esengine/packages/math/src/Vector2.ts

/**
 * 2D向量类
 * 
 * 提供完整的2D向量运算功能，包括：
 * - 基础运算（加减乘除）
 * - 向量运算（点积、叉积、归一化）
 * - 几何运算（距离、角度、投影）
 * - 变换操作（旋转、反射、插值）
 */
export class Vector2 {
  /** X分量 */
  public x: number;
  
  /** Y分量 */
  public y: number;

  /**
   * 创建2D向量
   * @param x X分量，默认为0
   * @param y Y分量，默认为0
   */
  constructor(x: number = 0, y: number = 0) {
    this.x = x;
    this.y = y;
  }

  // 静态常量
  /** 零向量 (0, 0) */
  static readonly ZERO = new Vector2(0, 0);
  
  /** 单位向量 (1, 1) */
  static readonly ONE = new Vector2(1, 1);
  
  /** 右方向向量 (1, 0) */
  static readonly RIGHT = new Vector2(1, 0);
  
  /** 左方向向量 (-1, 0) */
  static readonly LEFT = new Vector2(-1, 0);
  
  /** 上方向向量 (0, 1) */
  static readonly UP = new Vector2(0, 1);
  
  /** 下方向向量 (0, -1) */
  static readonly DOWN = new Vector2(0, -1);

  // 基础属性

  /**
   * 获取向量长度（模）
   */
  get length(): number {
    return Math.sqrt(this.x * this.x + this.y * this.y);
  }

  /**
   * 获取向量长度的平方
   */
  get lengthSquared(): number {
    return this.x * this.x + this.y * this.y;
  }

  /**
   * 获取向量角度（弧度）
   */
  get angle(): number {
    return Math.atan2(this.y, this.x);
  }

  /**
   * 检查是否为零向量
   */
  get isZero(): boolean {
    return this.x === 0 && this.y === 0;
  }

  /**
   * 检查是否为单位向量
   */
  get isUnit(): boolean {
    const lenSq = this.lengthSquared;
    return Math.abs(lenSq - 1) < Number.EPSILON;
  }

  // 基础运算

  /**
   * 设置向量分量
   * @param x X分量
   * @param y Y分量
   * @returns 当前向量实例（链式调用）
   */
  set(x: number, y: number): this {
    this.x = x;
    this.y = y;
    return this;
  }

  /**
   * 复制另一个向量的值
   * @param other 源向量
   * @returns 当前向量实例（链式调用）
   */
  copy(other: Vector2): this {
    this.x = other.x;
    this.y = other.y;
    return this;
  }

  /**
   * 克隆当前向量
   * @returns 新的向量实例
   */
  clone(): Vector2 {
    return new Vector2(this.x, this.y);
  }

  /**
   * 向量加法
   * @param other 另一个向量
   * @returns 当前向量实例（链式调用）
   */
  add(other: Vector2): this {
    this.x += other.x;
    this.y += other.y;
    return this;
  }

  /**
   * 向量减法
   * @param other 另一个向量
   * @returns 当前向量实例（链式调用）
   */
  subtract(other: Vector2): this {
    this.x -= other.x;
    this.y -= other.y;
    return this;
  }

  /**
   * 向量数乘
   * @param scalar 标量
   * @returns 当前向量实例（链式调用）
   */
  multiply(scalar: number): this {
    this.x *= scalar;
    this.y *= scalar;
    return this;
  }

  /**
   * 向量数除
   * @param scalar 标量
   * @returns 当前向量实例（链式调用）
   */
  divide(scalar: number): this {
    if (scalar === 0) {
      throw new Error('不能除以零');
    }
    this.x /= scalar;
    this.y /= scalar;
    return this;
  }

  /**
   * 向量取反
   * @returns 当前向量实例（链式调用）
   */
  negate(): this {
    this.x = -this.x;
    this.y = -this.y;
    return this;
  }

  // 向量运算

  /**
   * 计算与另一个向量的点积
   * @param other 另一个向量
   * @returns 点积值
   */
  dot(other: Vector2): number {
    return this.x * other.x + this.y * other.y;
  }

  /**
   * 计算与另一个向量的叉积（2D中返回标量）
   * @param other 另一个向量
   * @returns 叉积值
   */
  cross(other: Vector2): number {
    return this.x * other.y - this.y * other.x;
  }

  /**
   * 向量归一化（转换为单位向量）
   * @returns 当前向量实例（链式调用）
   */
  normalize(): this {
    const len = this.length;
    if (len === 0) {
      return this;
    }
    return this.divide(len);
  }

  /**
   * 获取归一化后的向量（不修改原向量）
   * @returns 新的单位向量
   */
  normalized(): Vector2 {
    return this.clone().normalize();
  }

  // 几何运算

  /**
   * 计算到另一个向量的距离
   * @param other 另一个向量
   * @returns 距离值
   */
  distanceTo(other: Vector2): number {
    const dx = this.x - other.x;
    const dy = this.y - other.y;
    return Math.sqrt(dx * dx + dy * dy);
  }

  /**
   * 计算到另一个向量的距离平方
   * @param other 另一个向量
   * @returns 距离平方值
   */
  distanceToSquared(other: Vector2): number {
    const dx = this.x - other.x;
    const dy = this.y - other.y;
    return dx * dx + dy * dy;
  }

  /**
   * 计算与另一个向量的夹角（弧度）
   * @param other 另一个向量
   * @returns 夹角（0到π）
   */
  angleTo(other: Vector2): number {
    const dot = this.dot(other);
    const lenProduct = this.length * other.length;
    if (lenProduct === 0) return 0;
    return Math.acos(Math.max(-1, Math.min(1, dot / lenProduct)));
  }

  /**
   * 计算向量在另一个向量上的投影
   * @param onto 投影目标向量
   * @returns 新的投影向量
   */
  projectOnto(onto: Vector2): Vector2 {
    const dot = this.dot(onto);
    const lenSq = onto.lengthSquared;
    if (lenSq === 0) return new Vector2();
    return onto.clone().multiply(dot / lenSq);
  }

  /**
   * 计算向量在另一个向量上的投影长度
   * @param onto 投影目标向量
   * @returns 投影长度（带符号）
   */
  projectOntoLength(onto: Vector2): number {
    const len = onto.length;
    if (len === 0) return 0;
    return this.dot(onto) / len;
  }

  /**
   * 获取垂直向量（逆时针旋转90度）
   * @returns 新的垂直向量
   */
  perpendicular(): Vector2 {
    return new Vector2(-this.y, this.x);
  }

  // 变换操作

  /**
   * 向量旋转
   * @param angle 旋转角度（弧度）
   * @returns 当前向量实例（链式调用）
   */
  rotate(angle: number): this {
    const cos = Math.cos(angle);
    const sin = Math.sin(angle);
    const x = this.x * cos - this.y * sin;
    const y = this.x * sin + this.y * cos;
    this.x = x;
    this.y = y;
    return this;
  }

  /**
   * 获取旋转后的向量（不修改原向量）
   * @param angle 旋转角度（弧度）
   * @returns 新的旋转后向量
   */
  rotated(angle: number): Vector2 {
    return this.clone().rotate(angle);
  }

  /**
   * 围绕一个点旋转
   * @param center 旋转中心点
   * @param angle 旋转角度（弧度）
   * @returns 当前向量实例（链式调用）
   */
  rotateAround(center: Vector2, angle: number): this {
    return this.subtract(center).rotate(angle).add(center);
  }

  /**
   * 反射向量（关于法线）
   * @param normal 法线向量（应为单位向量）
   * @returns 当前向量实例（链式调用）
   */
  reflect(normal: Vector2): this {
    const dot = this.dot(normal);
    this.x -= 2 * dot * normal.x;
    this.y -= 2 * dot * normal.y;
    return this;
  }

  /**
   * 获取反射后的向量（不修改原向量）
   * @param normal 法线向量（应为单位向量）
   * @returns 新的反射向量
   */
  reflected(normal: Vector2): Vector2 {
    return this.clone().reflect(normal);
  }

  // 插值和限制

  /**
   * 线性插值
   * @param target 目标向量
   * @param t 插值参数（0到1）
   * @returns 当前向量实例（链式调用）
   */
  lerp(target: Vector2, t: number): this {
    this.x += (target.x - this.x) * t;
    this.y += (target.y - this.y) * t;
    return this;
  }

  /**
   * 限制向量长度
   * @param maxLength 最大长度
   * @returns 当前向量实例（链式调用）
   */
  clampLength(maxLength: number): this {
    const lenSq = this.lengthSquared;
    if (lenSq > maxLength * maxLength) {
      return this.normalize().multiply(maxLength);
    }
    return this;
  }

  /**
   * 限制向量分量
   * @param min 最小值向量
   * @param max 最大值向量
   * @returns 当前向量实例（链式调用）
   */
  clamp(min: Vector2, max: Vector2): this {
    this.x = Math.max(min.x, Math.min(max.x, this.x));
    this.y = Math.max(min.y, Math.min(max.y, this.y));
    return this;
  }

  // 比较操作

  /**
   * 检查两个向量是否相等
   * @param other 另一个向量
   * @param epsilon 容差，默认为Number.EPSILON
   * @returns 是否相等
   */
  equals(other: Vector2, epsilon: number = Number.EPSILON): boolean {
    return Math.abs(this.x - other.x) < epsilon && 
           Math.abs(this.y - other.y) < epsilon;
  }

  /**
   * 检查两个向量是否完全相等
   * @param other 另一个向量
   * @returns 是否完全相等
   */
  exactEquals(other: Vector2): boolean {
    return this.x === other.x && this.y === other.y;
  }

  // 静态方法

  /**
   * 向量加法（静态方法）
   * @param a 向量a
   * @param b 向量b
   * @returns 新的结果向量
   */
  static add(a: Vector2, b: Vector2): Vector2 {
    return new Vector2(a.x + b.x, a.y + b.y);
  }

  /**
   * 向量减法（静态方法）
   * @param a 向量a
   * @param b 向量b
   * @returns 新的结果向量
   */
  static subtract(a: Vector2, b: Vector2): Vector2 {
    return new Vector2(a.x - b.x, a.y - b.y);
  }

  /**
   * 向量数乘（静态方法）
   * @param vector 向量
   * @param scalar 标量
   * @returns 新的结果向量
   */
  static multiply(vector: Vector2, scalar: number): Vector2 {
    return new Vector2(vector.x * scalar, vector.y * scalar);
  }

  /**
   * 向量点积（静态方法）
   * @param a 向量a
   * @param b 向量b
   * @returns 点积值
   */
  static dot(a: Vector2, b: Vector2): number {
    return a.x * b.x + a.y * b.y;
  }

  /**
   * 向量叉积（静态方法）
   * @param a 向量a
   * @param b 向量b
   * @returns 叉积值
   */
  static cross(a: Vector2, b: Vector2): number {
    return a.x * b.y - a.y * b.x;
  }

  /**
   * 计算两点间距离（静态方法）
   * @param a 点a
   * @param b 点b
   * @returns 距离值
   */
  static distance(a: Vector2, b: Vector2): number {
    const dx = a.x - b.x;
    const dy = a.y - b.y;
    return Math.sqrt(dx * dx + dy * dy);
  }

  /**
   * 线性插值（静态方法）
   * @param a 起始向量
   * @param b 目标向量
   * @param t 插值参数（0到1）
   * @returns 新的插值结果向量
   */
  static lerp(a: Vector2, b: Vector2, t: number): Vector2 {
    return new Vector2(
      a.x + (b.x - a.x) * t,
      a.y + (b.y - a.y) * t
    );
  }

  /**
   * 从角度创建单位向量（静态方法）
   * @param angle 角度（弧度）
   * @returns 新的单位向量
   */
  static fromAngle(angle: number): Vector2 {
    return new Vector2(Math.cos(angle), Math.sin(angle));
  }

  /**
   * 从极坐标创建向量（静态方法）
   * @param length 长度
   * @param angle 角度（弧度）
   * @returns 新的向量
   */
  static fromPolar(length: number, angle: number): Vector2 {
    return new Vector2(length * Math.cos(angle), length * Math.sin(angle));
  }

  /**
   * 获取两个向量中的最小分量向量（静态方法）
   * @param a 向量a
   * @param b 向量b
   * @returns 新的最小分量向量
   */
  static min(a: Vector2, b: Vector2): Vector2 {
    return new Vector2(Math.min(a.x, b.x), Math.min(a.y, b.y));
  }

  /**
   * 获取两个向量中的最大分量向量（静态方法）
   * @param a 向量a
   * @param b 向量b
   * @returns 新的最大分量向量
   */
  static max(a: Vector2, b: Vector2): Vector2 {
    return new Vector2(Math.max(a.x, b.x), Math.max(a.y, b.y));
  }

  // 字符串转换

  /**
   * 转换为字符串
   * @returns 字符串表示
   */
  toString(): string {
    return `Vector2(${this.x.toFixed(3)}, ${this.y.toFixed(3)})`;
  }

  /**
   * 转换为数组
   * @returns [x, y] 数组
   */
  toArray(): [number, number] {
    return [this.x, this.y];
  }

  /**
   * 转换为普通对象
   * @returns {x, y} 对象
   */
  toObject(): { x: number; y: number } {
    return { x: this.x, y: this.y };
  }
}