《游戏程序设计模式》 2.2 - 游戏循环 - 编程

intent

把用户输入、处理器速率与游戏时间解耦合。

motivation

如果有一种这本书不能不讲的模式，那么就是这个模式。游戏循环（Game Loop）是游戏程序设计模式的精粹。几乎每个游戏都使用它，还并不完全一样，而相对的，游戏之外的程序很少使用这个模式。

为了看它到底多有用，我们快速回忆下。在过去的电脑编程中，程序的工作就行洗碗机。你倾倒一大堆代码进去，按一个按钮，等着，然后得到结果。完毕。这些是批处理程序-一旦工作完成，程序结束。

今天你仍然能看到它，只是不必写到打孔卡上了。shell脚本，命令行，甚至把一堆markdown变成这本书的Python小脚本都是批处理程序。

interview with a cpu

最终，程序员意识到把一批代码留在办公室，几个小时后回来取结果是一个找出程序bug的很可怕很慢的方法。他们想要即时反馈。交互式程序出现了。首先出现的一部分交互式程序就是游戏：

YOU ARE STANDING AT THE END OF A ROAD BEFORE A SMALL BRICKBUILDING . AROUND YOU IS A FOREST. A SMALLSTREAM FLOWS OUT OF THE BUILDING AND DOWN A GULLY.

GO IN

YOU ARE INSIDE A BUILDING, A WELL HOUSE FOR A LARGE SPRING.

你会有一个与程序的实时对话。它等待输入，然后响应。然后你回复，如此反复。当轮到你时，它什么都不做。就像：

while (true)
{
char* command = readCommand();
handleCommand(command);
}
Event loops

现代图形应用，如果你剥掉它的外壳，与以前文字冒险游戏是一样的。文本处理器在你按下一个键或点击一些东西之前，什么都不做：

while (true)
{
Event* event = waitForEvent();
dispatchEvent(event);
}
主要的不同就是text command换成了user input event-鼠标点击和键盘事件。它仍然像文字冒险游戏，程序会因为等待输入而阻塞，这是个问题。

不像其它大多数软件，游戏在没有输入的情况下仍然运行。如果你盯着看，游戏画面不会冻结。动画会一直播放。视觉效果飞舞闪烁。如果你不走运，怪物会啃你的英雄。

这是游戏循环的第一个关键部分：它等待输入，但是不能阻塞。循环总是继续：

while (true)
{
processInput();
update();
render();
}
后面我们将会改进它，但是基本步骤还是都在的。processInput处理上次调用以来的输入。update更新一次游戏。它处理AI和物理检测（通常按此顺序）。最后render绘制游戏，这样玩家就知道发生了什么。

a world out of time

如果循环不会因为输入阻塞，那么将会导致一个明显的问题：以多快的速度循环？每一次游戏循环会更新一定量的游戏状态。从游戏中居民角度来看，它们的时钟已经向前走了一下。

同时玩家的时钟也在走。如果以真实时间测量游戏循环的次数，我们就得到了“每秒帧数”（fps）。如果游戏循环快，fps就高，游戏运行平滑流畅。如果慢，游戏就会抽搐像定格动画。

通过原始的游戏循环，它能尽可能快地运行，影响帧率的有两个因素。第一个是，每一帧要做多少工作。复杂的物理计算，大量的游戏对象，和许多图像细节会使你的CPU和GPU忙碌，会花费更长时间完成一帧。

第二个是，底层平台的速度。更快的芯片可以在相同时间处理更多代码。多核CPU，GPU，专用音频硬件和操作系统的调度，都会影响一帧的工作量。

seconds per second

在早期的视频游戏中，第二个因素是固定的。如果你为NES或APPLE IIe写游戏，你需要确切知道CPU型号，然后专门为其编码。所有你需要担心的是，每一帧能做多少工作。

旧的游戏被小心编码，每一帧做足够的工作使可以以需要的速度运行。如果你在一个更快或更慢的机器上运行游戏，游戏速度会加快或减慢。

现在，很少开发者知道游戏运行的硬件。相反，游戏必须智能地适应不同的设备。

这就是另一个关键的部分：游戏不管什么设备都要以固定速度运行。

the pattern

游戏循环在游戏运行中会持续不断的执行。每一次循环，它不阻塞的处理用户输入，改变游戏状态，渲染游戏。它追踪时间的流逝控制游戏的速度。

when to use it

使用错的模式比不使用更糟，所以这章正常提醒不要过度热情。设计模式的目标不是尽可能将模式塞满代码。

但是这个模式不同。我可以肯定你会使用这个模式。如果你使用一个游戏引擎，即使不自己写，它仍然被使用了。

你可能以为如果你写一个回合制游戏不会用到它。即使游戏状态不变，视觉的和音频的部分也会更新。动画和音乐都会运行，当游戏等待玩家回合时。

keep in mind

我们这里讨论的是游戏最重要的一部分代码。有句话说“90%的时间花费在10%的代码上”。游戏循环的代码绝对在那10%中。注意这些代码，注意它的效率。

you may coordinate with the platform’s event loop

如果你为一个有内置消息循环os或平台写游戏，你会有两个循环。你需要使两个协调运行。

有时，你可以掌控只使用你自己的循环。例如，如果你用windows api写游戏，你的main只能有一个循环。里面，你可以调用PeekMessage处理分发系统消息。不像GetMessage，PeekMessage获取用户输入不会阻塞，你的循环会一直运行。

其他平台不会让你轻易退出消息循环。如果你的目标是浏览器，消息循环是深深地内置在执行模型里的。你要使用内置循环作为循环。你会调用类似requestAnimationFrame函数，这个函数调用你的代码，保证游戏运行。

sample code

对于这么长的介绍，游戏循环的代码其实非常直白。我们将会看看几个变种，分析优点和缺点。

游戏循环驱动AI，绘制和其它游戏系统，但是这不是这个模式的重点，所以我们直接调用虚构的函数。实现render，update还有其它的留给读者当做练习。

run，run as fast as you can

我们已经看过最简单的游戏循环：

while (true)
{
processInput();
update();
render();
}
这个的问题是你无法控制游戏循环的速度。在快机器上，它运行的很快。在慢机器上，它运行的像龟速。如果，你在一帧还有大量工作，像ai或者物理等，要做，那么还会更慢。

take a little nap

第一个变种，我们添加一个简单的修改。假设你想让游戏有60fps。一帧有16毫秒。只要你可以在这时间内完成游戏处理和绘制的工作，你就可以保证一个稳定的帧率。所有你需要做的就是处理一帧，等待下一帧的绘制，就像：

代码像这样：

while (true)
{
double start = getCurrentTime();
processInput();
update();
render();
sleep(start + MS_PER_FRAME - getCurrentTime());
}
sleep保证了，如果一帧处理的很快，循环不会执行太快。但是，如果游戏运行太慢，它就毫无用处。如果update和render花费时间超过16ms，sleep时间将会是负值。如果，我们能使电脑时间回退，一切都会很简单，很可惜，我们不能。

相反，游戏慢下来了。你可以通过减少一帧的工作量解决此问题-减少图形和特效或者简化AI。但是，这会影响游戏质量，甚至在快机器上。

one small step，one giant step

让我们尝试一些更复杂的方法。我们的问题基本上归结为：

1.每一次update都会更新一定量的游戏时间

2.会花费一定量的现实时间来处理update

如果，第二步比第一步用时长，游戏就会慢下来。如果我们想通过16ms来更新超过16ms的游戏内容，那么我们将无法保持。但是，我们可以通过超过16ms的时间，更新超过16ms的游戏内容，降低update的频率，这样仍能保持。

主意就是根据自上一帧依赖经过的现实时间来更新游戏时间。一帧需要的时间越长，游戏更新的时间也就越长。游戏总是能跟上现实时间，因为它一次更新的游戏时间就是根据现实时间来的。它们被称为可变或流动时间步长。像这样：

double lastTime = getCurrentTime();
while (true)
{
double current = getCurrentTime();
double elapsed = current - lastTime;
processInput();
update(elapsed);
render();
lastTime = current;
}
每一帧，我们计算从上一帧以来，流逝了多少现实时间。当我们更新游戏状态，我们将这个时间传进去。引擎根据这个时间更新游戏。

假设有一颗子弹从屏幕射过。通过固定时间步长，每一帧，子弹根据速度移动。通过可变时间步长，你可以根据流逝的时间缩放子弹速度。随着时间步长变大，子弹一帧移动的距离也会变大。子弹将会在相同现实时间内通过屏幕，不管是20小步还是4大步。这看起来像个胜利者：

游戏以一致的速率运行在不同的硬件上。

玩家使用快机器会得到更流畅的效果。

但是，有一个潜伏的严重问题：游戏不确定也不稳定。这里有一个陷阱：

假设有一个二人网络游戏，fred有一个高性能游戏机，george有一个老古董pc。上述子弹从两人的屏幕上飞过。在fred的机器上，游戏运行很快，所以每个时间步长很小。我们假设，子弹用50帧穿过屏幕。在George的机器上可能只有5帧。

这说明在fred的机器上，物理引擎更新子弹位置50次，但是George只有5次。大多数游戏使用浮点数，容易产生舍入误差。每一次你相加两个浮点数，你得到的答案会有一点误差。fred计算的次数是George的10倍，所以fred的误差会比George大。同一个子弹在不同的机器上会到达不同的位置。

这只是可变时间步长导致的一个棘手问题，还有很多问题。为了以现实时间运行，游戏物理引擎逼近真实力学定律。为了使模拟不飞起，会使用阻力。阻力小心地调到一个确定时间步长。步长不同，物理就变得不稳定。

不稳定是很恶心的，这里的例子只是一个反面例子，这引导我们走向更好……

play catch up

不受可变时间步长影响的部分通常是渲染。因为渲染引擎捕获的是一瞬，并不关心经过了多长时间。它绘制碰巧出现的东西。

我们可以利用这个事实。我们将会以固定时间步长更新游戏，因为这样更简单也更稳定。但是，何时渲染可以有灵活性，为了释放处理器时间。

就像这样：一定量的现实时间从上一帧流逝。这就是我们需要模拟的游戏时间，以赶上现实时间。我们以固定时间步长做这些事。就像这样：

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();
}
还有一些东西。在每一帧开始，我们更新lag根据流逝的现实时间。这个用来计算游戏时间落后现实时间多少。我们再写一个内部循环更新游戏，一步是固定时间，直到赶上现实时间。一旦我们要赶上，我们渲染，然后从头再来。你可以想象成这样：

注意，这里的时间步长不再是可见的帧。MS_PER_UPDATE是我们更新游戏的粒度。步长越短，想赶上现实时间需要处理的时间越长。所需时间越长，游戏波动越大。理想情况下，你想它很短，快过60fps，这样游戏在快机器上可以模拟得高保真。

但是不能太短。你必须确保时间步长大于update所需的时间，甚至在最慢的机器上。否则，你的游戏不可能赶得上现实时间。

幸运的是，我们有一些喘息的空间。诀窍是，把渲染从update中拿出来。这将节省大量cpu时间。最终结果就是游戏在不同的硬件上以恒定速度运行。只是在慢机器上，游戏会波动。
文章来源：手游 http://www.lyouxi.com/ 手游

《游戏程序设计模式》 2.2 - 游戏循环

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