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游戏设计模式阅读 - 游戏循环

article 2025/2/24 21:38:09

游戏与普通程序最大的不同点在于：

游戏不像其他大多数软件，游戏即使在没有玩家输入时也继续运行。如果你站在那里看着屏幕，游戏也不会冻结。动画会持续播放。视觉效果继续闪烁。如果运气不好的话，怪物会继续暴揍你的角色。

那么维持这一切的必要条件是什么，在代码层面又是如何维持你的游戏世界不陷入时停的呢？

这个概念就是：循环

循环的意图

将游戏的进行和玩家的输入解耦，和处理器速度解耦。

事件循环

游戏即使在没有玩家输入时也继续运行。

这是真实游戏循环的第一个关键部分：它处理用户输入，但是不等待它。

while (true) {
  processInput();
  update();
  render();
}

// processInput()处理上次调用到现在的任何输入。
// update()让游戏模拟一步。 运行AI和物理。
// render()绘制游戏，

什么是帧率

我们用实际时间来测算游戏循环运行的速度，就得到了游戏的“帧率”(FPS)。如果游戏循环的更快，FPS就更高，游戏运行得更流畅、更快。

两个因素决定了帧率：

1、每帧要做多少工作

复杂的物理，众多游戏对象，图形细节都让CPU和GPU繁忙，这决定了需要多久能完成一帧。

2、底层平台的速度

更快的芯片可以在同样的时间里执行更多的代码。多核，GPU组，独立声卡，以及系统的调度都影响了在一定时间内能够做多少东西。

每秒的帧数

早期的游戏被仔细地编码，一帧只做一定的工作，开发者可以让游戏以想要的速率运行。

但是如果你想要在快些或者慢些的机器上运行同一游戏，游戏本身就会加速或减速。

一个游戏循环在游戏运行过程中被不断执行。每一次循环，它无阻塞地处理玩家输入，更新游戏状态，渲染游戏。追踪时间的消耗并控制游戏的速度。

优化上面的简易循环代码

上面代码的问题是无法控制游戏运行得有多快。

假设游戏需要以60FPS运行，那么每帧约等于16ms。只要用少于这个时长处理游戏内的所有内容，就可以以稳定的帧率运行。所需要做的就是处理这一帧，然后等待，直到处理下一帧。

while (true) {
  double start = getCurrentTime();
  processInput();
  update();
  render();
  sleep(start + MS_PER_FRAME - getCurrentTime());
}

但如果每次循环消耗的时间超过16ms，那它永远也跟不上

需要解决的问题：

1、每次更新将游戏时间推动一个固定量。

2、消耗一定量的真实时间来处理它。

因此还可以基于上帧到现在有多少真实时间流逝来选择前进的时间。这一帧花费的时间越长，游戏的间隔越大。

double lastTime = getCurrentTime();
while (true){
  double current = getCurrentTime();
  double elapsed = current - lastTime;
  processInput();
  update(elapsed);
  render();
  lastTime = current;
}

每一帧，计算上次游戏更新到现在有多少真实时间过去了。在更新游戏状态时将其传入，然后游戏引擎内推进一定的时间量。

假设有一颗子弹跨过屏幕。使用固定的时间间隔，在每一帧中根据它的速度移动它。使用变化的时间间隔，根据过去的时间拉伸速度。随着时间间隔增加，子弹在每帧间移动得更远。无论是二十个快的小间隔还是四个慢的大间隔，子弹在真实时间里移动同样多的距离。

但这个方案也不合理：游戏不再是确定的了，也不再稳定。

游戏时间追逐真实时间

计算上一次游戏循环过去了消耗了多少真实时间。为游戏的“当前时间”模拟推进相同长度的时间，以追上玩家的时间。

double previous = getCurrentTime();
double lag = 0.0;
while (true) {
  double current = getCurrentTime();
  double elapsed = current - previous;
  previous = current;
  lag += elapsed;
  processInput();
  while (lag >= MS_PER_UPDATE){
    update();
    lag -= MS_PER_UPDATE;
  }
  render();
}
// 在每帧的开始，根据过去了多少真实的时间来更新lag。 这个变量表明了游戏世界时钟比真实世界落后了多少。
// 使用一个固定时间步长的内部循环进行追赶。 一旦追上真实时间，就执行渲染然后开始新一轮循环
// MS_PER_UPDATE只是更新游戏的间隔。 这个间隔越短，就需要越多的处理次数来追上真实时间。

// 可以通过限制内层循环的最大次数来保证游戏不会完全卡死

由于render()次数比update()次数更少，就有可能出现render()发生在两次update()之间。

因此，需要在lag不为零且lag比MS_PER_UPDATE更小时，跳出循环进行渲染。 lag的剩余量就是到下一帧的时间。