游戏中定时器的设计

0.  前言

在游戏开发中计时器/定时器是必须的，而且会在多处用到，如吃药补血每秒回10点且持续1分钟、玩家从一点到达另一点的过程需要多少时间。下面是定时器在七雄争霸中的几个应用场景，直接上图：



场景1：建筑升级时间
场景2：建筑升级时间
场景3：科技研究时间
类似的场景还有很多，就不一一列举了。但有一点可以肯定的就是，不可能每个地方都去new一个定时器各自管理，这样会消耗大量CPU和内存，从而导致游戏不流畅，画面卡卡的。所有一般游戏中都只维护一个全局的定时器，这也是本文的主要内容——ActionScript3页游开发中如何设计全局的定时器。

1.  定时器的几种设计

下面介绍如何设计游戏中全局的定时器，首先我们来看看常用的定时器设计。通常定时器具有以下功能：
F  启动定时器
F  停止定时器
F  定时器定期执行间隔（总共执行多次）或者超时执行（总共执行1次）
F  有的游戏中还需要暂停定时器、恢复定时器的功能

关于游戏中的定时器的设计有以下两种争议：
1)        每个需要定时器的地方都创建一个，然后问题归结为多个定时器的管理问题；
2)        游戏中只有一个定时器，然后问题归结为一个定时器实现多个定时器的效果。
实际从管理难度以及运行效率上来讲应该选择第2种。

START_TIMER = O(1)
STOP_TIMER = O(1)
PER_TICK_BOOKKEEPING = O(n)
START_TIMER = O(n)
STOP_TIMER = O(1)
PER_TICK_BOOKKEEPING = O(1)


START_TIMER = O(log(n))
STOP_TIMER = O(1)
PER_TICK_BOOKKEEPING = O(1)
START_TIMER = O(n)
STOP_TIMER = O(1)
PER_TICK_BOOKKEEPING = O(1)

START_TIMER = O(1)
STOP_TIMER = O(1)
PER_TICK_BOOKKEEPING = O(1)

（每个桶中元素有序）
START_TIMER = 最坏O(n)、平均O(1)
STOP_TIMER = O(1)
PER_TICK_BOOKKEEPING = O(1)
（每个桶中元素无序）
START_TIMER = O(1)
STOP_TIMER = O(1)
PER_TICK_BOOKKEEPING = 最坏O(n)、平均O(1)

START_TIMER = O(m)，m是轮子的数量
STOP_TIMER = O(1)
PER_TICK_BOOKKEEPING = O(1)
上面几种定时器设计可以总结为使用4种数据结构实现：Heap、List、Hash、Wheel。著名的ACE中的定时器按照这4种方式分别都给与了实现，具体的4种定时器都是从ACE_Timer_Queue_T继承，每种定时器用不同的数据结构来实现具体Timer的算法。
1）ACE_Timer_Heap定时器，根据触发时间建立一个优先级队列(一个最小堆数据结构)来维护所有的定时器，代价就是删除和插入过程为O(logn)，代价比较高。
2）ACE_Timer_List定时器，根据触发时间建立一个有序的双向链表，代价就是插入定时器代价较高。
3）ACE_Timer_Hash定时器，采用开链的Hash方式每一个桶为一个单链表，在检查所有桶超时的时候会遍历链表所有的元素。为了提高效率这里所用的Hash桶应该足够大，而对于定时器一般是频繁的超时响应定时器，已经插入和删除，响应会采用迭代的方式。所以效率并不是那么高效。
4）ACE_Timer_Wheel定时器，采用的一种时间轮的方式，具体实现就好象一个轮子上面有很多插槽，每一个插槽下面包括一个有序双向链表，在Ace中把轮子叫做Wheel，插槽叫做Spoke，每一个定时器被Hash到Spoke中，而Spoke也可以理解为timer的分辨率，而Spoke的计算公式为：(触发时间 >> 分辨率的位数)&(spoke大小-1)。然后在根据触发时间把定时器插入到每一个Spoke的有序双向链表中，与Ace_timer_Hash的实现类似，只是这里用户可以指定Spoke大小。这里代价就是插入的时候可能最坏为O(n)。

2.  定时器的简单实现

我所在的Flash网页游戏项目中使用了简单的实现方式，游戏中只有一个定时器，然后问题归结为一个定时器实现多个定时器的效果。定时器使用ActionScript3中的Timer类。
定时器类（Timer Class）是ActionScript 3.0的内置类，通过AS3的事件分发响应机制实现周期触发。定时器是一个简单却又极为常用的类，系统全面的掌握它是非常必要的。（摘自ActionScript3 帮助文档）
Timer定时器是精确的，但是定时器的执行结果并非绝对精确。无论是Flash还是Flex，最终的应用程序都是以SWF文件存储。而FlashPlayer在解释SWF文件时，会建立基于帧率的周期循环。每次舞台更新的时间间隔是固定的，脚本中的舞台操作会受到时间轴帧率的制约。
作为一个多线程的应用程序，FlashPlayer 执行脚本不需要依赖帧率，但是所有的屏幕输出都要借助FlashPlayer的渲染引擎。如果时间轴帧率为10，则运行时舞台每100毫秒播放一帧。当间隔为80毫秒的定时器触发时，SWF应用程序立刻执行该定时器的侦听函数，但是在定时器侦听函数中的任何屏幕操作，都不会及时的反应在舞台上。只有在100毫秒时，FlashPlayer才会更新舞台显示。定时器在160毫秒第二次触发时，SWF应用程序需在200毫秒更新舞台显示。理论上8000毫秒内执行100次定时器，但实际上在帧率为10的SWF应用中，舞台更新只有80次。有可能在舞台刷新间隔内，连续执行两次定时器操作。
定时器的触发事件间隔可以自由设置，所有的定时器事件都不会错过。屏幕显示虽然不是实时更新，但是由于刷新的速度很快，不会造成显著影响。实际上，任何语言的定时器都要受制于系统时钟，都不是绝对精确的。
上述原因也是我们采用定时器的简单实现方式的原因之一，下面上代码。
定时器：
package
{
import flash.events.TimerEvent;
import flash.utils.Timer;
import flash.utils.getTimer;
public class MyTimer
{
private static var _instance:MyTimer;
private var _timer:Timer;
private var _timerList:Array;
/*
* 获取单例类MyTimer的实例
* 返回值：
* _instance
*/
public static function getInstance():MyTimer
{
if (_instance == null)
_instance = new MyTimer();
return _instance;
}
/*
* 构造函数，用于防止单例类生成多个实例
*/
public function MyTimer()
{
if (_instance != null)
trace("单例类，请不要实例化");
return;
}
/*
* 注册计时器，首先检查id是否存在，如果不存在，就将定时器插入数组_timerList中；否则啥都不做
* 参数：
* id - 唯一标识一个定时器
* interval - 刷新间隔，单位为秒（s）
* repeatCount - 重复次数
* callback - 回调函数，每隔interval就执行一次
* ...args - 回调函数参数 ///注意，参数实际并没有用到，有待改进
* 返回值：空
*/
public function registerTimer(id:String, interval:int, repeatCount:int, callback:Function, ...args):void
{
if (_timerList == null)
_timerList = new Array();
if ( check(id) == -1 )
{
_timerList.push( { id:id, interval:interval, repeatCount:repeatCount, callback:callback, args:args, tempInterval:0 } );
startTimer();
}
else
{
trace(id + "已经存在！！！");
}
}
/*
* 注销计时器，首先检查id是否存在，如果存在，从数组_timerList中删除定时器
* 参数：
* id - 唯一标识一个定时器
* 返回值：空
*/
public function removeTimer(id:String):void
{
var index:int = check(id);
if (index != -1)
{
_timerList.splice(index, 1);
}
}
/*
* 检查指定id的Object是否在_timerList数组中，
* 如果存在返回在_timerList数组中的索引；否则返回-1
* 参数：
* id - String，唯一标识一个定时器
* 返回值：
* -1 or 指定Object的索引
*/
private function check(id:String):int
{
var len:int = _timerList.length;
for (var index:int = 0; index < len; index++)
{
if (_timerList[index]["id"] == id)
{
return index;
}
}
return -1;
}
/*
* 启动计时器
* 如果_timer为空，生成一个定时器Timer，事件发生间隔1000ms（1s）；
* 监听TimerEvent.TIMER，处理函数为timerHandler
*/
private function startTimer():void
{
if (_timer == null)
_timer = new Timer(1000);
if (!_timer.running)
{
_timer.addEventListener(TimerEvent.TIMER, timerHandler);
_timer.start();
}
}
/*
* 停止计时器
* 当_timerList数组为空时，即没有用户注册定时器，停止_timer
*/
private function stopTimer():void
{
_timer.stop();
_timer.removeEventListener(TimerEvent.TIMER, timerHandler);
}
 
/*
* 运行计时器
* 如果_timerList数组为空，调用stopTimer()停止计时器；
* 否则判断_timerList数组中的定时器间隔是否达到，
* 如果达到，就调用回调函数；
* 否则啥都不做
*/
public function runTimer():void
{
var timerComplete:Array = new Array();
var len:int = _timerList.length;
if (len == 0)
{
stopTimer();
return;
}
for (var i:int = 0; i < len; i++)
{
//运行MyTimer管理的所有计时器
_timerList[i]["tempInterval"] += 1;
//判断是否已经经过interval间隔
if (_timerList[i]["tempInterval"] == _timerList[i]["interval"])
{
//如果callback不空，执行callback函数
if (_timerList[i]["callback"] != null)
{
_timerList[i]["callback"](_timerList[i]["args"]);
}
_timerList[i]["tempInterval"] = 0;
//判断初始repeatCount是否=0，如果注册时为0，即无限次数
//否则每执行一次，就-1；然后判断repeatCount是否=0，如果=0就注销计时器
if (_timerList[i]["repeatCount"] != 0)
{
_timerList[i]["repeatCount"] -= 1;
if (_timerList[i]["repeatCount"] == 0)
{
trace("执行完成......");
timerComplete.push(_timerList[i]["id"]);
}
}
}
}
//注销所有已完成的计时器
len = timerComplete.length;
if (len != 0)
{
trace("注销所有已经完成的计时器...");
for ( i = 0; i < len; i++)
{
removeTimer(timerComplete.pop());
}
}
}
/*
* timerHandler是_timer的TimerEvent.TIMER事件处理函数
* 其中调用runTimer()，管理所有注册的计时器
*/
private function timerHandler(evt:TimerEvent):void
{
runTimer();
}
}
}
测试代码：
package
{
import flash.display.Sprite;
import flash.events.Event;
import flash.utils.Timer;
import flash.events.TimerEvent;
public class Main extends Sprite
{
public function Main():void
{
if (stage) init();
else addEventListener(Event.ADDED_TO_STAGE, init);
}
private function init(e:Event = null):void
{
removeEventListener(Event.ADDED_TO_STAGE, init);
// entry point
var timer:MyTimer = MyTimer.getInstance();
timer.registerTimer("1", 1, 15, tick);
var timer1:MyTimer = MyTimer.getInstance();
timer1.registerTimer("2", 5, 0, tick1);
}
private function tick(...args):void
{
trace("tick(1s)");
}
 
private function tick1(...args):void
{
trace("tick(5s)");
}
/* private function complete(evt:TimerEvent):void
{
trace("complete...");
}*/
}
}
 

参考文献

1. Hashed and Hierarchical Timing Wheels: Efficient Data Structures for Implementing a Timer Facility
2. ActionScript3帮助文档
3. 一个高效的定时器分析及设计

延伸阅读

• 2011-6-11-- 网页游戏开发,走在网页游戏开发的路上（六）
• 2011-6-6-- 网页游戏开发,走在网页游戏开发的路上（五）
• 2011-3-27-- xna游戏,XNA游戏开发之速度调整
• 2011-6-6-- 网页游戏开发,走在网页游戏开发的路上（四）
• 2009-2-12-- 游戏开发基础:游戏开发基础(2)
• 2009-2-12-- 游戏开发基础:游戏开发基础(3)
• 2009-2-12-- 游戏开发基础:游戏开发基础(5)
• 2009-2-12-- 游戏开发基础:游戏开发基础(7)
• 2009-2-12-- 游戏开发基础:游戏开发基础(6)
• 2009-2-12-- 游戏开发基础:游戏开发基础(1)