Unity实现A*寻路算法学习2.0

二叉树存储路径节点

1.0中虽然实现了寻路的算法，但是使用List<>来保存节点性能并不够强

寻路算法学习1.0在这里：https://www.cnblogs.com/AlphaIcarus/p/16185843.html

更好的方法是使用堆(或者叫树)来代替列表存储节点

注意：这里使用数组来实现堆，而非使用链表实现堆

这里使用二叉树的方式来存储节点之间的关系

如果在树的末尾添加了一个较小的值，



那么需要和父节点比较大小，如果更小，则交换位置

然后再与父节点比较大小，如果小于父节点，则再次交换位置

如果大于父节点，则停止交换

那如果较小的元素被移除了又怎么排序呢？（之前说过因为Clsot值比较后有时需要重新设置父节点）

首先把树末尾的节点数据添加到树顶



然后与两个子节点比较大小，和更小的那一个交换位置



然后再与两个子节点比较大小，直到两个子节点都更大



那么如何获取相关的节点呢？这里的数字表示第几个节点而不是存储的具体数据



可以发现以下关系

如果获取某个节点 n (第 n 个节点)

那么该节点的父节点为 ( n - 1) / 2

左子节点为 2n + 1

右子节点为 2n + 2

在Unity中应用

新建脚本Heap，这是一个数据类型，用来代替List类型，由数组构成

public class Heap<T> where T : IHeapItem<T>	//继承了该接口之后，需要实现数据类型T比较大小的方法
{
    T[] items;  //泛型数组，可以为任何类型的数据
    int currentItemCount;	//当前总共有多少元素
    public int Count		//属性，访问返回元素个数
    {
        get { return currentItemCount; }
    }
    public Heap(int maxHeapSize)    //构造器
    {
        items = new T[maxHeapSize];
    }
    public void Add(T item)     //添加新元素的方法
    {
        item.HeapIndex = currentItemCount;
        items[currentItemCount] = item;	//末尾添加新元素
        SortUp(item);				   //排序
        currentItemCount++;			    //元素总数+1
    }
    public T RemoveFirt()			//获取堆顶部元素并移除
    {
        T firstItem = items[0];		//取得顶部元素
        currentItemCount--;			//元素总数-1
        items[0] = items[currentItemCount];	//将最后一个元素移到顶部
        items[0].HeapIndex = 0;				//将该元素的索引设为0，即第一个元素
        SortDown(items[0]);					//下沉元素
        return firstItem;			//返回取得的顶部元素
    }
    public void UpdateItem(T item)
    {
        SortUp(item);
    }
    public bool Contains(T item)	//判断是否包含元素
    {
        return Equals(items[item.HeapIndex], item);
    }
    void SortDown(T item)     //下沉元素
    {
        while (true)	//一直循环，直到值小于左右子树或到最后位置
        {
            int childIndexLeft = item.HeapIndex * 2 + 1;	//左子树的索引
            int childIndexRight = item.HeapIndex * 2 + 2;	//右子树的索引
            int swapIndex = 0;
            if (childIndexLeft < currentItemCount)	//
            {
                swapIndex = childIndexLeft;
                if (childIndexRight < currentItemCount)
                {
                    if (items[childIndexLeft].CompareTo(items[childIndexRight]) < 0)
                    {
                        swapIndex = childIndexRight;
                    }
                }
                if (item.CompareTo(items[swapIndex]) < 0)
                {
                    Swap(item, items[swapIndex]);
                }
                else
                {
                    return;
                }
            }
            else
            {
                return;
            }
        }
    }
    private void SortUp(T item) //上浮元素
    {
        int parentIndex = (item.HeapIndex - 1) / 2;     //父节点的位置
        while (true)	//循环直至数据比父节点大
        {
            T parentItem = items[parentIndex];
            if (item.CompareTo(parentItem) > 0) //如果新的数据比父节点更小(f值更小)
            {
                Swap(item, parentItem);		//交换位置
            }
            else
            {
                break;
            }
            parentIndex = (item.HeapIndex - 1) / 2;	//下次循环前再次验证父节点索引
        }
    }
    private void Swap(T itemA, T itemB)	//交换数组中两个元素的位置
    {
        items[itemA.HeapIndex] = itemB;
        items[itemB.HeapIndex] = itemA;
        int itemAIndex = itemA.HeapIndex;
        itemA.HeapIndex = itemB.HeapIndex;
        itemB.HeapIndex = itemAIndex;
    }
}
public interface IHeapItem<T> : IComparable<T> //接口，Heap必须实现该接口，IHeapItem继承可比较接口
{
    int HeapIndex { get; set; }
}

接下来是Node

public class Node : IHeapItem<Node>	//继承接口，需要实现能够比较Node大小的方法
{
    ......
    private int heapIndex;	//声明节点的索引
    ......
    public int HeapIndex	//属性
    {
        get { return heapIndex; }
        set { heapIndex = value; }
    }
    public int CompareTo(Node needToCompare)	//实现的比较大小的方法
    {
        //通过比较 F 值的大小，来判断节点的大小
        int compare = FCost.CompareTo(needToCompare.FCost);
        if (compare == 0)
        {
            compare = hCost.CompareTo(needToCompare.hCost);
        }
        return -compare;
    }
}

接下来是PathFinding

public class PathFinding : MonoBehaviour
{
    ......
    private void Update()
    {
        if (Input.GetKeyDown(KeyCode.Space))
        {
            //分别注释方法，运行后比较两个方法寻找相同路径所需的时间
            //FindPath(seeker.position, target.position);	//之前使用List的方法
            FindPathHeap(seeker.position, target.position);	//新的使用Heap的方法
        }
    }
    ......
    private void FindPathHeap(Vector3 startPos, Vector3 targetPos)
    {
        Stopwatch sw = new Stopwatch();	//计时器
        sw.Start();
        Node startNode = grid.NodeFromWorldPos(startPos);   //输入空间坐标，计算出处于哪个节点位置
        Node targwtNode = grid.NodeFromWorldPos(targetPos);
		//这里将List替换为了Heap，初始化Heap
        Heap<Node> openSet = new Heap<Node>(grid.MaxSize);          //用于存储需要评估的节点
        HashSet<Node> closedSet = new HashSet<Node>();  //用于存储已经评估的节点
        openSet.Add(startNode);
        while (openSet.Count > 0)   //如果还有待评估的节点
        {
            Node currentNode = openSet.RemoveFirt();  //获取其中一个待评估的节点
            closedSet.Add(currentNode);     //将该节点加入已评估的节点，之后不再参与评估
            if (currentNode == targwtNode)  //如果该节点为目标终点，就计算出实际路径并结束循环
            {
                sw.Stop();
                print("Path found: " + sw.ElapsedMilliseconds + "ms");
                RetracePath(startNode, targwtNode);
                return;
            }
            //如果该节点不是目标点，遍历该点周围的所有节点
            foreach (Node neighbor in grid.GetNeighbors(currentNode))
            {
                //如果周围某节点不能行走 或 周围某节点已经评估，为上一个节点，则跳过
                //                          说明某节点已经设置父节点
                if (!neighbor.walkable || closedSet.Contains(neighbor))
                {
                    continue;
                }
                //计算前起始点前往某节点的 gCost 值，起始点的 gCost 值就是0
                //经过循环这里会计算周围所有节点的g值
                int newMovementCostToNeighbor = currentNode.gCost + GetDinstance(currentNode, neighbor);
                //如果新路线 gCost 值更小(更近)， 或 某节点没有评估过(为全新的节点)
                if (newMovementCostToNeighbor < neighbor.gCost || !openSet.Contains(neighbor))
                {
                    neighbor.gCost = newMovementCostToNeighbor;             //计算某节点gCost
                    neighbor.hCost = GetDinstance(neighbor, targwtNode);    //计算某节点hCost
                    neighbor.parent = currentNode;                          //将中间节点设为某节点的父节点
                                                                            //如果存在某节点gCost更小的节点，会重新将中间节点设为某节点父节点
                    if (!openSet.Contains(neighbor))    //如果某节点没有评估过
                    {
                        openSet.Add(neighbor);          //将某节点加入待评估列表，在下一次循环进行评估，
                    }
                }
            }
        }
    }
    ......
}

接下来是MyGrid

public class MyGrid : MonoBehaviour
{
    public bool onlyPlayPathGizmos;	//是否只绘制路径，便于观察
    ......
    void Start()
    {
        nodeDiameter = nodeRadius * 2;
        gridSizeX = Mathf.RoundToInt(gridWorldSize.x / nodeDiameter); //计算出x轴方向有多少个节点
        gridSizeY = Mathf.RoundToInt(gridWorldSize.y / nodeDiameter); //计算出z轴方向有多少个节点
        CreateGrid();
    }
    public int MaxSize	//属性，返回地图路径点的数量
    {
        get { return gridSizeX * gridSizeY; }
    }
    ......
    private void OnDrawGizmos()
    {
        Gizmos.DrawWireCube(transform.position, new Vector3(gridWorldSize.x, 1, gridWorldSize.y));
        if (grid != null)
        {
            Node playerNode = NodeFromWorldPos(player.position);
            if (onlyPlayPathGizmos)
            {
                //只绘制路径
                if (path != null)
                {
                    foreach (Node node in path)
                    {
                        Gizmos.color = Color.yellow;
                        Gizmos.DrawCube(node.worldPos, Vector3.one * (nodeDiameter - 0.1f));
                    }
                }
            }
            else	//绘制地图所有点和路径
            {
                foreach (Node node in grid)
                {
                   ......
                }
            }
        }
    }
}

接下来为了体现两个方法的耗时差距

修改一下地图的大小和节点的大小



运行结果：

使用Heap的耗时



使用List的耗时



可以看见速度大概提高了三倍