手机游戏引擎的优化

我们的手机游戏引擎一直在跟随着游戏项目的进程不断优化。一开始是因为游戏引擎在手机上帧数达不到要求。得益于 EC++S 框架，我们把初期用 Lua 快速开发出来的几个核心 system 用 C 重写后，得到了质的飞跃。

其实这些核心代码总量并不算大。例如在 profile 中表现出来的非常消耗 CPU 的一个场景树更新系统，用 C 重写了也才 200 行代码 ，但在优化前 Lua 版本会消耗超过 1ms 的时间，而用 C 重写后，时间已可以忽略不计。

另外，我们采用了类似 skynet 的 ltask 做多线程框架，把业务尽量拆分到多线程中并行处理，这也极大的减少了每帧的耗时。除了主业务逻辑外，UI 、粒子系统、IO 被分为几个并行线程。且渲染底层的 bgfx 也是按多线程渲染设计的。这些并行流程间只通过少量的消息通讯，所以，并行的总工作量并没有比单线程模型更多。ltask 也可以很方便的调节工作线程的个数，用来更好的适配手机的 CPU 。

从xcode 的调试信息看，在游戏场景丰富时，大约会占用 280% 的 cpu 。换句话说，如果我们采用的是单线程架构，在不删减特性的前提下，是无论如何都无法做到流畅的。

我的开发用手机为 iPhone 12 mini 。目前，游戏锁定在 30fps ，而每帧实际时间开销为平均 10ms 左右 （7ms ~ 15 ms 之间）。所以理论上锁定 60fps 也是完全做得到的，但因为不是动作类游戏，所以无此必要。

目前遇到最大的问题是游戏的能耗。优化游戏引擎让它尽量减少能耗，是过去在 PC 上做开发所没有过的经历。

让玩家的续航时间更长是一方面的原因，更重要的原因是：一旦让手机长时间工作在高能耗状态下，超过了手机的散热设计功耗 （TDP），必然会逐步发烫。最终会导致手机 CPU 自己降频，帧率也达不到了。

以前以帧率为唯一衡量标准放到手机上就行不通了。如果只为帧率达标的话，一般是在达标的基础上尽可能的提升画面质量，或是采用更简单易维护的算法。例如，有些算法为了简单，就直接每帧重复计算。而 cache 计算结果尽量避免重复计算，通常会增加代码的复杂度，却能减少 CPU 的使用。

现在，优化变得没有上限。只要能减少 CPU 开销都值得做。减少的开销全部能兑换成更长的续航时间和更高的散热效率。从散热角度看，手机真不是个好的游戏设备，switch 这种带风扇的设备要好得多。GPU 的开销更是如此，虽然 iphone 的旗舰级的 GPU 性能开起来远超 switch （从字面上的数字看，超过了 ps4 ），但实际上峰值性能除了给人几秒的惊艳外，远远达不到玩家的需求。iphone 12 只有 6W 的 TDP ，而 switch 的 TDP 达到了 15 W ，是它的两倍半。我们在手机上设计游戏，需要适当裁剪效果，把能耗控制下来才行。

我们的引擎使用了基于物理的渲染 （ PBR ）。材质、光照都比较复杂。技术虽然不算新，但现在看起来在手机上运行还是比较勉强的。我发现像素着色器（fragment shader）开销比较大。而这恰巧是最容易优化的：改一行设置，直接降分辨率即可。iphone 12 mini 的视网膜屏有 476 ppi ，如果按最高分辨率的像素绘制 18×6 的点阵字母会小到我的眼睛几乎分辨不清。按一半分辨率渲染 1170 x 560 给我的感受，画面质量只下降了一丁点。但能耗居然可以下降到全分辨率的一半左右。（而每帧的时间开销并无太大区别）

为了得到准确的能耗情况，我没有采纳 xcode 给我的数据，而使用了更苛刻的测试方法：

每次测试前把电量充到 97% ，然后静置到刚好变成 96% 的那一刻开始启动游戏，加载足够复杂的场景，连续玩 16 分钟。以这样相同的测试条件，分别对全分辨率和半分辨率各测试两次（共四次），我发现全分辨率下的耗电几乎是半分辨率的一倍。

而考虑到能耗开销由 CPU 和 GPU 共同承担，修改分辨率丝毫不影响 CPU 的使用，那么 GPU 开销实际不只翻倍。或者说，我们引擎的 CPU 部分优化已经足够了，接下来需要重点考虑的是 GPU 开销。

btw, 我们游戏引擎几乎是用 Lua 编写，只在最近一年把 profile 后发现的少量性能瓶颈系统平替为 C/C++ 版本。用占比不大的 C/C++ 代码解决了 Lua 框架的性能问题。而 Lua 部分易于开发维护，（多虚拟机）还可以更好的适应多线程框架。

另一个能耗大头是特效系统，它主要是 CPU 方面的能耗很大。这块使用的 effekseer ，美术一开始只想追求好的效果，使用的比较粗犷。一开始发现它吃 CPU 比较多后，就将其移到了独立服务（可并行的线程）中，每帧耗时（实际帧率）倒是立竿见影的降低下来了，但能耗并无改善。毕竟，做的工作并无减少。

我想到的折衷方案是在镜头之外的粒子发射器就停止工作。这样从画面上来说是不准确的。设想一下一个火焰或烟雾效果，粒子片是逐步弥散开的。如果粒子发射器一旦离开镜头就删掉，重新进入镜头再重新发射，画面上会有些奇怪。但这样的画面 “bug” 我认为是为了性能而必要牺牲的准确性，可以接受。

我觉得只优化引擎代码是不够的。接下来的时间，还需要仔细优化美术资源：尺寸更小的贴图，更低面的模型更简单的动画，应该可以带来更好的性能。

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