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浅析 1.13 世界生成

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摘要

世界生成是我的世界的一个重要内容。Minecraft 在发展，世界生成的代码却在很长的一段时间里没有发生太大的变化，而 1.13 正是对这一切进行变革的一个版本。在之后各个版本的世界生成中，1.13 版本的核心价值一直在不断地体现。这就是为什么会有这篇文章：因为这是一次划时代的更新。本文从世界生成的各个方面，逐一探讨其中的奥秘，揭开新版世界生成神秘复杂的面纱。

文章链接

更多链接参见文章相关链接一栏。

引子：为什么？

世界生成（World Generation, or WorldGen for short）是我的世界的一个重要内容。Minecraft 在发展，世界生成的代码却在很长的一段时间里没有发生太大的变化，而 1.13 正是对这一切进行变革的一个版本。那么为什么我们需要推翻一个使用这么长时间的、看似并没有太大问题的世界生成机制呢？我们为什么要这样变？这样变又有什么好处呢？

要解答这些问题，就要从旧版的世界生成说起，在这里，我不能把 1.12 及以前的地形生成解析一遍，在文末的相关链接我给出了土球的一个简要解析，供读者参考。也许在实际的游戏中，我们很难看出什么区别，但潜移默化间，Mojang 已经向前迈出了一大步。

这次 Mojang 代码的重构采用了全新的设计模式，增加了代码的可扩展性，主要体现在：

  • 将世界生成的功能被集中在了区块生成器和生物群系两部分上面，而不是离散在方方面面，更便于对代码之间的关系进行分析。
  • 细化了分类和世界生成的步骤，将不同的功能分离开，实现逻辑分层和模块化，代码更加清晰，复用性更高。
    • 比如把定位和生成分离，灵活组合，告别了过去一写特性就花半天写定位代码或复制定位代码的冗余。
    • 因为步骤被细化了，更加利于分配任务，所以世界生成可以异步了。
  • 采用大量函数式接口，助力函数式大潮，让传递代码成为一种时尚。
  • 采用了全新的设计模式，告别了过去Mojang一贯的代码风格，打破了我们的刻板印象。
    • 如(X-XType)模式，即用X表示对象本身，实现它的功能，而XType描述这类对象性质，提供对象的工厂方法。
    • 如(X-XConfig)模式，即用X实现功能，而用XConfig来传递实现此功能的参数，通过泛型避免不同行为的参数不同和大量无意义的类型转换。
    • 如有限状态机，用以表示区块生成的不同阶段和更加灵活地方式区分生物群系，删除了过去的硬编码。
  • 统一化的世界生成接口，让所有生成的装饰都归于一个概念——特性。避免了以往的混乱不堪、互相踩脚的弊端。
  • 开放了生物群系的接口，提供了生物群系的Builder，让你体验搭积木式的快感，让你不用Forge也能加特性。

在之后各个版本的世界生成中，1.13 版本的核心价值一直在不断地体现。这就是为什么会有这篇文章：因为这是一次划时代的更新。下面我们将从世界生成的各个方面，逐一探讨其中的奥秘，揭开新版世界生成神秘复杂的面纱。

区块生成概述

区块（Chunk）是Minecraft世界里一个大小为 16×256×16 的部分 ——Minecraft 中文维基

一个存档有多个维度，每个维度都有一个世界，世界是由一个个区块组成的，所以生成世界的实质就是生成区块。

在过去，区块生成分为 Generation 和 Population 两个阶段，而在 1.13 以后，不再这样笼统的区分，每个区块都拥有一个状态，每个状态都表示他已经完成的某一个任务，并提供下一个任务，以此实现异步的区块生成。

按顺序，它们分别是：

状态 翻译
empty 空
base 基础
carved 镂空
liquid_carved 流体镂空
decorated 装饰
lighted 光照
mobs_spawned 生物生成
finalized 收尾
fullchunk 完整区块
postprocessed 处理后

前面的阶段属于样板（proto）区块，而最后两个属于存档（level）区块，后者已经可以序列化为 NBT 了。这个两种类型定义在ChunkStatus.Type枚举中。

[提示] 为了更加直观的观看区块生成时所处的不同状态，可以观看 1.14 世界加载时的动画，其中不同的颜色代表不同的状态，可以说没有 1.13 的变革也不会有 1.14 的进步。

区块生成任务

接下来详细讲解每一个各个任务的内容。

[注意] 再说一遍是对应的任务的内容，其他内容不再此列。

基础

选定生物群系

生物群系选定是区块生成的第一步，所以也是世界生成的第一步。因此重要程度不言而喻。随着版本更迭，这一部分变化也很大。有关这一部分的内容，请参考我的新作。

高度图

高度图记录每个(x, z)下最高的方块，用于描述地形的起伏升降，根据“最高方块”的标准不同，高度图分为以下几种，注意且的优先级是高于或的。其中有_WG后缀的都是为世界生成准备的。

枚举名 含义：最高的 非 (...) 的方块
LIGHT_BLOCKING 空气 或 透明
MOTION_BLOCKING 空气 或 允许移动 且 不包含流体
MOTION_BLOCKING_NO_LEAVES 空气 或 树叶 或 允许移动 且 不包含流体
OCEAN_FLOOR 空气 或 允许移动
OCEAN_FLOOR_WG 空气 或 流体
WORLD_SURFACE 空气
WORLD_SURFACE_WG 空气

[说明]

  • 透明：即不透明度为0的方块，不透明度会影响光的传递
  • 树叶：即拥有minecraft:leaves标签（tag）的方块
  • 允许移动：允许实体进入方块并在其中移动，比如树苗、按钮、花盆、地毯
  • 不包含流体：即该方块里面没有流体浸入，比如正常的梯子，就属于 允许移动 且 不包含流体，但是如果梯子里面倒桶水，它就“包含流体”了

这些类型都可以在Heightmap.Type找到，这两种用途对应枚举Heightmap.Usage的值。

为了构造地表，我们需要一些高度图，高度图怎么得来，生成随机数？那样生成的地形七上八下支离破碎，为了确保地形看上去更加平滑真实，就需要用到噪声算法，可以最大程度保证不出现极端的高度跳跃。

上面说到的高度图，指的是世界生成专用的高度图，而其他的高度图，则是在每个区块生成的任务执行前进行更新。区块生成的前面四个阶段都不会更新高度图，而剩下的都会更新高度图。

地表构造器

有了高度图，我们就可以据此生成地表了。新版本生成地表的工具便是地表构造器。

[注意] 地表构造器（ISurfaceBuilder）的Builder跟通常的Builder不同，它本身就是功能性的一个类，这个Build指的是地形的构造，而不是对象的构造

地表构造器就是原来的Biome#genTerrainBlocks，独立出来之后，它变得更加灵活、复用性更强。

而地表构造器配置提供至少两个信息，即顶层（top）方块和中层（middle）方块，比如在普通的平原生物群系，顶层（top）方块就是草方块，而中层方块则是泥土方块，此外还会有水底方块的信息（比如默认为砂砾）。

基岩的生成代码独立出来，而不是像过去一样包含在Biome#genTerrainBlocks的代码里，这也就意味着你不会因为不谨慎的覆盖而导致基岩的生成被“取消”了。

镂空、流体镂空

所谓镂空就是钻洞注水，采用IWorldCarver。

GenerationStage.Carving枚举的AIR表示镂空，LIQUID表示流体镂空。

镂空是生物群系相关的，因为镂空器是从生物群系那里取得的。

[注意] GenerationStage 中的那个与旧版的 Generation 无关。

装饰

装饰可以说是整个地形生成中最为重要的一部分了，你不想看到光秃秃的世界吧，在这个阶段，所有可掉落掉落的方块都会立即掉落（但是镂空阶段却不会，这也就是为什么原版生成的地图有这么多浮沙）。

装饰的载体是生物群系，它实际上就是从原来的Biome#decorate独立而成，独立出来之后，它变得更加灵活、复用性更强，不过在过去，有一个叫装饰器（decorator）的东西，被彻底移除了，现在用特性来统一管理所有生物群系特性，分为三类。

类别 说明
特性 无
花 可以通过用骨粉催熟后天生成的特性
特殊之处：有一个专门的列表以便骨粉迭代
结构 它们的一些数据会被单独保存在世界里面，我们会在下面单独谈到
特殊之处：有一个专门的映射以便保存相关配置
必须要调用两个方法来注册，分别加入特性列表和添加配置的映射

GenerationStage.Decoration枚举里面的值列出了装饰的所有阶段，依次是：

状态 翻译 例子
raw_generation 原生生成 目前只有末地岛
local_modifications 本地修饰 湖、岩浆湖、冰山、苔石堆
underground_structures 地下结构 略，特例：地牢（它只是特性而不是结构）
surface_structures 地表结构 略，特例：冰刺地区的冰刺和冰道
underground_ores 地下矿石 略
underground_decoration 地下装饰 化石、萤石、下界火、岩浆、蠹虫刷怪蛋
下界蘑菇（主世界蘑菇在下一个阶段生成）
vegetal_decoration 植物装饰 略，特例：
主世界蘑菇（因为蘑菇不是植物下界蘑菇在上一个阶段生成）
单格的水和岩浆（常在矿洞里面形成瀑布，
鬼知道Mojang为什么要把它放到这里面）
top_layer_modification 顶层修饰 在温度足够低的位置生成冰雪

生成装饰时，特性往往要借助定位器的协助，定位器可以根据周围的地形调整生成的位置，而复合特性就包含了定位器和特性，在生成时就自带定位了。

[提示] 定位器常常会用到前面说的高度图来确保特性在地表生成。

光照

此时区块的方块已经生成完成，但是光照没有更新，所以根据目前区块中方块的光照，当然还有天空的光照来更新区块的光照。

生物生成

为了让玩家在进入游戏后里面看到生物，这个阶段将会预先生成一些生物。

所以下界和末地在这个阶段什么都不做。因为就算是空的也没关系，过会就有了嘛，反正都是怪物。

收尾

确保更新高度图。

完整区块、处理后

什么都不做，直接由相关代码设置为此状态。

结束了？结束了。

当然了，最后两个阶段并不是真的什么都不做，而是由别人做，下面介绍一下相关代码：

当到完整区块的阶段时，表示一个Chunk对象已经完成了构造。

而在玩家正式进入世界之前，还需要一些处理。

当一个区块周围的 8 个区块都生成完毕，那么它会：

  • 对区块内的一些方块状态进行更新。
  • 更新需要 tick 的方块和流体。
  • 检验区块里的TileEntity。

在收尾完成之后，Chunk#isPopulated将会返回true。

[注意] 这个 Populate 和旧版也没多大联系，硬要说，就是都表示这个区块的生成已经完成。

生物群系

有关这一部分的内容，请参考我的新作。

结构生成

Structure -> StructureStart -> StructurePiece

如图，在生成结构（你已经知道结构也是特性的一种，对吧？）时，先判断是否为正确的生物群系，接着以中心区块（Feature本应生成于的区块）为正方形的中心，结构尺度（size，单位是区块，这也就是为什么不译作大小）的两倍加一为正方形的边长，在这些区块中寻找一个合适的区块作为整个结构的起点，这个起点本身的大小不能越过正方形的边界。

结构起点储存这个这个结构的所有可能有的部分。而在确认此处要生成结构之后，会把任务交给结构起点，结构生成就正式开始了。

在结构起点的构造器里面，第一个阶段将会被调用。

buildComponent

在这个阶段，从起点开始延伸，结构的各个组成环节产生，但是此时此刻，方块不会被放置，而是形成一个个 Component，为了便于讲解，我译作（结构生成）任务，把所有 Component 成为任务列表。

为了更好地说明，我们用村庄做例子。

[说明] 村庄是一个易于理解的，常见的例子，但是 Mojang 的源代码确实太难看。我不原封不动的解析，而是把真正有意义的内容讲出。

  • 在最开始的时候，只有一个水井任务被加入任务列表。
  • 水井的buildComponet里面加入了朝向四个方面路的任务，我们有四条“开路”。
  • 现在我们对每一条路都buildComponet，毫无疑问路会延伸，我们把已经build之后的路从我们的开路列表里面移除，同时刚才有新增了几个开路。
  • 路在延伸的时候，有一定的几率添加一个屋子到任务列表，如果是在路边，路还能继续延伸，否则路到这就变成死路了。
  • 也有可能会生成岔路，岔路也会被放进开路的列表。
  • 如果生成屋子和岔路都生成失败了，那么还有一定几率拐弯。
  • 如果上面的尝试都失败了，那么这条路就成了死路。

[说明] 上面的原理揭示了为什么把村庄的size设置得非常大(比如正常=0，超平坦=1，我设置为65535)并不会让村庄真的变得非常大，因为村庄的生存实际上很大程度受到路的限制，一旦没路了，村庄就不会生成了。

同样的原理对于下界堡垒也适用，但是下界堡垒相对来说更加复杂多变。

为了防止发生两个部分撞在一起的悲剧，所有的过程都是被监管的，只要这个部分太大，那么任务就无法被添加，但是这只对同一个结构有效，如果不巧有两个结构，那就无法避免地其中一个会被另外一个替换方块，这可能是我的世界极少数资源与区块加载顺序联系在一起的实例，而造成的影响也几乎是可以忽略不计的，除非他把你的末地门弄坏了2333。

addComponentParts

真正破坏末地门是在这里（雾。

在这个阶段，所有结构的方块被放置，应始终确保方块不超出结构的边界，同时也要保证方向的正确，返回的boolean表示它的生成是否成功，此后，还会对这个结构的大小进行重算。

模板

模板是已经被证明C++最强大的功能之一，但却常常被人们忽视、误解或误用。
——Nicolai M. Josuttis《C++Templates》

咳咳，串味了，此模板非彼模板。

在生成结构的时候，你是否对不断地调用方法放置方块地硬编码感到厌倦？模板可是说是你的大救星，“但却常常被人们忽视、误解或误用”。早在 1.9，Mojang 就引入了结构方块，随之而来的就是 template，可以说，结构从硬编码转为 template 可以说是大势所趋。那么，模板究竟是怎样存储结构数据，又是怎样呈现在世界上的呢？

模板最重要的三个内容便是方块、实体、大小，其中方块和实体的位置都是相对于这个结构的原点—— xyz 都最小的那一个角表示的。这也就意味着模板易于在任意区域建造。同时，模板同样储存了方块和实体的朝向，这也就意味着模板本身具有方向性——好在模板还有一个特点，那就是易于旋转或者镜像。在模板建造在世界上的同时，当中的方块也会更新，来保证结构的功能性。

调色盘

往往一个模板里面会有很多完全相同的方块，如果这些方块都一一存入NBT，实在是有些浪费空间。因此Mojang引入了调色盘这个概念，说白了就是一个字典——给Blockstate编号，按照读入的先后，从0开始依次编号，与以前的数字id不同，这只是一个临时编号，仅仅对于这个结构有效，此外，这个id是NBT无关的，即它不表示IBlockstate所在的TileEntity所携带的NBT。

[提示] 如果你对原版的区块格式有所了解，你就会知道，实际上区块也是有调色盘的。

TemplateStructurePiece

为了更方便的使用模板生成结构，Mojang 准备了这个类。

其他的不用说，我们把眼光投向TemplateStructurePiece#handleDataMarker。

嘿，DataMaker是什么？

不知道大家注意到没有，结构方块的四种模式里面，有一种叫做“数据”，这就是所谓的DataMaker，它填补了结构中无法携带特殊信息的不足，通过这个，我们能够吧代码和模板联系起来，让模板“调用”代码。

Data模式的结构方块在存入结构时会被自动替换为结构虚空。

我们不妨以海底废墟为例：

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protected void handleDataMarker(String function, BlockPos pos, IWorld worldIn, Random rand, MutableBoundingBox sbb) {
     if ("chest".equals(function)) {
        worldIn.setBlockState(pos, Blocks.CHEST.getDefaultState().with(BlockChest.WATERLOGGED, Boolean.valueOf(worldIn.getFluidState(pos).isTagged(FluidTags.WATER))), 2);
        TileEntity tileentity = worldIn.getTileEntity(pos);
        if (tileentity instanceof TileEntityChest) {
           ((TileEntityChest)tileentity).setLootTable(this.field_204040_h ? LootTableList.CHESTS_UNDERWATER_RUIN_BIG : LootTableList.CHESTS_UNDERWATER_RUIN_SMALL, rand.nextLong());
        }
     } else if ("drowned".equals(function)) {
        EntityDrowned entitydrowned = new EntityDrowned(worldIn.getWorld());
        entitydrowned.enablePersistence();
        entitydrowned.moveToBlockPosAndAngles(pos, 0.0F, 0.0F);
        entitydrowned.onInitialSpawn(worldIn.getDifficultyForLocation(pos), (IEntityLivingData)null, (NBTTagCompound)null);
        worldIn.spawnEntity(entitydrowned);
        if (pos.getY() > worldIn.getSeaLevel()) {
           worldIn.setBlockState(pos, Blocks.AIR.getDefaultState(), 2);
        } else {
           worldIn.setBlockState(pos, Blocks.WATER.getDefaultState(), 2);
        }
     }
  }

在这里，根据不同的函数（function），调用了不同的代码，比如生成箱子、生成溺尸。无一例外的，他们往往对附近环境进行的判断和适应，来达到更好的结构生成效果，这是单纯的 NBT 数据无法做到的。

维度与世界类型

这一部分看似已经超出了狭义的“世界生成”，但其实它们有与世界生成千丝万缕的联系。

这里指简单介绍了几个方法，在新的教程里，有关于这一部分更详细的介绍。

Dimension#createChunkGenerator 和 IForgeWorldType#createChunkGenerator

默认行为：前者返回当前维度的区块生成器，后者调用前者。其中前者被废弃要求调用后者。

因为返回了一个区块生成器（而里面实际上就包含了生物群系提供器），所以决定了这个世界的地形生成。

自定义维度或自定义世界类型时应当覆盖。

IForgeWorldType#getBiomeLayer

略，见新教程。

应用：自定义

唉唉唉，等一下，你确定这不是 Forge 干的事情？

是的，新版的矿物生成完全不需要 Forge 插手即可实现自定义于是Forge就真的懒到没有插手，其他相关内容 Forge 也少了很多的话语权，大量 Forge 钩子消失，甚至出现了存在但未被使用的 Forge 事件（来自旧版本），可见原版对 Forge 的冲击。下面的内容尽量少的提及 Forge 知识，但不会回避 Forge。

自定义矿物生成

我们在mod主类的构造器里这么写：

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Biomes.PLAINS.addFeature(GenerationStage.Decoration.UNDERGROUND_ORES, 
    Biome.createCompositeFeature(Feature.MINABLE, 
        new MinableConfig(MinableConfig.IS_ROCK, Blocks.GOLD_BLOCK.getDefaultState(), 9), 
        Biome.COUNT_RANGE, new CountRangeConfig(20, 0, 0, 64)));

我就完成了矿物生成的注册，上面的代码可以让金块像铁矿一样地在平原的地下生成，我们不妨来解析一下。

Biomes.PLAINS，即平原，在实际应用中，我们往往会用ForgeRegistries.BIOMES.forEach(biome -> biome.add...());来向所有生物群系种添加，但是你就得找一个所有模组Biome都已经全部注册完成的地方调用了。

addFeature可以用于添加特性或是花，addCarver则是添加镂空器，addStructure添加结构。我们直接调用了Biome的工厂方法createCompositeFeature创建复合特性，使用了Feature预定义的minable特性及其相应配置，配合Biome里面的预定义的定位器及其相应配置，对应这个方法的四个参数。另外，也可以在Biome里找到createWorldCarverWrapper和createCompositeFlowerFeature。

[提示] 不难看出，Biome和Feature里面都预定义了大量的实用特性、定位器，甚至还有镂空器和一些protected的IBlockState，应该尽可能多的使用它们。

自定义结构

不不不，我不会真的写一个结构给你看，我只会提出几个自定义结构时所需要的注意事项：

  • 在StructurePiece里面提供了很多摆放方块的方法，请务必使用这些方法而不是直接放置，这不仅可以防止你放置到结构的外面，还会根据结构的方向对你的方块转向。

  • 任何结构及其部分都需要在StructureIO进行注册，否则会导致结构无法生成并造成游戏崩溃。原版采用大写下划线的形式（如：Desert_Pyramid），但是我更加建议是modid + ':' + 小写下划线（即ResourceLocation）的形式，这样有助于防止模组之间发生命名冲突，并更加规范、统一。

自定义生物群系

不不不，我不会真的写一个生物群系给你看，我只会提出几个自定义生物群系时所需要的注意事项：

  • 你是不是发现许多Biome的构造器都有共同的代码？是的，极大的自由同时也带来了极大的工作量。好在在新的版本里面，Mojang 也意识到也改善了这一点：他们为此设置了一个类，里面装满了许多生物群系共用的特性添加的代码。这毫无疑问可以直接被我们调用，或者作为我们设置组合的参考。
  • 出生点生物群系会被优先选中为出生点，若你的生物群系想被选中，可以直接向BiomeProvider#BIOMES_TO_SPAWN_IN中添加。
  • 更多内容参见我的新教程。

附录

下面介绍 1.13 Forge 提供的事件和钩子。

事件

值得注意的是，原有的MinecraftForge#TERRAIN_GEN_BUS和MinecraftForge#ORE_GEN_BUS已经被移除。

~表示上面的主事件。

值得注意的是，弃用指的不是@Deprecated而是简单的“存在，但是从未被使用”。

事件 描述
BiomeEvent 生物群系相关事件
参见前文生物群系栏
~.GetVillageBlockID 获取村庄特色方块
~.BiomeColor 生物群系颜色相关事件
新版已经弃用
参见前文生物群系栏
~.GetGrassColor 获取草的颜色
新版已经弃用
参见前文生物群系栏
~.GetFoliageColor 获取植物的颜色
新版已经弃用
参见前文生物群系栏
~.GetWaterColor 获取水的颜色
新版已经弃用
参见前文生物群系栏
ChunkGeneratorEvent 区块生成器相关的事件
参见前文区块生成部分
~.ReplaceBiomeBlocks 替换生物群系方块
参见前文地表构造器栏
~.InitNoiseField 初始化噪声字段事件
参见前文高度图部分
InitNoiseGensEvent 噪声生成器事件
参见前文高度图栏
WorldTypeEvent 世界类型相关事件
参见前文世界类型栏
~.BiomeSize 生物群系大小时间
参见前文GenLayer的产生栏
~.InitBiomeGens 初始化生物群系生成（即GenLayer）
新版已经弃用
参见前文GenLayer的产生栏

钩子

钩子 描述
TerrainGen#getModdedNoiseGenerators 获取模组修改后的噪声生成器
LayerUtil#getModdedBiomeSize 获取模组修改后的生物群系大小
ForgeEventFactory#onReplaceBiomeBlocks 构造模组修改后的地表

后记

本来这个介绍是附在我的《浅析 1.13 Minecraft - MCP | Forge - FML》里面的，不过我后来直接放弃了那个项目，专心投身于这个部分。

1.13 Mojang 做出的努力使我眼前一亮，世界生成可以说是最重要的一部分，Mojang 迈出了第一步，希望这不是最后一步。

我这篇文章写的我很艰辛，大量未反混淆的的代码和 Mojang 奇怪的脑回路使我感到痛苦，但是我还是在最短的时间内肝出这篇文章，不出意外，是世界上第一篇（中文）新版地形生成解析。

鸣谢

  • MCP 对 Minecraft 源代码的反混淆，如果不是他们，我也不能写出这篇文章。
  • 森林蝙蝠 审读并提出来让我加入的结构的部分。
  • 33 让我加入浅析新版本世界生成与旧版本的本质区别和好处分析一栏。
  • 素学姐 和 3T 对教程提出的宝贵建议。
  • 感谢 chyx 指出我文章中一系列的谬误。
  • 土球（ustc_zzzz）制作的 BBCode 转换器，为当初发布到 MCBBS 提供了便利。

参考

按参考内容质量、数量降序排列：

  • Minecraft 1.13.2 源代码 - 反编译、反混淆 by MCP 快照 20180921-1.13
  • MinecraftForge 1.13.2-25.0.10 源代码
  • Minecraft 旧版（1.12.2）源码 - 反编译、反混淆 by MCP
  • MinecraftForge 旧版（1.12.2-14.23.5.2768）源代码
  • Minecraft 维基百科 - 英文、中文相关页面
  • 土球的旧版本地形生成解析

相关链接