GAMES104.王希.02.引擎架构分层

Posted on 2022-03-31 Edited on 2022-04-11 In CG.GAMES104 Views:

引擎架构分层、5 层架构（工具层、功能层、资源层、核心层、平台层）、第三方库

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引擎架构分层与整体 pipeline

Layered Architecture of Game Engine
如何开始看游戏引擎的海量代码？
现代游戏引擎的 5 层架构
- 工具层、功能层、资源层、核心层、平台层
- 第三方库

游戏引擎分层简介

工具层

Tool Layer
Chain of Editors
在游戏引擎中，首先看到的是各种各样的编辑器

功能层

Function Layer
让游戏能过够运行起来
- Make It Visible, Movable and Playable
动画、渲染、物理系统、脚本、FSM（有限状态自动机）、AI、相机、交互界面、HUD（抬头显视设备）、输入输出
HUD

资源层

Resource Layer
数据和文件：Data And Files

核心层

Core Layer
将底层代码封装成核心函数库

平台层

Platform Layer
兼容不同的平台
- 硬件平台
- 软件平台
兼容不同的输入设备

不同的输入设备都需要翻译成游戏中的一个统一的语言

第三方库

SDK 形式，直接集成到引擎里面，编译的时候就需要编译进去
第三方工具，和游戏引擎的数据交换通过文件形式
- simplygon：面片简化工具

5 层架构

如何实现 5 层架构？
如果想实现一个动起来的角色，5 层架构分别要做些什么？
以这个问题为线索，说明各层的作用

资源层

数据引擎化

拿到了资源之后，怎么样导入使用这些资源？
能不能直接加载？
- 在游戏引擎这么复杂的软件里面，我们不可能去逐个问资源的具体格式
- 另外，很多软件的数据格式是为了软件好操作而建构的，可能比较复杂，存在很多无效信息，直接加载效率非常低
会先将资源做一个转换（import），转换成引擎的高效数据，变成资产（asset）
例如图片，我们将可以图片都转成 dds 这种 GPU 友好的图片格式
- dds：DirectDraw Surface，是 DirectX 纹理压缩（DirectX Texture Compression，简称 DXTC）的产物
另外一个例子，word \(\to\) txt
- word 本身提供各种功能，导致文件很大，如果只需要里面的文字，转成 txt，则文件很小
在预处理之后的 asset，加载和使用都会非常块

资产关联

composite asset
将不同的资产关联在一起，表明数据之间的关系
GUID：唯一识别号
- Globally Unique Identifier
- 为每一个资产设定一个 GUID（类似人的身份证）
例如如下的资产关联模式

通过引用关联

运行时管理

Runtime Asset Manager
一个虚拟的文件系统，通过文件路径来加载/卸载 assets
handle system：管理资产的生命周期、引用
资源的内存管理（内存是有限的）
资产的生命周期
- 垃圾回收（GC）
- 延迟加载
在现代游戏引擎架构中，GC 很重要
- 例如关卡切换的时候，如果 GC 没写好，很可能导致卡顿（大量资源的回收和生成）
延迟加载：边玩边加载

功能层

Tick

如何让角色动起来？
tick
在每一个 tick 时间，执行一遍所有操作

游戏每一帧的逻辑如下

{
    tickLogic(deltaTime);
    tickRender(deltaTime);
}

不管渲染还是不渲染，游戏世界中的时间都是向前推进的（事件都是在发生的）
logic 和 render 在代码是线上需要分开，不能混在一起
- 本身做的就是两件事
功能层很复杂，为游戏本身提供了很多功能模块
游戏中的循环周期性的更新系统的状态
游戏和游戏引擎关系复杂
- 有些模块到底是该位于游戏还是游戏引擎说不清楚
- 例如某个游戏可能需要有相机摇晃的感觉，这个功能应该是游戏还是游戏引擎呢？
- 一个评论：业务与底层的关系，但是业务可以沉到底层实现复用
有些功能是很清晰的属于游戏引擎的
- 绘制、pipeline、资产管理

多线程

多种架构
入门级实现
- Entry（Fixed Thread）：某个线程只做固定的事

主流架构
- Mainstream（Thread Fork/Join）
- 将一些容易并行的计算使用多线程实现

未来游戏引擎的实现
- Advanced（JOB System）

多线程的问题
- 需要处理数据依赖
未来的引擎架构一定是多核的

核心层

数学库

变换

为什么要抽象成一个库？
- 追求效率
- \(\dfrac{1}{\sqrt{x}}\)：Quake-III 实现如下
  - 解析

float Q_rsqrt( float number ) {
    long i;
    float x2, y;
    const float threehalfs = 1.5F;
    x2 = number * 0.5F;
    y  = number;
    i  = * ( long * ) &y;
    i  = 0x5f3759df - ( i >> 1 );
    y  = * ( float * ) &i;
    y  = y * ( threehalfs - ( x2 * y * y ) );
    y  = y * ( threehalfs - ( x2 * y * y ) );
    return y;
}

SIMD：Single Instruction Multiple Data，单指令流多数据流
- 多个同样的运算同时进行

数据结构和容器

C++ STL 的实现可能不适用于游戏中的应用场景
我们需要设计自己的数据结构，尽可能减少内存碎片，提高访问效率

内存管理

提高内存使用效率
- Memory Pool / Allocator
- Reduce cache miss
- Memory alignment
Polymorphic Memory Resource (PMR)
- 多态内存分配器
高效内存管理
- Put data together：把数据放到一起
- Access data in order：访问数据的时候尽可能顺序访问
- Allocate and de-allocate as a block：读写的时候尽可能一起去读写

核心层特点

高效的设计与实现
高质量的代码
一般不轻易改动

平台层

平台无关性，掩盖平台的差异，上层调用能够无视平台特征

例子

文件路径
渲染引擎
- Windows：DirectX（DX11、DX12）
- MAC：Metal
- Android：OpenGLES、Vulkan
- 重新定义一层 graphics 的 API，隐藏平台特征
  - Render Hardware Interface (RHI)
    - 对不同的 GPU 架构和 SDK 都是透明的，隐藏差异
    - 对目标平台及其进行自动优化