设计一个简单的游戏引擎

guoxiaomi

以下是我对游戏引擎的一些理解。

当我想到游戏引擎的各个组分时，很快脑子里就浮现出下面的画面：


一个引擎应该要有处理逻辑、画面、音乐等等部分，然后还要有数据池用来存放数据。为了提高并行度，可能还有任务池，让一些任务能在并行的执行。

提到并行，自然就会想到多线程了。比如，把逻辑、画面、音乐分别放到不同的线程里处理。这些线程会各自管理自己的独有数据，但是也可以被其他的线程所操作：

如果有的功能耗时很长需要异步处理，就需要一个任务队列。这样线程A可以给线程B“布置”任务，布置结束后就继续执行自己的。任务会加入到线程B的任务队列，会按照先来后到的顺序依次执行。

进一步抽象，一个线程需要的东西包括：1) 数据库 2) 任务队列 3) 任务的执行方式。再额外加上一个 4) 暂停标记，用来暂停、恢复线程的运行（有时候布置的任务需要等待其他的线程完成了才能继续）：


这个时候，游戏引擎的主干框架就完成了。每个线程，无论是处理逻辑、画面、音乐还是网络，无非就是上面的1-3条有所不同，只需要设计好特定的数据类型、任务类型和执行方式，填入到这个框架里即可。比如：

线程功能	数据库	可执行的任务	任务执行方式
逻辑	游戏数据	获取网络资源数据	每1/60s：更新逻辑，处理队列任务，处理用户输入，呼叫渲染线程绘制画面
绘制	图片资源	加载资源、释放资源、绘制画面	立刻执行队列里的任务
音乐	音乐资源	加载资源、释放资源、播放音乐	立刻执行队列里的任务
网络	网络数据	访问网站、下载内容	收到逻辑线程的下载任务通知，下载完毕后发送通知给逻辑线程

还有一点要注意的是，线程间的同步问题。当绘制线程在绘制画面时，可能要读取玩家在画面上的坐标，而这个数据其实是由逻辑线程保管的。所以可以这样处理：
1. 逻辑线程通知绘制线程可以开始干活
2. 逻辑线程暂停自己
3. 绘制线程访问逻辑线程的数据，绘制画面
4. 绘制线程恢复逻辑线程的运行

这就是前面提到的暂停标记的作用，它可以用来保证只有一个线程会访问数据。

这样的设计就足够简单了吧？接下给出这个主干框架的一个C++实现： asxp.zip (313.76 KB, 下载次数: 28)

2021-12-8 00:05 上传

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内含main.exe是gcc编译的，需要C++20（感受模板元编程的威力吧）。这个C++实现的主干框架，最大的特色在于拥有所谓的零开销抽象，并且没有内存泄漏的问题（new操作符没出现）。

在设计好特定的数据类型、任务类型和执行方式后，只需要组合这些类型，告知每一个线程需要管理哪些数据、处理哪些任务以及具体的执行者，程序就完成了，只要40行代码：

main.h + main.cpp

89444640

说起多线程和并行，我就想起一个问题，为什么更高级的制作软件他不卡，而rm并行处理，地图里只要多于一个必定会卡，而且地图越大卡的越明显，这还是走格子游戏，实际上处理已经降低了很多，而且地图一般也不会画满500*500，既然给了500*500的地图那就得做到这个大小情况下保证运行效率呀！如果是rm这个处理方式，按真实坐标判点断根本就没法运行了，这还得说xp刷新率只有40帧一般游戏都是60帧
比如一个很常见的NPC满大街跑，无论怎么绕都是躲避障碍物移动到某点然后消失，就是寻路，地图只要大那么一点，同时执行寻路的npc多那么一点，就卡的根本动不了，
还有一些动作游戏中常见的，躲避敌人的视线潜入据点，地图中肯定会有多个npc在巡逻，很多动作游戏该有的基础的东西，XP根本就没法实现╮(╯▽╰)╭

xiaohuangdi

作为引擎使用者，我觉得最重要的是效率吧。编辑器界面要简洁，能快速点击功能。
而不是技术力 更不是光效 3D 网游。

也就是分成很多个专用引擎，把制作的类型固定住，但是又让制作者能轻微换皮魔改的空间。

建议楼主先做一些小游戏的制作引擎， 比如 连连看，拼涩图，小说gal。
然后是横版闯关   

Im剑侠客

新runtime有XP的份吗？如果有务必要期待一番，前面出过的runtime对XP的支持并不是很好。

guoxiaomi

Im剑侠客 发表于 2021-12-8 18:52
新runtime有XP的份吗？如果有务必要期待一番，前面出过的runtime对XP的支持并不是很好。 ...

其实在 https://rpg.blue/thread-486547-4-1.html 的34楼时，已经把XP做的差不多了，就是有点卡（比原版还卡），不过卡顿的原因已经找到了。

我没有继续做的原因是程序设计太丑陋，所以去补了课（设计模式、C++元编程），用新学的知识重构了底层框架。接下来把原来做的功能挨个加入这个新的底层框架即可。

guoxiaomi

清明节前后有几天空闲时间，写好了引擎的核心框架： rgm_v0.1.2.zip (5.15 MB, 下载次数: 9)

2022-4-8 14:17 上传

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，决定加入RG系列，命名为RGM，意为Modern RPG Maker。26个字母快不够用了

双击 main.exe 就会执行 main.rb 中的代码。核心代码在 src/core 里（模板元编程高能预警），思路跟主楼的区别不是很大，但是把SDL2和ruby都安排进来了。

这个核心框架有两个独立线程：逻辑线程（ruby）和渲染线程（SDL2），它们之间通过传递指令来交互，而后续的开发的主要工作就是堆上各种指令，这也算是一种模块化吧。

比如，下面的 test.hpp 中定义了2个指令：
1. fill_red 会把整个画面涂成红色
2. call_fill_red 定义了内部类 wrapper，并绑定其静态函数 call_fill_red 到 ruby 中，成为 Test 模块的 fill_red 方法。调用 Test.fill_red 时会向渲染线程发送指令 fill_red。
3. 指令可以定义类型对象 data，指定其需要的数据类别。可以定义run方法代表具体的操作，以及静态方法before和after代表在线程开始和结束时的额外任务。这些都是可选的，比如 call_fill_red 就只有 before 方法。

1. #include "core/core.hpp"
   
2. 
   
3. struct fill_red
   
4. {
   
5.     using data = rgm::data<std::unique_ptr<cen::window>, std::unique_ptr<cen::renderer>>;
   
6. 
   
7.     void run(rgm::worker auto* worker)
   
8.     {
   
9.         cen::window& window = *worker->template get<std::unique_ptr<cen::window>>();
   
10.         cen::renderer& renderer = *worker->template get<std::unique_ptr<cen::renderer>>();
    
11. 
    
12.         printf("fill %d x %d.\n", window.width(), window.height());
    
13.         renderer.clear_with(cen::colors::red);
    
14.         renderer.present();
    
15.     }
    
16. };
    
17. 
    
18. struct bind_fill_red
    
19. {
    
20.     static void before(rgm::worker auto* worker)
    
21.     {
    
22.         static const decltype(worker) w{ worker };
    
23. 
    
24.         struct wrapper
    
25.         {
    
26.             static VALUE call_fill_red(VALUE module)
    
27.             {
    
28.                 printf("call fill red.\n");
    
29.                 fill_red a{};
    
30.                 w->send(std::move(a));
    
31.                 return Qnil;
    
32.             }
    
33.         };
    
34. 
    
35.         VALUE rb_mTest = rb_define_module("Test");
    
36.         rb_define_module_function(rb_mTest, "fill_red", wrapper::call_fill_red, 0);
    
37.     }
    
38. };
    
39. 
    
40. 
    
41. namespace rgm::core
    
42. {
    
43. using list1_t = commandlist<bind_fill_red>;
    
44. using list2_t = commandlist<fill_red>;
    
45. 
    
46. using worker1_t = worker<commandlist<init_ruby, list1_t>, executor_ruby>;
    
47. using worker2_t = worker<commandlist<init_sdl2, list2_t>, executor_sdl2>;
    
48. 
    
49. using engine_t = scheduler<worker1_t, worker2_t>;
    
50. 
    
51. template <>
    
52. struct traits::magic_cast<scheduler<>*>
    
53. {
    
54.     using type = engine_t*;
    
55. };
    
56. }
    
57. 
    
58. int main(int argc, char* argv[])
    
59. {
    
60.     printf("start rgm.\n");
    
61.     cen::library centurion;
    
62.     rgm::core::engine_t engine;
    
63.     engine.run();
    
64.     printf("exit rgm.\n");
    
65.     return 0;
    
66. }

复制代码

个人觉得，核心框架应该是最难写的部分了，后面的难点大概是渲染流程（Graphics.update）和shader的应用（Bitmap.hue_change和Tone）。

guoxiaomi

V0.2版本

已达成该版本的主要目标：完成渲染流程。到这一步，游戏引擎的架构已经很清晰了：多线程执行，隔离线程数据，线程间使用管道交换信息。
画面的绘制是异步的，表现在：
1. ruby线程里对Bitmap的创建、销毁和绘制等操作，都是发送相应指令到render线程异步执行。
- 这意味着对Bitmap的操作几乎是瞬间返回
- 由于指令有严格的顺序，可以保证在下一次画面绘制之前，所有的Bitmap的操作都已完成
- 在创建Bitmap时，会先快速读出图片的高和宽，供后续的ruby脚本调用

2. 画面绘制开始时，ruby线程会按z轴顺序遍历所有的viewport和sprite，向render线程发出相应的绘制指令，然后锁定自己，直到收到render线程的信号。
- 这样可以保证数据的一致性，从而render线程能正常访问属于ruby线程的数据
- 遍历红黑树、将ruby数据打包这些内容都是ruby线程负责，分担了render线程的工作量
- 绘制结束时render线程会先解锁ruby线程，然后等待垂直同步信号。也可以选择强制同步，先等待画面完成绘制后解锁ruby线程。


目前可以做以下事情：
1. 创建Bitmap，读取图片或者创建已知大小的空白图
2. 使用Bitmap#fill方法涂上某种颜色
3. 创建Sprite/Viewport，设置其z轴和位置等属性
4. Sprite支持设置bitmap和src_rect
5. 按照z轴顺序，渲染所有存在的Sprite到画面上
6. 给Viewport和Sprite定义了finalizer，使其在GC时也会释放相应的内存
7. 监听系统消息，点击右上角的 X 可以关闭窗口
8. 在exe中内置脚本 main.rb 和 imagesize.rb
9. 给exe添加了水印和简单的防篡改功能

后续的开发主要是在这个架构的基础上，增加绘制window/plane/tilemap的功能和一些bitmap的操作。当然，引入shader可能会有一些难度。

有兴趣的朋友可以看看src里的代码，脚本入口在script/entry.rb（因为main.rb已经内置不可修改）。

编译的exe文件和v0.2.1版本的代码： rgm_v0.2.1.zip (5.6 MB, 下载次数: 698076)

2022-4-26 15:56 上传

点击文件名下载附件

示意图：

guoxiaomi

Mark一下，居然已经写了5000行的代码~

下了个插件发现好像也没那么多，其中有1400行是RGSS内置数据结构，从F1里抄的。

只有2000行C++那我就放心了，预计能控制在4000行内。

pillow鸽鸽

佬！
你永远想象不到大佬背后的努力是多么

guoxiaomi

V0.4版本

度盘链接：https://pan.baidu.com/s/16XiBn3dfwEAEXc0XAGud3w?pwd=dgdi
提取码: dgdi

因为给 shader 传参数时调用了 D3DXGetShaderConstantTable，所以必须链接到 d3dx9_43.dll，已经附带在压缩包中。
main.exe 会执行内嵌的 main.rb 的内容，在加载 src/script 中各个脚本后，从 entry.rb 开始执行。
release.exe 执行的内容已经全部内嵌在 exe 中，还顺便打包了默认工程里的 Data 文件夹。

相比之前的v0.2版本，这次新增了很多功能：
1. 实现 color / tone / table 等基础数据类
2. 实现 RGSS 的几个可绘制类，但是目前只有 Sprite 能绘制
3. 实现 Sprite 绘制的全部功能，包括使用 shader 实现 tone
4. 实现 Input 的全部功能，允许绑定不同的按键，提供 Input.debug 供调试
5. 更新异步绘制流程，顺便提升了绘制效率
6. 实现 core::stopwatch，用于测试某一段重复运行的代码效率
7. 更新了 Makefile，并提供打包成 release 版本的功能
- release 版本的内嵌数据是加密的（但愿比默认加密强度高）,包括一个 Data 文件夹和原来在 src/script 里的脚本

代码分布情况：

那个 ini 显然是测试工程里自带的 Game.ini 啦~

接下来的绘制相关的功能就没有什么难点了，对照着 RMXP 逐个实现就行。
再次感谢将 SDL2 和 HLSL 结合起来的项目：https://github.com/felipetavares/sdlrenderer-hlsl