EasyX游戏开发回顾(0)：游戏主循环

在跟着B站up主Voidmatrix学习的过程中，第一个让我产生深刻印象的概念便是「游戏主循环」(Game Loop)。

什么是游戏主循环 #

无论什么游戏(Video Game)，在运行过程中，都会反复地执行3个操作：

处理用户输入
游戏数据/状态更新
游戏画面渲染

既然是「反复地」，就需要引入循环，游戏主循环就此诞生。

游戏主循环就是一个持续运行的循环，循环内部就是上文中提到的3个操作。

最基本的结构通常是这样的：

while (游戏正在运行) {
    处理输入;      // 读取玩家的操作（键盘、鼠标、手柄等）
    更新游戏状态;  // 根据输入、时间和游戏规则，计算物体位置、物理效果、AI行为、游戏逻辑等
    画面渲染;  // 将更新后的游戏状态绘制到屏幕上
}

帧(Frame)的概念 #

游戏主循环的每次完整迭代称为一「帧」。帧率(FPS, Frames Per Second)决定了每秒执行的循环次数，直接影响游戏流畅度。例如，FPS=60 表示每秒更新并渲染游戏状态60次。

为了解决什么问题 #

游戏与一般的顺序执行程序（比如计算一个数学公式然后输出结果）不同，它是一个动态、交互式、时间驱动的应用程序。为了满足这些要求，就必须解决以下几个问题，而游戏主循环的存在正是为了解决这些问题：

1. 持续的交互和响应 #

问题： 游戏需要不断地检查玩家是否有新的输入（按键、移动鼠标等），并立即做出反应。同时，游戏世界本身也在不断变化，即使玩家没有输入，游戏也需要继续「活」着。一个普通的程序执行完指令就停下了，无法满足这种持续性需求。
解决： 游戏主循环提供了一个不停歇的执行流。在循环的每一帧（一次完整的循环），游戏都会处理输入、更新状态，确保游戏始终处于响应玩家和自我演化的状态。

2. 随时间演变的游戏状态 #

问题： 游戏世界中的物体会移动、动画会播放、事件会发生。这些变化都是基于时间的，而不同硬件设备运行速度不同，直接依赖帧数计算会导致游戏速度不一致。例如，每秒移动10单位的物体，在30FPS下每帧移动0.33单位，在60FPS下每帧移动0.16单位，实际移动速度相同。这需要游戏能够以一定的频率（通过循环）来计算这些随时间变化的状态。
解决： 游戏主循环通过反复执行「更新游戏状态」这一步，结合 Delta Time（上一帧到当前帧的时间差）驱动更新。例如，物体速度可定义为 速度 * Delta Time，确保无论帧率高低，物体实际移动距离与时间成正比。

3. 实时显示游戏状态 #

问题： 玩家需要看到游戏世界的当前状态。当游戏世界发生变化时，屏幕上的画面也需要立即更新来反映这些变化。这不像一些程序只需要在最后输出结果。
解决： 游戏主循环在每次「更新游戏状态」后，都会执行「渲染」这一步，将当前的游戏状态绘制到屏幕上。通过高频率地重复这个过程，玩家看到的就是一个流畅、动态变化的画面。

4. 同步输入、更新和渲染 #

问题： 游戏需要在处理玩家输入、计算游戏逻辑（更新）、以及显示结果（渲染）之间协调工作。例如，玩家按下了跳跃键，游戏需要接收到这个输入，然后根据物理规则计算角色新的位置，最后将新位置的角色绘制到屏幕上。这些步骤需要在一个连贯的流程中完成。
解决： 游戏主循环将这三个核心操作（输入、更新、渲染）组织在一个固定的序列中，每一帧都按顺序执行，确保了游戏逻辑的同步性和一致性。

代码展示 #

基于EasyX的游戏主循环示例代码如下（结合了场景管理器概念）：

#define FPS 60  // 目标帧率：60帧
while (is_gaming) {
  DWORD frame_start_time = GetTickCount(); // 记录当前帧开始时间（毫秒级精度）
  // 1. 处理输入（使用EasyX的消息泵）
  while (peekmessage(&msg, EX_MOUSE | EX_KEY)) { // 非阻塞获取输入事件
    scene_manager.on_input(msg); // 将输入事件传递给场景管理器
  }
  
  // 计算时间差（Delta Time）
  static DWORD last_tick_time = GetTickCount();
  DWORD current_tick_time = GetTickCount();
  DWORD delta_tick = current_tick_time - last_tick_time;
  
  // 2. 数据/状态更新（传入时间差实现时间驱动）
  scene_manager.on_update(delta_tick); 
  
  last_tick_time = current_tick_time; // 更新上一帧时间戳
  
  // 3. 画面渲染
  cleardevice(); // 清空画布
  scene_manager.on_draw(main_camera); // 场景管理器处理绘制逻辑
  FlushBatchDraw(); // 批量绘制提交（避免闪烁）
  
  // 帧率控制：计算本帧耗时并动态休眠
  DWORD frame_end_time = GetTickCount();
  DWORD frame_delta_time = frame_end_time - frame_start_time;
  if (frame_delta_time < 1000 / FPS) {
    Sleep(1000 / FPS - frame_delta_time); // 维持稳定帧率
  }
}

结语 #

总的来说，游戏主循环就是让游戏世界「活」起来的核心机制。它保证了输入、更新、渲染这三大环节有条不紊地进行。