2017-10-15

Об играх

В игры я почти не играю. Раньше играл. А сейчас почти не играю.
Нет, я, конечно, снова прошёл весь Carmageddon, когда он вышел под Android. И с удовольствием резался в Plague Inc.. И даже где-то у меня есть аккаунт в Steam, где пылится честно купленная на распродаже за нуль рублей Portal.
Carmageddon
Но я сейчас о другом. Я, оказывается, ни разу не задумывался, как делаются современные игры. А это прям отдельная Вселенная.
В студенческие годы, я, конечно, писал игрушки. Под DOS, на C и C++. Развлекался с трёхмерной графикой, освещением и текстурами в режиме 320х200 c 256 цветами. Трёхмерные крестики-нолики делал. А ещё в текстовом режиме были «Быки и коровы» и «Жизнь».
Чуть позже я немного развлекался с Borland C++ Builder (именно ещё от Borland). И наклепал для Windows тетрис (любой уважающий себя программист должен написать тетрис), решалку японских кроссвордов и даже симулятор MK-61 (ну как бы уже не совсем игра).
С тех пор игр не писал. А зачем? Какой от них толк? Интереснее сделать что-нибудь полезное. Для себя.
Ludum Dare
Но случайно таки оказался недавно на омском Ludum Dare. И там я узнал, что игры пишутся совсем не так, как пишутся обычные сетевые приложения, или как обычные гуёвые приложения.
Как работает обычный сервер? Он ждёт запросов. Пока запросов нет, он ничего не делает. Когда приходит запрос, он его обрабатывает. Запускает ли он для этого другой процесс, или другой поток, или всё делает в общем (для кучи соединений) потоке-воркере (то, что называется асинхронным) — не важно. Важно, что всегда есть запрос-ответ. Нет запроса — ничего не происходит (как правило).
Запросы создаёт клиент. Именно он является инициатором всего этого безобразия. Нет клиентов — нет запросов — ничего не происходит.
Аналогично в GUI. У нас есть события: движения мышки, нажатия кнопок и клавиш. Когда событие происходит, оно должно быть обработано. Графическим элементом, над которым оно произошло, окном и т.д. И тут, кстати, не придумали особо изящного способа обработки всех этих событий, кроме как одного, в одном потоке, бесконечного (но блокирующегося) цикла. Да, это тоже асинхронщина.
Пока вы двигаете мышкой из одного угла экрана в другой, происходят тысячи событий, в десятках разных приложений. Но если вы взялись ковырять в носу, и убрали руки с мыши и клавиатуры, то событий не будет. И снова ничего не будет происходить. Ну разве что курсор будет мигать. На старых терминалах мигание вообще делалось аппаратно.
Общее тут то, что пока нет события или запроса, ничего не делается. А когда события и запросы пошли, их все нужно успеть обработать. В современных GUI это не всегда тривиально. Но оно так и работает.
Java GUI Event Loop
В играх всё по-другому.
Даже роли клиента и сервера отличаются. Да, клиент по-прежнему подключается к серверу. Но дальше идут не запрос-ответ, а отправка сообщений. В обе стороны. Клиент сообщает о действиях игрока. Сервер сообщает о состоянии игры (изменённое действиями и этого, и других игроков). Существенное правило безопасности: сервер знает всё, а вот клиент должен знать только то, что ему положено знать. Нарушение этого правила порождает интересные возможности для тех, кого называют читерами (к примеру, в World of Tanks это вообще весело).
В играх игрок тоже жмёт кнопки и елозит мышкой. И это тоже может порождать события. Но эти события никого особо не интересуют. События не порождают немедленных действий по их обработке. Да, координата мышки, или номер нажатой кнопки могут быть где-то запомнены, чтобы знать, что кнопка нажималась. Но и всё.
Потому что в играх — постоянный polling. В бесконечных циклах. С задежкой. Это, конечно, не обязательно должны быть while (true) в отдельных потоках со sleep() внутри. Можно всё сделать хитрее, на таймерах и всё такое. Но сути дела это не меняет.
Есть цикл для отрисовки. Который даёт те самые fps. Тут всё просто. Берётся состояние игры, с точки зрения игрока. И отрисовывается. Столько раз в секунду, сколько надо. Само состояние может меняться реже или чаще.
Есть цикл опроса действий игрока. Тут как раз мы выясняем, какие кнопочки нажаты, где находится мышка. И, либо прямо модифицируем состояние игры, в случае сингл плеера. Либо передаём намерения игрока на сервер, в случае сетевого мультиплеера.
На сервере намерения игроков накапливаются. А потом происходит тик игры. Это самый главный цикл, где изменяется глобальное состояние игры. Раз и навсегда. Тут просчитываются всякие перемещения, уроны, жизни и т.п. И тут очень важным параметром является время, прошедшее с предыдущего тика. Как правило это время не может быть в точности постоянным. И это надо учитывать, дабы персонажи, как минимум, перемещались равномерно. И изменённое состояние игры рассылается всем игрокам.
Из-за ограничений в скорости сети, эти рассылки идут значительно реже, чем fps. Что порождает некоторые особенности. Все эти опросы, просчёты, отрисовки происходят каждый в своём цикле. И они в общем случае не синхронизированы. Нужны какие-то правила синхронизации.
Например, что делать, если игрок упорно движется в определённом направлении, а с сервера обновлённого состояния, где произошло перемещение в данном направлении, ещё не пришло? Клиент может взять на себя смелость и изменить местоположение игрока, чтобы при прорисовке перемещение происходило плавно. Это называется интерполяцией. Если прогнозы клиента, и обновлённое состояние с сервера совпали — всё хорошо. А вот если выяснится, что игрока по пути кто-то убил, придётся как-то выкручиваться и дорисовывать, что сначала мы дошли туда, а потом, метром ранее, умерли.
Пересылка сообщений. Циклы опроса. Асинхронная пересылка сообщений. Синхронизация состояний. Безопасность и доверие. Вот это вот всё — игры.
Может, я рассматриваю лишь частный случай игродельной индустрии. Но мы на Людуме клепали так.
Game Loop
Почему же классические клиент-серверные архитектуры, а так же GUI, построены по-другому? Дело в экономии ресурсов? Выгодно ничего не делать, пока нет событий? В играх ведь все циклы: отрисовки, опроса, просчёта следующего состояния игры — колбасят всегда, независимо от действия или бездействия игрока. CPU и сеть никто особо не жалеет.
С другой стороны, где-то циклы с постоянными опросами всё же встречаются? Уж не в ядрах ли ОС? Тот самый поллинг сетевой карты вместо прерываний. Нет? А в RTOS, случайно, не осуществляется такой же тотальный контроль над временем выполнения задач? Ну не успел выстрел игрока попасть в вычисления данного состояния игры, значит выстрела на данном шаге не будет.
Какая-то другая Вселенная — эти игры. Где бы это применить, не начиная писать игры? :)