以下文章来源于腾讯游戏学院，作者腾讯游戏学院
“和学霸一起学”栏目推送游戏相关的专业课程内容，通过相对专业、体系的知识内容，帮助大家提升对游戏的认识水平和理解力。本篇内容源于由清华大学美术学院与腾讯游戏学院联合制作“游戏程序设计”系列课程，课程名称为《游戏循环及实时模拟》（讲师：兰翔）。
本文通过游戏循环概述、游戏计时机制与游戏循环驱动的主要子系统的介绍，并结合demo游戏《无尽之路》，具体讲解各子系统与子系统开发的方法。《无尽之路》基本上没有什么美术资源，大都是Unity自带的模型，所以看起来比较简陋。它设计了一个地形，上面摆了很多小球，而玩家在地面上移动，而几个AI跟在玩家身后，在这个场景中大概有两千多个小球。游戏规则也比较简单：玩家通过鼠标操作移动游戏角色，游戏角色走到哪个地方，上面的球就会掉落，玩家被砸到就会掉血。
#01游戏循环概述
各类程序及其特点
常见的程序，第一类是面向任务的被动处理软件，没有任务就可以休眠。一般包括：命令行程序、GUI（图形用户界面）程序、操作系统服务、WEB服务、MIS（管理信息）系统、ERP（企业资源规划）系统以及进销存系统和财务软件等财务系统。这类软件的主要特点，是被动处理。只有去请求一个功能时，才需要进行处理。如果不做请求，就不需要做什么，自动休眠。第二类，是自动控制软件。在给定设定值后，这类软件就会通过调节器，进行自动调节。这类软件的特点，是主动处理，不能停止运行。特别是在工业控制中，如果软件停下来，现场可能就会失控。而游戏程序，相对于上面两类软件，有自己的独特之处。游戏最典型的特点是，游戏世界是对真实世界的模拟。即使是小型游戏，比如棋牌类游戏，也是对现实世界棋牌的模拟。大型游戏，比如最典型的RPG（角色扮演类游戏），则是完完全全在模拟真实世界。此外，游戏世界和真实世界类似的地方在于，即使玩家不做任何操作，游戏世界还是会正常运转。正是由于这个特点，游戏需要主动运转，而主动运转整个世界的驱动，是在游戏循环中进行的。游戏循环的作用及层次
在游戏行业，游戏的循环被称为“心跳”。游戏循环主要有三个作用：①驱动游戏世界的运转。游戏在每一次“心跳”时，都会进行相应处理，来驱动整个游戏世界的运转。②驱动游戏中NPC的行为。NPC是非玩家角色，一般由AI控制。NPC的行为，也是靠循环驱动的。③实现游戏世界与玩家的交互。而本文所讲的游戏循环，主要指前端的程序循环。一般分成两个层次：游戏引擎循环和游戏逻辑循环，游戏循环一般是由底层的引擎循环驱动的。游戏引擎循环
3D引擎的循环，其实是在模拟真实世界的摄像。相当于在游戏世界中，有一个摄影师拿着相机在观察这个世界。所以，在3D引擎中，摄像机是最主要的概念。此外，3D引擎的概念，还包括可移动物件、场景和UI。可移动物件，指在游戏中可以动的物件。场景，通常是游戏中的游戏世界，游戏里所有的动作和事件，都在这个场景里发生。UI，通常在玩家和游戏交互的过程中会涉及。在游戏中，引擎往往服务于相机、UI系统、场景管理、游戏物件的管理和支持。引擎的主循环，主要包括上图的五个步骤。首先是游戏逻辑的循环。引擎里会有一部分去驱动游戏逻辑的循环。NPC、可移动物件位置的变动、属性的变化等都存在于游戏循环中。其次，游戏逻辑控制可移动物件的位置、旋转、缩放等变化，进行Transform更新。当游戏场景比较复杂时，可能会采用空间数据结构进行管理，涉及二叉树或者八叉树，以及相应数据结构的更新。然后，是整个场景的渲染。场景渲染结束后是渲染UI，因为UI一般是覆盖在场景表面上的。最后，是双缓冲的切换。一般在显示一帧游戏画面时，另一帧在后台就会提前写好，这样画面的显示就会比较连贯。上图左是搭建的一个场景，包含相机视角和各种物件的展示，图右是屏幕中的呈现效果，它实际上是所有3D物件在相机近裁剪面上的投影。游戏逻辑循环
游戏逻辑的循环是由引擎来驱动的，一般在引擎循环每一帧的开始或结束进行游戏逻辑的处理，不会嵌在中间。因为引擎的整个渲染需要加锁，如果在中间进行修改，可能会影响整个引擎的管线。游戏逻辑的循环主要是用来驱动游戏的各个子系统，包括网络、场景、资源、游戏对象、AI、战斗、剧情和UI等。其中，游戏对象指玩家和NPC，AI主要用来控制NPC，战斗包括技能和BUFF等信息。游戏逻辑循环一般有两类风格：一种是事件或消息驱动，类似windows的消息循环机制，更有设计特点；另一种是静态循环，依次调用各个子系统的Tick（即“心跳”），这种方式比较直白，容易理解。一般来说，游戏逻辑循环更常采用静态循环的方式。因为游戏开发是一个多人协作的过程，而且游戏开发的时间一般都比较长，可能会有人员的流动，所以保持简单和可理解，对开发人员来说是比较重要的事情，而且，简单对于产品质量的影响，比采用更好的技术可能会更大一些。而事件或消息驱动的方式，编写和调试比较复杂，代码不易理解，所以不太常用。游戏循环分类
游戏循环主要可以分为三种类型。第一类，是Windows消息主循环。以前在Windows上，都是GUI系统（GraphicUserInterface，图形用户界面），Windows是消息驱动的，所以游戏的循环是在Windows消息的主循环里。相当于每一次Windows程序处理完消息队列里的消息，就会做一次游戏的Tick。第二类，是游戏帧的回调。图中的是比较老的windows系统上的开源引擎——OGRE。它在每一帧的开始和结束有两个回调，中间是游戏引擎的循环，渲染当前的场景。两个回调，实际是执行游戏的逻辑，修改游戏世界里逻辑层的一些东西，中间通过引擎的方式表现出来。第三类，是Unity3d。它把游戏开发做的很简单，允许开发者不用再去了解很底层的东西。它使用的是一个C#语言的脚本，可以理解成一种事件驱动。但实际上Unity3d是在MonoBehaviour上，在C++里直接调用了Awake、Start、Update和FixedUpdate这四个方法，而不是用C#的event机制。上文提到过，游戏循环是在驱动各个子系统。每一个子系统基本上都有一个“心跳”，循环就是依次对各个子系统“心跳”的调用。循环如果是静态方式的话，可以很直观地看到各个子系统的调用。如果是事件驱动的方式，那么看到的是一个已经注册好的列表循环Tick，这个循环会随各子系统工作与否产生变化。比如，某些系统可能不需要工作，那它就可以从列表里移除，Tick的时候就会少Tick一些，所以性能上可能会稍微好一点。但对于一般游戏的系统，特别是对RPG游戏，大多数子系统都是要一直工作的，所以两种方式的差别很小。游戏里的时间
游戏里的时间，一般有两类：绝对时间和相对时间。关于相对时间，可以用Unity的Timescale属性来解释。这个属性默认是1，当调成2、3或4时，游戏进程就会变快，这种时间就是相对时间。游戏都是通过心跳来驱动的，心跳本质上是对游戏世界的模拟，这种模拟是基于时间的。相对时间代表了一个按照某种速度流逝的时间，时间流逝后就会产生对应的影响，所以如果把这个时间的速度加快，整个演算的速度就会变快。相对时间涉及两个概念，一个是加速播放，也称为重演。比如，在王者中，如果玩家中间掉线了，重新连接上的时候就会看到，各种动作都会加快，这就相当于重演。另一个是和重演相对应的反演，也叫时间倒流。反演最终可以无缝做到像录像一样，就是把每一帧都记下来，这样就可以随意跳到任何一帧。但反演的实现比较难，因为可能不是每一帧都能被记下，而是定期记录一个快照与基于最近快照演算相结合。假设某一帧里有一个NPC被杀死，那它就消失了。如果没有做任何记录，然后根据玩家操作往回反演的话，到这一帧时，只知道有一个NPC消失了，但是恢复回来后发现这个NPC很多的信息其实都没有。这是因为游戏演算的时候，每一帧都是对之前整个历史信息的积累，除非真的把NPC信息记下来，否则，反演的难度是很大的。所以，拥有时间倒流功能的游戏，一般来说技术上是比较先进的。其次，是帧时间和实时时间。帧时间就是每帧的时间，循环里是各种各样的Tick，一般来说，取一帧的时间跟上一帧计算，这样就能知道时间流逝了多久。游戏里的逻辑，很多时候是以每一帧时间作为步长去演算的。所以，很多时候在游戏里使用帧时间就够了。实时时间，就是真实时间，任何时候去取，取到的都是真实流逝到这个点的时间。游戏逻辑的Tick里会做很多运算，假设每秒钟需要30帧，那么每一帧最多只能有30ms的时间,但如果运算一帧需要50ms，并且在这一帧里把运算全部做完，那么帧率会下降一半，所以需要把逻辑上的一些处理，进行分帧处理。把一个操作分到若干帧中去完成，就需要用到实时时间。在运算过程中，实时