【２Ｄ】オブジェクトプールを活用した弾生成の最適化

　２Ｄゲームにおいて、弾の生成機能に関しての発展例です。
実装する処理が多いため、２回の手順に分けます。

　オブジェクトプールの機能を使い、同じ弾をリサイクルして繰り返し利用する方法に置き換えます。

　オブジェクトプールは、再利用可能なオブジェクトのセットを管理する仕組みです。
アプリケーション内で頻繁に生成と破棄を行うオブジェクトをプール(非表示化)しておき、
生成と破棄の代わりに再利用(再表示)することでパフォーマンスを向上させることができます。

　この例では、すでに作成している機能の内、公転する弾の生成と削除の処理をリファクタリングしたものを紹介します。
同時にインターフェースやクラスの継承を利用して、処理の抽象化も行います。

　そのため、ゲーム画面上の表現は変わりませんが、内部的な処理はかなり変わります。

＜実装動画ーボタンを押すとプレイヤーの進行方向に弾をまとめて投射するー＞

動画ファイルへのリンク

　事前に前回の手順の学習と実装が必要になります。

　　=>　【２Ｄ】プレイヤーを軸にして公転する弾の機能①
　　=>　【２Ｄ】プレイヤーを軸にして公転する弾の機能②

　　=>　【２Ｄ】弾制御用クラスの設計デザインと抽象化
　　=>　【２Ｄ】弾生成用クラスの設計デザインと抽象化

１．設計

　リファクタリングの対象は旋回する弾を投射する際の処理になります。

　いままでは投射された旋回する弾は、投射後に破壊していましたが、この部分をオブジェクトプールで管理します。
この手法を用いた場合、旋回する弾は破壊されるのではなく、非表示の状態になり、プールされます。

　投射する処理に利用している ThrowingBullet は、旋回する弾を管理するための入れ物であるため、
こちらはその都度破壊して、生成するようにしています。

◇　１．OrbitingBullet(旋回する弾) をオブジェクトプールから取り出して画面に表示する
　　　　オブジェクトプール内にない場合のみ、新しく生成する

　　２．ThrowingBullet を生成し、その子オブジェクトとしてｒ OrbitingBullet を入れて投射する
　
◇　３．ThrowingBullet を破壊する前に、OrbitingBullet をオブジェクトプールにすべて戻す

　　４．ThrowingBullet を破壊する

　このような処理の流れになります。
◇のついている部分が新しく採用するオブジェクトプールの機能です。

２．BulletBase クラスを修正して、オブジェクトプールに対応するための機能を追加する

　以前の手順で作成している BulletBase クラスを修正し、オブジェクトプールに対応するための機能を追加します。

　using UnityEngine.Pool の宣言が必要になります。

BulletBase.cs

<= クリックしたら開きます。

using UnityEngine;
using UnityEngine.Pool;　　//　←　宣言追加

public abstract class BulletBase : MonoBehaviour, IShootable 
{    
    protected Rigidbody2D rb;
    public Rigidbody2D Rb => rb;　　// get プロパティ


////*　プロパティの宣言とメソッドの追加　*////


    private IObjectPool<BulletBase> objectPool;

    // 弾に ObjectPool への参照を与えるプロパティ
    public IObjectPool<BulletBase> ObjectPool { get => objectPool; set => objectPool = value; }


    /// <summary>
    /// 弾をオブジェクトプールに戻す
    /// </summary>
    public virtual void ReleaseBullet() {
        Debug.Log(objectPool);
        objectPool.Release(this);
    }


////*　ここまで　*////


    /// <summary>
    /// 初期設定用の仮想メソッドです。
    /// このメソッドをオーバーライドして、特定の型に基づいた初期設定を行うことができます。
    /// </summary>
    /// <param name="t">初期設定に使用するジェネリック型のパラメータです。メソッドの実行側で適切な型を指定します</param>
    /// <typeparam name="T"></typeparam>
    public virtual void SetUp<T>(T t) {
        TryGetComponent(out rb);
    }

    /// <summary>
    /// 弾を発射する操作を行うメソッドです。
    /// 抽象メソッドとして IShootable インターフェースを実装しています。
    /// 抽象メソッドであるため、このメソッドを子クラスでオーバーライドして、具体的な弾の発射挙動を実装します。
    /// </summary>
    /// <param name="direction">弾の発射方向を示す</param>
    /// <param name="duration"> 弾の発射の持続時間を示す</param>
    public abstract void Shoot(Vector2 direction, float duration);
}

　処理のポイントはプロパティの活用方法です。
オブジェクトプールを参照先としておくことにより、このクラスからいつでもオブジェクトプール
(今回は次に修正する GeneratorBase クラス)へのアクセスを行えるようにしています。

　そのため、新しく追加した ReleaseBullet メソッドを任意のタイミングで実行できる状態を作り、
弾側からオブジェクトプールに戻す処理を実装出来ます。

３．GeneratorBase クラスを修正してオブジェクトプールの機能を追加する

　以前の手順で作成している GeneratorBase クラスを修正し、オブジェクトプールの機能を追加します。

　using UnityEngine.Pool の宣言が必要になります。

GeneratorBase.cs

<= クリックすると開きます

using UnityEngine;
using UnityEngine.Pool;　　//　←　宣言追加

public abstract class GeneratorBase : MonoBehaviour, IGeneratable
{
    [SerializeField] protected float bulletSpeed = 30;
    
    [SerializeField] protected BulletBase bulletPrefab;
    protected CharaController charaController;


////*　変数の宣言とメソッドの追加　*////


    // バレット用のオブジェクトプール(参照はインターフェースで持っておくとスタック型と連結リスト型の実装を変更可能。new のタイミングで実装変更できる) 
    protected IObjectPool<BulletBase> bulletPool;

    // オブジェクトプールの初期サイズ(最初に作っておく弾の数)
    [SerializeField] protected int initialPoolSize = 5;
    
    
    protected void Awake() {

        // オブジェクトプールの初期設定。new だが、インスタンスを作る訳ではない
        bulletPool = new ObjectPool<BulletBase>(
            createFunc: () => Create(),
            actionOnGet: OnGetFromPool,  // メソッド作成して登録できる
            actionOnRelease: target => target.gameObject.SetActive(false),
            actionOnDestroy: target => Destroy(target.gameObject),
            collectionCheck: true,
            defaultCapacity: 10,
            maxSize: 1000);
        
        //Debug.Log(bulletPool.CountInactive);  // この時点ではインスタンスなしなので、0 が出る

        // デバッグ用
        // BulletBase bullet = bulletPool.Get();  // ないので作る
        // bulletPool.Release(bullet);            // 非表示にする
        // BulletBase bullet2 = bulletPool.Get(); // 再表示する
        // bulletPool.Get();  // ないので作る
    }
    
    /// <summary>
    /// bulletPool.Get() メソッドにより、createFunc として実行される
    /// </summary>
    /// <returns></returns>
    BulletBase Create()
    {
        BulletBase bulletInstance = Instantiate(bulletPrefab);
            
        // 参照を与えておく(依存性注入する)ことで、Bullet 側で Release できる
        bulletInstance.ObjectPool = bulletPool;

        Debug.Log("生成");
        Debug.Log(bulletInstance.ObjectPool);

        return bulletInstance;
    }
        
    /// <summary>
    /// bulletPool.Get() メソッドにより、actionOnGet として実行される
    /// </summary>
    /// <param name="target"></param>
    void OnGetFromPool(BulletBase target)
    {
        target.gameObject.SetActive(true);
    }
    
　　/// <summary>
    /// 外部クラスより実行する
    /// bulletPool.Get() メソッドにより、オブジェクトプールから弾を取り出して戻す　→　OnGetFromPool メソッドが実行される
    /// プール内に弾がない場合には新しく生成して戻す　→　Create メソッドが実行される
    /// </summary>
    /// <param name="position"></param>
    /// <param name="rotation"></param>
    /// <returns></returns>
    public BulletBase GetBullet(Vector3 position, Quaternion rotation)
    {
        BulletBase bullet = bulletPool.Get();
        bullet.transform.position = position;
        bullet.transform.rotation = rotation;

        Debug.Log("取得");
        return bullet;
    }
    
    
////*　ここまで　*////


    /// <summary>
    /// 初期設定
    /// </summary>
    public virtual void SetUpBulletGenerator(CharaController charaController)
    {
        this.charaController = charaController;
        Debug.Log("初期設定 完了");
    }


    public abstract void GenerateBullet(Vector2 direction);

    public abstract void GenerateBullet<T>(Vector2 direction, T t);
}

４．オブジェクトプール

　オブジェクトプールとは、デザインパターンの１つです。

　その概念をゲーム内でも利用できるように Unity の用意している機能の１つでもあります。
以前は自作して利用していましたが、Unity 2021 より、Unity の標準機能として実装されました。

参考サイト

Unity 公式マニュアル
オブジェクトプール

【Unity】オブジェクトプール（Object Pool）の使い方！Unity2021から標準で使えるぞ

Zenn twugo様
(非公式和訳）Unity - level up your code with game programming patterns　Chapter 05　オブジェクトプール（Object Pool）

【Unity】Unity公式のObjectPoolを使ってみる(内部実装も一部紹介)

１．オブジェクトプールの初期化

　コンストラクタメソッドを定義します。
この部分における初期化とは、オブジェクトプールの機能を設定する、という意味合いになっています。
そのため、この部分でオブジェクトを生成している訳ではなく、どのような挙動をするのかを決める、という内容の初期化処理です。

参考サイト

Unity 公式ドキュメント
ObjectPool T0 Constructor

　　　　// オブジェクトプールの初期設定。new だが、インスタンスを作る訳ではない
        bulletPool = new ObjectPool<BulletBase>(
            createFunc: () => Create(),
            actionOnGet: OnGetFromPool,  // メソッド作成して登録できる
            actionOnRelease: target => target.gameObject.SetActive(false),
            actionOnDestroy: target => Destroy(target.gameObject),
            collectionCheck: true,
            defaultCapacity: 10,
            maxSize: 1000);

　ObjectPool はジェネリック<T>ですので、利用するときに型を指定します。
ここでは BulletBase 型にしています。抽象化しておくことにより、特定の弾ではなく、弾であればどれでも、という利用方法が出来ます。

　引数は７つあり、それぞれに指定された値を設定していくことで、オブジェクトプールの挙動を作ります。

　この例では各引数について名前付き引数の機能を利用して書き込んでいますが、値だけを記述しても問題ありません。

参考サイト

MicroSoft
名前付き引数と省略可能な引数 (C# プログラミングガイド)

２．第1～4引数

　第1～4引数までは、特定のイベント発生時の実行処理を設定します。OnTriggerEnter メソッドなどのコールバック処理のイメージです。
「こういう状態になったら(特定のイベント発生したら)」⇒「設定した(紐付けした)処理を実行する」というパターンです。
このうち、「設定した(紐付けした)処理を実行する」の部分はデリゲートになっており、ラムダ式による匿名メソッドが利用できます。

　第1引数は createFunc です。これは、IObjectPool.Get() メソッドにより実行されます。
この Get メソッドは内部で自動分岐し、オブジェクトプール内にオブジェクトがある場合には、次の第2引数に登録されているメソッドが実行されます。
そしてオブジェクトプール内にオブジェクトがない場合に、この第1引数の処理が実行されます。

　これは Func<T> 型です。ここにはオブジェクトプールに対して生成の命令がきた場合の挙動を設定します。
主にプールが空のときに新しいオブジェクトのインスタンスを生成する機能を設定します。
() => Create() を指定していますので、生成命令がきた場合には Create メソッドを実行します。

　第2引数以降も同様です。特定のイベントに紐づける形でデリゲートを設定していきます。

　第2引数は actionOnGet です。これは、IObjectPool.Get() メソッドにより実行されます。
　こちらは Action<T> 型です(戻り値がありません)。
ここにはオブジェクトプール内にプールされて非表示の状態になっているオブジェクトを取り出す際の処理を設定します。
OnGetFromPool メソッドを指定していますので、オブジェクトの取り出し命令が来たら、OnGetFromPool メソッドが実行されます。

　第3引数は actionOnRelease です。これは IObjectPool.Release() メソッドにより実行されます。
　こちらも Action<T> 型です。
このメソッドはオブジェクトプールと同じ型を第1引数に取ります。今回であれば BulletBase 型の情報を指定します。

　ここにはオブジェクトをオブジェクトプール内に戻す命令が来たときの処理を設定します。
target => target.gameObject.SetActive(false) と設定されていますので、引数で受けた target (今回は BulletBase 型)のオブジェクトを SetActive メソッドを利用して非表示します。
これにより、オブジェクトが再度、オブジェクトプール内に戻り、プールされます。

　このようにデリゲート部分には、メソッドだけではなく、処理が1行である場合にはラムダ式を利用して、直接処理を記述することも出来ます。

　第4引数は actionOnDestroy です。こちらも Action<T> 型です。
これには直接の実行命令はなく、オブジェクトプールが第7引数で設定する maxSizeに達した際(オブジェクトをプールに戻せなかったとき)に自動的に呼び出される処理を設定します。
プールからあふれてしまったオブジェクトに対しての処理になりますので、主にオブジェクトの破壊処理を設定します。
target => Destroy(target.gameObject) と設定されていますので、引数で受けた target のオブジェクトを破壊します。
この場合、このオブジェクトはプールされずに破棄されます。

　いずれの場合も、オブジェクトプールからの命令により、いずれかのイベントが実行されます。

３．第5～7引数

　第5～7引数は、オブジェクトプールの設定値です。

　第5引数は collectionCheck です。bool 型です。チェック機能のオンオフ切り替えです。ここでは true に設定しています。
true に設定しておくことで、オブジェクトのインスタンスがプールに戻されるときに自動的に実行されます。
オブジェクトのインスタンスをプールに戻す際、同一のインスタンスが登録されているか調べ、すでに登録がある場合は、例外がスローされます。
この機能はエディターでのみ実行されます。

　第6引数は defaultCapacity です。int 型です。ここでは 10 に指定しています。
最初にオブジェクトプール内にオブジェクトを生成する命令がきたとき、
この値の分だけ、オブジェクトプール内にオブジェクトのインスタンスを生成します。

　今回の指定値の場合、最初の生成命令により10個のオブジェクトを生成することになり、再利用されることが保証されます。
ゲーム開始時など、予めオブジェクトを用意しておきたい場合などに役立ちます。

　第7引数は maxSize です。int 型です。ここでは 1000 に指定しています。
オブジェクトプールの最大サイズです。この値がオブジェクトプール内に保持できるオブジェクトの総数になります。
オブジェクトプールが最大サイズに達すると、プールに返されたそれ以上のインスタンスは無視され、ガベージコレクションされる可能性があります。
そのため、この値を適切に使用すると、プールのサイズが非常に大きくなるのを防ぐことができます。

５．BulletBase クラスを継承した子クラスの作成①　ー OrbitingBullet_Pool クラスー

　OrbitingBullet クラスを元に修正し、BulletBase を継承し、ObjectPool の機能を備えた新しいクラスを作成します。

　前のクラスは残しておいて、こちらの処理と比較しながら、どの部分がリファクタリングされているかを確認してみましょう。

<= クリックすると開きます

using UnityEngine;

public class OrbitingBullet_Pool : BulletBase　　//　←　BulletBase クラスを継承します
{
    [SerializeField] private float rotateSpeed = 3;   // 回転速度

    [SerializeField] private Transform target;        // 回転の中心軸となるターゲット
    public Transform Target { get => target; set => target = value; }             // プロパティ

    private float rotationSpeedClockwise = -1.0f;     // 回転の方向。-1で時計回り、1で半時計回り。大きさによって角度も変わる


    void Update()
    {
        if (!target)
        {
            return;
        }

        Revolve();
    }

    /// <summary>
    /// 初期設定
    /// </summary>
    /// <param name="charaController"></param>
    public override void SetUp<T>(T charaController)
    {
        base.SetUp(charaController);

        if (charaController is CharaController chara) {
            target = chara.transform;
        } else {
            Debug.Log("CharaController が取得出来ませんでした。");
        }
    }

    public override void Shoot(Vector2 direction, float duration) { }

    /// <summary>
    /// ゲームオブジェクトを中心軸に対して円運動(公転)させる
    /// </summary>
    private void Revolve()
    {
        //プレイヤーを中心に円運動(公転回転)  RotateAround(中心となるワールド座標、回転軸、回転角度)
        transform.RotateAround(target.transform.position, Vector3.forward, rotationSpeedClockwise * rotateSpeed * Time.deltaTime);
    }
}

　SetUp メソッドと Shoot メソッドを override して実装しています。
Shoot メソッドは、このクラスでは利用しませんが、BulletBase での Shoot メソッドが abstract によって定義されているため、
実行したい処理がない場合であっても必ず定義しなければなりません。抽象メソッドによる制約です。

　この制約により、BulletBase クラスを継承しているサブクラスには、必ず Shoot メソッドを定義する必要があります。
このクラスでは利用しませんが、他の弾用のクラスにも実装の強制が生じますので、弾を発射する機能を書くことが保証されるという意味合いがあります。

　なお、もしも敵側に旋回する弾があたったとき、弾を破壊している場合には、
Destroy させている部分を、ReleaseBullet() メソッドを実行するように変更してください。
　
　敵に接触しても旋回する弾自体が破壊されていないのであれば問題ありません。

６．BulletBase クラスを継承した子クラスの作成②　ー ThrowingBullet_Poolクラスー

　こちらも以前に制作した ThrowingBullet を、BulletBase を継承し、かつ、オブジェクトプールに対応した形にリファクタリングします。

　新しくクラスを制作して比較する学習方法がよいでしょう。

ThrowingBullet_Pool.cs

<= クリックすると開きます

using System.Collections;
using System.Collections.Generic;
using UnityEngine;

public class ThrowingBullet_Pool : BulletBase　//　←　BulletBase を継承します
{
    private List<BulletBase> orbitingBulletList = new();

    
    /// <summary>
    /// 初期設定
    /// </summary>
    /// <param name="bulletList"></param>
    public override void SetUp<T>(T bulletList) {

        base.SetUp(bulletList);
            
        // キャストできるか確認してから処理をおこなう
        if (bulletList is List<BulletBase> castBulletList) {
            foreach (var bullet in castBulletList) {
                bullet.transform.SetParent(transform);

                // 子オブジェクトから不要なコンポーネントを削除(子にも Rigidbody があると正常に物理演算が動作しない)
                //Destroy(bullet.Rb);  // 最初からプレハブに不要だったのでリムーブしてある

                // OrbitingBullet があると公転回転してしまい正常に投射できないので、対象を削除する
                // オブジェクトプールで繰り返し使う予定なので、クラス自体の削除は止める
                bullet.GetComponent<OrbitingBullet_Base>().Target = null;
                Debug.Log("削除");
                Debug.Log(bullet.GetComponent<OrbitingBullet_Base>().Target);
                
                orbitingBulletList.Add(bullet);
            }
        }
    }
    
    /// <summary>
    /// プレイヤーの向いている方向に発射
    /// </summary>
    /// <param name="direction"></param>
    /// <param name="duration"></param>
    public override void Shoot(Vector2 direction, float duration) {
        Debug.Log(direction);
        rb.AddForce(direction, ForceMode2D.Impulse);

        // 後処理
        StartCoroutine(ReleaseBullet(duration));
    }

    /// <summary>
    /// 弾をオブジェクトプールに戻す
    /// </summary>
    /// <param name="duration"></param>
    /// <returns></returns>
    private IEnumerator ReleaseBullet(float duration) {

        yield return new WaitForSeconds(duration);

        foreach (var bullet in orbitingBulletList) {
            // 親子関係を解消して単体のオブジェクトに戻す
            bullet.transform.SetParent(null);
            
            // オブジェクトプールに戻して非表示にする
            bullet.ReleaseBullet();
        }
        Destroy(gameObject);
    }
}

　OrbitingBullet_Pool と同じように SetUp メソッドと Shoot メソッドを override して実装しています。
SetUp メソッド内の処理も OrbitingBullet とは異なっていますし、Shoot メソッドでは投射の処理を行い、
そのままオブジェクトプールに戻すためのコルーチンメソッドの呼び出しも行っています。

　BulletBase クラスの ReleaseBullet メソッドは、戻り値の型は void で、引数はありませんでしたが
ここでは新しくコルーチンメソッドとして ReleaseBullet メソッドを作成するとともに、引数も設けています。

　このように同じ名前のメソッドであっても引数の設定が異なる場合には定義することが出来ます。
この機能をオーバーロード機能と呼びます。

　引き続き、オブジェクトプールのリファクタリング手法を学習しましょう。

　　　=>　【２Ｄ】オブジェクトプールを活用した弾生成の最適化②

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