程序響應(yīng)性
譯者：緋紅KING
來(lái)源：http://www.gamasutra.com/view/feature/1942/programming_responsiveness.php
【如果你不能在游戲中控制你的行動(dòng)，是否應(yīng)該責(zé)怪這個(gè)游戲呢？在這篇技術(shù)文章中，Neversoft的合伙人Mick West會(huì)闡述游戲中造成響應(yīng)延遲（Lag）的問題，并提出一些必要的解決方案?！?/span>
響應(yīng)性是一種可以在第一時(shí)間成就或毀壞一個(gè)游戲的東西。在一些游戲的雜志評(píng)論中，可以明顯體會(huì)到響應(yīng)性差的游戲會(huì)被形容為“遲鈍的”，“沒反應(yīng)的”，“浮躁的”或“懶散的”。而好的游戲會(huì)被評(píng)價(jià)為“緊湊的”或“有響應(yīng)的”。
響應(yīng)性可以從幾個(gè)方面來(lái)理解，本文主要是從一個(gè)程序員的角度來(lái)闡述，提供一些可以提高游戲響應(yīng)性的方法。
響應(yīng)延遲
響應(yīng)延遲是指從玩家觸發(fā)一個(gè)事件到玩家收到事件發(fā)生的反饋（通常是視覺上的）之間的時(shí)間遲滯。如果時(shí)間遲滯過(guò)長(zhǎng)，游戲會(huì)顯得沒有響應(yīng)。有幾個(gè)因素決定了響應(yīng)延遲時(shí)間長(zhǎng)度。
如果你的游戲是沒有響應(yīng)的，這很可能是4或5個(gè)不同因素造成的累積效應(yīng)。只是單獨(dú)調(diào)整其中一個(gè)因素，是不能起到明顯作用的。但是找出所有的因素，并調(diào)整它們，會(huì)帶來(lái)顯而易見的改進(jìn)。
玩家，有時(shí)甚至是游戲設(shè)計(jì)師，都不能把他們?cè)谟螒蛑胁僮饔X得不適的地方用語(yǔ)言表達(dá)出來(lái)。通常他們會(huì)試著做一些需要同步操作的事情，但是失敗了，他們不會(huì)告訴你“這個(gè)事件在我輸入后的0.10秒才發(fā)生作用”，而是會(huì)說(shuō)這個(gè)游戲有些“遲緩”，“不緊湊”或者“難度高”。
或者他們根本不告訴你一些重點(diǎn)，只是單純說(shuō)這個(gè)游戲很爛，但不知道為什么很爛。
設(shè)計(jì)師和程序員需要時(shí)刻注意響應(yīng)延遲以及它對(duì)游戲的負(fù)面作用，甚至在測(cè)試玩家沒有直接匯報(bào)這一點(diǎn)時(shí)。
為什么發(fā)生延遲
要了解延遲發(fā)生的原因，你需要理解事件的發(fā)生序列：從用戶按下一個(gè)按鈕，到結(jié)果顯示在屏幕上。為了理解這一點(diǎn)，我們需要看一下游戲的主循環(huán)結(jié)構(gòu)。主循環(huán)進(jìn)行了兩個(gè)基本任務(wù)：邏輯和渲染。
主循環(huán)的邏輯部分更新了游戲的狀態(tài)（游戲?qū)ο蠛铜h(huán)境的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)），渲染部分則創(chuàng)建了需要顯示在電視上的一幀畫面。
在主循環(huán)的一些階段，通常是開始時(shí)，我們會(huì)接受到用戶的輸入，作為主循環(huán)的第三項(xiàng)任務(wù)，但也通常把它作為邏輯任務(wù)的一部分。在這里我把輸入單獨(dú)提出來(lái)，是為了看清楚事件發(fā)生的順序。
有幾種方式來(lái)描述主循環(huán)結(jié)構(gòu)。最簡(jiǎn)單的一種如表1所示，交替調(diào)用邏輯和渲染的代碼。我們假設(shè)游戲運(yùn)行在固定幀率，通常是60fps或30fps的NTSC制式家用機(jī)游戲，而一些幀的同步發(fā)生在調(diào)用Rendering()中。
表1：簡(jiǎn)單的主循環(huán)
while (1) {
Input();
Logic();
Rendering();
}
在這里主循環(huán)只展現(xiàn)了故事的一半。對(duì)Rendering()的調(diào)用是在CPU端處理渲染任務(wù)，這些任務(wù)包括場(chǎng)景、物體、剔除、動(dòng)畫、排序、設(shè)置變換、構(gòu)造一個(gè)供GPU處理的顯示列表。這是一個(gè)迭代的過(guò)程。
實(shí)際上GPU渲染是在CPU渲染之后進(jìn)行的，通常是異步的。所以當(dāng)主循環(huán)開始進(jìn)行到下一幀時(shí)，GPU仍然在渲染前一幀。
那么延遲在什么時(shí)候發(fā)生？要理解造成延遲的原因，你需要理解從用戶按鍵輸入到接受反饋之間的事件序列。
在最頂層，用戶按下一個(gè)按鍵；游戲邏輯讀取這個(gè)按鍵輸入，更新游戲狀態(tài)；CPU渲染函數(shù)準(zhǔn)備好渲染這個(gè)新狀態(tài)的一幀，然后GPU將其渲染；最后這個(gè)新的一幀被顯示在屏幕上。
圖1：當(dāng)玩家按下一個(gè)鍵，游戲要占用3幀（最理想情況）來(lái)創(chuàng)建一個(gè)視覺反饋，程序問題會(huì)引入多余的幀造成延遲。實(shí)際延遲的時(shí)間是每一幀時(shí)間長(zhǎng)度的乘積。
圖1顯示了圖形化的序列內(nèi)容。在第一幀的某一時(shí)刻，玩家按下一個(gè)鍵來(lái)開槍。輸入過(guò)程完成后，這個(gè)輸入會(huì)被讀取到第二幀。第二幀更新了基于按鍵輸入的邏輯狀態(tài)（開火）。
仍然在第二幀，渲染的CPU端開始執(zhí)行這個(gè)新的邏輯狀態(tài)。然后在第三幀，GPU執(zhí)行了這個(gè)新邏輯狀態(tài)的實(shí)際渲染。最后在第四幀的開始，新渲染出來(lái)的一幀畫面從幀緩沖中呈現(xiàn)給玩家。
那么這個(gè)延遲有多長(zhǎng)時(shí)間？這要看一幀有多長(zhǎng)時(shí)間（這里“一幀”是指主循環(huán)的一個(gè)完整迭代過(guò)程）。從用戶輸入到轉(zhuǎn)換成視覺反饋，需要占用3幀。
如果我們的游戲在30fps下運(yùn)行，延遲就是3/30，即十分之一秒。如果游戲在60fps下運(yùn)行，那這個(gè)延遲會(huì)是3/60，即二十分之一秒。
這個(gè)計(jì)算說(shuō)明了一個(gè)關(guān)于60fps和30fps之間的差異的判斷錯(cuò)誤。因?yàn)檫@兩個(gè)幀率之間的差異是1/60秒，人們推斷出響應(yīng)性之間的差異也是1/60。
但實(shí)際上，從60到30并沒有給延遲增加一個(gè)垂直同步，它的效果是乘積形式的，加倍了延遲響應(yīng)的過(guò)程管線。在我們圖1中的理想示例中，增加了3/60秒，并不是1/60。如果事件管線再長(zhǎng)一些，這個(gè)結(jié)果會(huì)變得更多，這是極有可能發(fā)生的情況。
實(shí)際上圖1展示的是事件序列的最佳狀態(tài)。按鍵輸入通過(guò)最短路徑轉(zhuǎn)換為視覺反饋。我們可以在事件序列中清楚的看到這一點(diǎn)。
作為一個(gè)程序員，熟悉這些事件發(fā)生的順序，是理解游戲中事物運(yùn)作原理的重要環(huán)節(jié)。如果對(duì)事件發(fā)生的順序不加注意的話，很容易造成多余幀的延遲（意味著一個(gè)1/60或1/30秒的延遲）。
舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，如果我們把主循環(huán)中的Logic()和Rendering()交換一下，想想會(huì)發(fā)生什么。來(lái)看一下圖1的第二幀：這里GPU邏輯（渲染）發(fā)生在CPU邏輯之后，所以在第二幀開始時(shí)輸入會(huì)影響CPU邏輯，之后是同一幀里的GPU邏輯。
然而如果GPU邏輯在前面進(jìn)行，那么輸入就得到下一幀才能影響到GPU邏輯，因此造成了一個(gè)多余幀的延遲。雖然這只是一個(gè)初學(xué)者犯得錯(cuò)誤，但程序員仍要牢記不要讓它發(fā)生。
造成延遲的多余幀可能在一些微小的行為中產(chǎn)生，但結(jié)果會(huì)影響游戲邏輯的整個(gè)序列。在我們的例子中，是開槍的過(guò)程。
假如現(xiàn)在我們的引擎用一個(gè)物理引擎來(lái)設(shè)置場(chǎng)景中物體的位置信息，并且需要處理的事件在更新中增加了（例如碰撞事件）。這種情況下，輸入的序列或邏輯如表2所示。
表2：更新物理之后是事件處理
void Logic() {
HandleInput();
UpdatePhysics();
HandleEvents();
}
基于消息的事件處理（Event Handling）是用于低耦合系統(tǒng)的一個(gè)不錯(cuò)的手段，程序員也通常會(huì)使用它來(lái)控制事件。要使槍開火，HandleInput()函數(shù)會(huì)發(fā)出一個(gè)事件，告訴槍去開火。
HandleEvents()函數(shù)會(huì)處理這個(gè)事件，并使槍實(shí)際開火。但是在這一幀里，物理更新已經(jīng)發(fā)生了，這個(gè)效果直到下一幀才能同步，這樣就產(chǎn)生了一個(gè)多余幀的延遲。
更多延遲的原因
低層的行為順序會(huì)造成更多的延遲。例如，考慮一個(gè)跳躍。反饋內(nèi)容是角色實(shí)際的移動(dòng)。要使游戲中的物體移動(dòng)，你可以直接設(shè)置速度，或者給物體加一個(gè)作用力，例如加速度，或者瞬間的推力。
這個(gè)情景會(huì)產(chǎn)生一個(gè)問題，就是如果你的物理引擎在速度改變之前更新位置信息——這是很多游戲編程入門教程中的常見情況。
盡管在處理輸入事件后，物體跳躍的速度變化已經(jīng)在同一幀里更新了，但是物體直到下一幀才能開始改變位置，這樣就產(chǎn)生了一個(gè)多余幀的延遲。
要記住，問題都是累積起來(lái)的，并且很難單獨(dú)去辨識(shí)，這些組合的效果會(huì)使你的游戲操作變得很艱難。
假設(shè)你同時(shí)犯了以上三個(gè)錯(cuò)誤：你在邏輯之前進(jìn)行渲染，你在物理狀態(tài)進(jìn)行之后處理邏輯事件，并且你在速度變化之前更新位置信息。這是從玩家輸入到接受反饋的三個(gè)主循環(huán)的完整迭代，在這三幀之上，你至少創(chuàng)建了6幀的延遲。
在60fps的游戲中，這會(huì)是1/10秒，已經(jīng)足夠糟糕了。但如果你的游戲是在30fps下，這個(gè)延遲會(huì)加倍，變?yōu)闊o(wú)法忍受的1/5秒，即200毫秒。
綜合以上的問題，一些其他因素也可以導(dǎo)致延遲。動(dòng)作可以由動(dòng)畫來(lái)驅(qū)動(dòng)，由動(dòng)畫特定時(shí)間點(diǎn)的速度變化來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，如果一個(gè)動(dòng)畫師為了讓動(dòng)畫與視覺更匹配，在動(dòng)畫中設(shè)置了一個(gè)不到一秒的跳躍速度變化，這可能看起來(lái)挺好，但實(shí)際上感覺卻很糟。
動(dòng)畫師可以修正這個(gè)問題，只要確保速度變化是在動(dòng)畫的第一幀發(fā)生，玩家可以迅速得到反饋。但又有一個(gè)問題產(chǎn)生了，就是如何觸發(fā)一個(gè)動(dòng)畫，并轉(zhuǎn)換為實(shí)際的動(dòng)作？看起來(lái)動(dòng)畫的更新是由Render()函數(shù)來(lái)處理的。但任何以動(dòng)畫形式觸發(fā)的事件，都需要在增加一幀后的循環(huán)中才能處理。
此外，觸發(fā)一個(gè)動(dòng)畫可能在下一幀才會(huì)發(fā)生作用，又造成一幀的延遲。我們的延遲會(huì)從6幀增加到8幀。即使在每秒60幀的情況下，這也就幾乎不能玩了。
這些也并不是全部。還有很多方式使多余的延遲幀潛入一個(gè)游戲。你也許會(huì)把你的物理部分單獨(dú)辟出一個(gè)線程（或者一個(gè)物理處理單元）。
如果你使用三倍緩沖來(lái)使你的幀率更平滑呢？ 你也許用抽象事件通過(guò)系統(tǒng)的并行過(guò)程分解成真實(shí)事件。你也許在用一種腳本語(yǔ)言讓等待事件時(shí)增加額外的一幀。
你可以通過(guò)組合各種關(guān)于時(shí)間和事件的概念，使你的游戲邏輯更靈活，這是非常必要的。但是在實(shí)現(xiàn)它們的時(shí)候，程序員可能會(huì)忽視發(fā)生在表面之下的事情，使造成延遲的多余幀悄悄潛入。
響應(yīng)性，不是反應(yīng)時(shí)間
有一個(gè)關(guān)于響應(yīng)性的極大的誤解，和人類的反應(yīng)時(shí)間相關(guān)。人類不能通過(guò)視覺刺激做出身體上的反應(yīng)，并且在0.1秒內(nèi)移動(dòng)他們的手指。
游戲玩家的頂峰反應(yīng)時(shí)間分布在0.15秒至0.30秒，這取決于他有多“高橋名人”（形容按鍵反應(yīng)迅速）。像這些可以計(jì)量的信息，通常在討論游戲響應(yīng)性時(shí)會(huì)提到。但它們之間是沒有聯(lián)系的。
不是玩家對(duì)游戲的反應(yīng)有多塊，而是游戲?qū)ν婕业姆磻?yīng)有多快。問題并不在于反應(yīng)時(shí)間，而是在于同步性。
用吉他英雄來(lái)舉例，這個(gè)游戲中會(huì)有一些符號(hào)出現(xiàn)，玩家需要在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間按下相應(yīng)的按鍵（當(dāng)目標(biāo)物體在特定區(qū)域范圍時(shí)）。你是在預(yù)判斷事件，這里不涉及任何反應(yīng)時(shí)間。
缺乏響應(yīng)性的問題一般是游戲沒有及時(shí)反饋玩家的操作，并且事件發(fā)生時(shí)目標(biāo)物體已經(jīng)超出目標(biāo)范圍了。
如果你在正確時(shí)間按下鍵，你絕不希望物體會(huì)在爆炸前再多移動(dòng)幾個(gè)像素。但是物體通常在每幀會(huì)移動(dòng)幾個(gè)像素，有幾幀的延遲使物體滑過(guò)目標(biāo)。
有許多基于預(yù)測(cè)和按鍵輸入的游戲。在一個(gè)滑板游戲中，你想要在到達(dá)軌道終點(diǎn)之前跳躍。在一個(gè)第一人稱射擊游戲中，你朝一個(gè)前方快速跑動(dòng)的敵人開槍。
再提一次，響應(yīng)性并不是反應(yīng)時(shí)間。你通常會(huì)在射擊的半秒前看見你的目標(biāo)，或許更長(zhǎng)時(shí)間，你會(huì)移動(dòng)你的槍，或者等待目標(biāo)跑到你的準(zhǔn)星上。
對(duì)響應(yīng)性問題是不能靠直覺來(lái)解決的，程序員全面了解問題本身才是非常重要的。最重要的一點(diǎn)，是要清楚按鍵觸發(fā)行為任務(wù)到創(chuàng)建視覺反饋這個(gè)過(guò)程中邏輯和渲染的逐幀過(guò)程。一旦你理解了這個(gè)過(guò)程，你就能夠優(yōu)化它，使它工作在最佳狀態(tài)。