה מבוצע בוקטורים. וקטור מייצג כיוון וגודל. במקרה הזה זה מבנה נתונים שמחזיק שני ערכים: x ו y (מספרים שלמים). בציור: x=4, y=3. 
   
   
   
   
   
1. היחס ביניהם מתאר את הכיוון (זווית θ).
2. ההרכבה שלהם ("פיתגורס") תתאר את הגודל (m - מלשון magnitude).
2. המשחק רץ ב event_loop בו מקבלים input, מטפלים ב events, מפעילים את המנוע הפיסיקלי - ומעדכנים את התמונה על המסך. כל עדכון תמונה על המסך נקרא "פריים" (frame) כאשר השאיפה היא ל 60 פריימים בשניה.
1. ()physics_process_ הוא המעורבות של האובייקט בשלב המנוע הפיסיקלי, כאשר הפרמטר delta מבטא את הזמן שעבר מאז הטיפול הקודם של המנוע הפיסיקלי. חשוב לנרמל כל תנועה מתמשכת לקצב הפריימים ע"י הכפלה ב delta, אחרת התנועה תושפע משינוי בקצב הפריימים.
3. אנו קולטים קלט מהמשתמש, תנועה ימינה או שמאלה - וקובעים תנועה על ציר ה X.
1. elif הוא קיצור ל else if (בפייטון)
2. כאשר פונים שמאלה נרצה להפוך את הצלמית של הדמות בכדי לספק מידה מינימלית של ריאליזם.
4. הוספת כבידה: כפי שאפשר לראות את מערכת הצירים בתרשים של הוקטור, ערכי y חיוביים הם למטה, ולכן הוספה ל velocity.y מוסיפה מהירות כלפי מטה.
1. זה חוסר דיוק מבחינת הפיסיקה, כי הכבידה היא בעצם כח שגורם לתאוצה, ולא מהירות קבועה. עבור חווית משחק בסיסית זה מספיק טוב - וזה יותר פשוט מאשר הדמייה של תאוצה.
5. כאן אנו נעזרים במנוע הפיסיקלי לבצע את התנועה: אנו מספקים את מהירות הדמות (וקטור) ואיזה כיוון במסך מייצג למעלה (למה לא שמו default?) - והמנוע ינהל את הזזת הדמות בפריים הנוכחי + ניהול ההתנגשויות. אם השחק מתנגש בקיר - הוא ייעצר.
1. אם אנו רוצים חווית התנגשות עשירה יותר ("קפיצה לאחור" או השפעה על העצמים האחרים) עלינו להשתמש בפונקציות "נמוכות" יותר ברמת ההפשטה שלהן - ויש כאלו.
6. אם השחקן לחץ על "Jump" (ממופה למקש הרווח), והדמות נמצאת על הרצפה (הפשטה שניתנת לנו מהמנוע הפיסיקילי, מכיוון שסיפקנו לו מה הוא "למעלה" עבורנו) - נרצה להזניק את הדמות למעלה בקפיצה.
1. מכיוון שזו אינה תנועה מתמשכת, אלא חד פעמית - אנחנו לא מנרמלים אותה לקצב הפריימים (delta) . 

כל משחק צריך להתאים לעצמו את חווית התנועה ולדייק אותה למקרים שמתמודדים איתם, ולכן זה לא משהו שהצליחו לספק "out of the box". ב Unity יש הפשטה מעט שונה של CharacterController, המבוסס RigidBody - ולמרות עבודה טובה שעשו לצמצם סיבוך של RigidBody - הקוד מורכב יותר, ולכן בחרתי דווקא לספק דוגמה מ Godot.

יש עוד הרבה מה לשפר בתנועה של הדמות שלנו. למשל: התנועה שלה פתאומית: עוברת מעמידה למהירות מירבית באופן מיידי. חוויה יותר "נעימה" היא כאשר יש אלמנט של האצה ו/או האטה לפני עצירה. אלו דברים שקשה לשים לב מה Animated Gif למעלה, אבל מרגישים בהחלט תוך כדי שימוש במשחק. הנה שיפור הקוד שיוסיף את החוויה של האצה / חיכוך עד עצירה (האטה):

הפונקציה lerp (קיצור של linear interpolation) עושה ממוצע בין הפרמטר הראשון לפרמטר השני - ביחס בין 0.0-1.0 (הפרמטר השלישי, במקרה שלנו 0.2 או 0.1 בהתאמה), והיא עוזרת להגדיר הדרגתיות. למשל: האצה / האטה או גדילה / סיבוב הדרגתיים. (נתקלתי גם בשימוש מעניין שלה בדיגיטציה של צורות גיאומטריות - אבל זה חומר לפוסט נפרד).

בשורה הראשונה (האצה) אנחנו עושים lerp ("ממוצע") בין המהירות הנוכחית (שגדלה בכל פריים) למהירות המירבית (direction * speed) הרצויה שלנו. שינוי כיוון ידרוש האצה מחדש.

בשורה השנייה (האטה) אנו עושים lerp ("ממוצע") בין המהירות הנוכחית (שקטנה בכל פריים) ל 0.

הנה סרטון שמציג שמדגים בצורה מעט יותר ברורה את החוויה של האצה / האטה בדמות שחקן:

משהו לסיום: תנועה אוטונומית "חכמה" של דמות "אוייב"

אוקי. גרמנו לדמות השחקן שלנו לזוז. השחקן האנושי (והנבון) מכווין אותה.

כיצד אנחנו מניעים אויבים? מספר רב שלהם - ובלי יישות תבונית שמכווינה אותם?

זה נשמע מסובך ומתוחכם, אך מסתבר שזה עשוי להיות מתוחכם ודיי פשוט.

רעיון בסיסי ומקובל הוא לייצר מסביב לכל אויב מעגל יוזמה שאם השחקן חודר אליו (לפעמים תוך כדי תנועת "פטרול" של האויב) - האויב משנה התנהגות וחותר למגע ישיר (ועוין?) עם דמות השחקן.

השאלה המעניינת היא כיצד האויב לא נתקל במכשולים, ו"יוצא טמבל"?

כאן נתקלתי בדפוס מעניין שחשבתי לשתף, שנקרא "Context-Based Steering". אדלג על הקוד ואסתפק בהסבר עקרוני.

התוצאה היא תנועה אוטונומית ו"חכמה" של אויבים שלא מתנגשים במכשולים - הישג יפה לקוד פשוט יחסית:

וואהו! אני ממשיך ומתרשם מהדוגמה הזו, כל פעם מחדש.

הרעיון הוא כזה:

• משתמשים בוקטור / מערך של התנועות האפשריות של כל אוייב. במקרה שלנו 8 כיוונים (אפשר לדייק ולהגדיר גם יותר).
• מחזיקים שני וקטורים כאלו:
• וקטור רצונות (interest) - באיזה כיוון יש שחקן, אליו האויב רוצה להגיע.
• וקטור חששות (danger) - באיזה כיוון יש מכשול, לשם לא כדאי לנוע.
• הדרך לעדכן את המערך הוא בעזרת כלי שימושי הנקרא Ray-Casting: שולחים קרן דמיונית מנקודה מסוימת (מרכז האויב) בכיוון מסוים (אחד מ 8 הכיוונים שלנו) - ומקבלים באיזה אוביקט נתקלנו ראשון (אם בכלל). Ray-Casting היא פונקציה שימושית למגוון של סיטואציות.
• בוקטור הרצונות - אנו ממלאים את המרחקים לשחקן (בכיוונים שאכן נתקלנו בשחקן): מרחק קטן = רצון גדול, ולהיפך.
• בוקטור החששות - אנו ממלאים את המרחקים למכשול (בכיוונים שאכן יש מכשול): מרחק קטן = חשש גדול, ולהיפך.

זה מביא אותנו למצב כזה:

• עכשיו אנחנו מחסרים את וקטור הסכנות מוקטור הרצונות (וריאציה אחרת: מבטלים את כל הרצונות שבכיוון שלהם יש איזשהו חשש) - ואז מניעים את האויב בכיוון המועדף עליו ביותר.
• הרצונות חלשים מדי? האויב מפסיק לרדוף וחוזר למצב סטטי או "שיטוט".
• השחקן נמצא מאחורי מכשול? אין שום כיוון טוב לנוע אליו? נוע בכיוון אקראי, עד שהמצב ישתנה.
• עצם ההרצה של אלגוריתם פשוט שכזה - מספיקה במקרים רבים לספק התנהגות "אינטלגנטית" של אויבים, שמספקת אתגר והנאה לשחקנים. אותי זה מרשים!
• כמובן שבכל משחק צריך "לשחק" עם הפרמטרים, ולעתים להוסיף קצת tweaks עד שמגיעים להתנהגות רצויה וטובה - אבל זה הבסיס.

באנימציה שלמעלה ("מכוניות מרוץ אוטונומיות במסלול"), וקטור הרצונות נקבע לפי המשך המסלול: איזה כיוון לוקח את המכונית "הלאה" להמשך המסלול. את המסלול מגדירים בעזרת כלי / מבנה שנקרא PathFollow - ממנו אפשר לבקש בכל נקודה מה כיוון ההמשך.

מקווה שההסבר מספיק ברור. אפשר למצוא הסבר מלא ומפורט על  Context-based steering בלינק הבא.

סיכום

האם אפשר לקחת רעיונות מדומיין של פיתוח משחקים לתכנות מערכות ווב?

אני בטוח שכן - ורק מחכה להזדמנות לבחון כזו אפשרות. כמובן שיהיו גם False-Positives (יש דמיון בין בעיות - אבל הפתרון המושפע מ"פיתוח משחקים" לא מספיק מוצלח).

האם זה מעניין בלי יישום קונקרטי?

- אני מקווה שכן. עבורי זה נושא מעניין.

שווה לציין שבעוד שתחום הבינה המלאכותית התפתח המון בעשורים האחרונים - בעולם משחקי המחשב הוא כמעט לא התפתח, ורוב ה "בינה המלאכותית" של משחקי מחשב מבוססת על אותם עקרונות יוריסטיים / מתוסרטים (למשל: עצי החלטה) ופשוטים - שהתעשייה כבר עובדת איתם כבר עשרות שנים. 

הפקות יקרות של משחקים מדי פעם מחדשות ב AI מעניין / מתקדם יותר - אבל זה קורה רק מדי פעם.

שיהיה בהצלחה!