【基础】游戏循环与帧率控制

# 1. 游戏循环基础**

游戏循环是游戏引擎的核心，它定义了游戏如何随着时间推移更新和渲染。一个典型的游戏循环由以下步骤组成：

1. **处理输入：**从玩家输入设备（如键盘、鼠标）收集输入。
2. **更新游戏状态：**根据输入和游戏逻辑更新游戏对象的位置、速度和状态。
3. **渲染帧：**将游戏状态转换为视觉表示，并将其显示在屏幕上。
4. **重复：**返回步骤 1，继续循环。

# 2. 帧率控制原理

### 2.1 帧率的概念和重要性

帧率是指每秒显示的帧数，单位为 FPS（Frames Per Second）。它衡量了游戏流畅度的关键指标。高帧率可以带来更流畅、更逼真的游戏体验，而低帧率则会导致卡顿、延迟和视觉不适。

### 2.2 帧率控制算法

为了确保游戏以稳定的帧率运行，需要采用帧率控制算法。这些算法可以分为两类：

#### 2.2.1 固定帧率控制

固定帧率控制算法以固定的时间间隔渲染帧。例如，如果目标帧率为 60 FPS，则每 16.67 毫秒渲染一帧。这种方法可以保证稳定的帧率，但可能会导致渲染开销过高或物理计算不准确。

**代码块：**

while (true) {
  // 计算时间差
  float dt = clock.getElapsedTime().asSeconds() - lastFrameTime;
  if (dt >= 1.0f / 60.0f) {
    // 渲染帧
    renderFrame();
    // 更新时间
    lastFrameTime = clock.getElapsedTime().asSeconds();
  }
}

**逻辑分析：**

此代码使用固定帧率控制算法。它计算自上一帧以来的时间差，如果时间差大于目标帧率的倒数（16.67 毫秒），则渲染一帧并更新时间。

#### 2.2.2 可变帧率控制

可变帧率控制算法根据系统性能动态调整帧率。当系统负载较高时，它会降低帧率以避免卡顿，而当系统负载较低时，它会提高帧率以提供更流畅的体验。

**代码块：**

while (true) {
  // 计算时间差
  float dt = clock.getElapsedTime().asSeconds() - lastFrameTime;
  // 计算帧率
  float fps = 1.0f / dt;
  // 根据帧率调整渲染间隔
  if (fps < 60.0f) {
    renderInterval = 1.0f / fps;
  } else {
    renderInterval = 1.0f / 60.0f;
  }
  // 渲染帧
  renderFrame();
  // 更新时间
  lastFrameTime = clock.getElapsedTime().asSeconds();
}

**逻辑分析：**

此代码使用可变帧率控制算法。它计算当前帧率，并根据帧率调整渲染间隔。当帧率低于目标帧率（60 FPS）时，它会增加渲染间隔以降低帧率，反之亦然。

### 2.2.3 帧率控制算法比较

| 算法 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|
| 固定帧率控制 | 稳定帧率 | 渲染开销高，物理计算不准确 |
| 可变帧率控制 | 适应性强，节省渲染开销 | 帧率波动较大 |

在实际应用中，通常会根据游戏类型和系统性能选择合适的帧率控制算法。对于需要稳定帧率的游戏，如竞速游戏或射击游戏，固定帧率控制是一个不错的选择。对于资源受限或需要动态调整帧率的游戏，可变帧率控制更合适。

# 3.1 游戏循环的实现方法

游戏循环的实现方法有多种，主要分为两种：主循环方法和异步事件处理。

#### 3.1.1 主循环方法

主循环方法是游戏循环最常用的实现方法，其核心思想是创建一个无限循环，在循环中不断更新游戏状态、渲染画面并处理用户输入。主循环方法的伪代码如下：

while (running) {
    // 更新游戏状态
    update();
    // 渲