MGE-TP: #02 Layered Architecture of Game Engine

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Mar 11, 2022

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mge02

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A Glance of Game Engine Layers

From top to bottom:

Tool Layer: (Chain of Editors)

Function Layer: (Make It Visible, Movable and Playable)

Resource Layer: (Data and Files)

Core Layer: (Swiss Knife of Game Engine)

Platform Layer: (Launch on Different Platforms)

Middleware and 3rd Party Libraries

Explore Game Engine Layers

Resource Layer

How to Access My Data

Offline Resource Importing • Unify file access by defining a meta asset file format (ie.ast) • Assets are faster to access by importing preprocess • Build a composite asset file to refer to all resources • GUID is an extra protection of reference

游戏中的每一个对象都包含不同类型的资产(asset)，比如说几何模型、纹理、声音、动画等，同时每种资产都可能包括不同的数据格式。通过资源层我们将游戏对象的资产组织起来并通过全局唯一标识符(Globally Unique Identifier, GUID)进行识别和管理。

Runtime Asset Manager

Runtime Resource Management • A virtual file system to load/unload assets by path reference • Manage asset lifespan and reference by handle system

资源层和通常意义下的资源管理器的一大区别在于资源层需要对各种资产进行动态实时的管理，不同资产之间的通信和交互往往需要通过handle系统来进行实现。handle系统的细节我们留到后面的章节再详细介绍。

Manage Asset Life Cycle

Memory management for Resources - life cycle • Different resources have different life cycles • Limited memory requires release of loaded resources when possible • Garbage collection and deferred loading is critical features

因此资源层的核心在于管理不同资产的生命周期(life cycle)。大型游戏需要实时地加载并回收系统资源，如何设计出高效的垃圾回收(garbage collection, GC)和动态加载机制对于提升系统的运行效率有着重要的价值。

Function Layer

How to Make the World Alive

功能层用来实现游戏的核心玩法。某种意义上讲功能层的作用类似于一个时钟(tick)用来控制整个游戏世界的运行，在每个时钟周期内功能层需要完成整个游戏系统的全部运算。

Dive into Ticks

一般来说tick在运行时会依次调用两个函数：tickLogic()以及tickRender()来分别更新系统的状态和并把图像绘制到屏幕上。即逻辑和渲染，两个东西是需要严格划分开的，编程时要注意不要把它们混到一起，且逻辑的计算是严格早于渲染的。

Tick the Animation and Renderer

In each tick (over-simplified version) • Fetch animation frame of character • Drive the skeleton and skin of character • Renderer process all rendering jobs in an iteration of render tick for each frame

在每一个时钟周期内一般会把视野范围外的对象裁减掉只对视野中的物体进行渲染。如果仔细观察还可以发现场景中的物体都是按照一帧一帧的方式发生运动，这样通过人眼的视觉残留效应就形成了我们看到的动画。

Heavy-duty Hotchpotch

Function Layer provides major function modules for the game engine

Object system (HUGE)

Game Loop updates the systems periodically

Game Loop is the key of reading codes of game engines

Blur the boundary between engine and game

Camera, character and behavior

Design extendable engine API for programmer

当然功能层的作用不仅限于逻辑以及渲染，实际上功能层会占据整个游戏引擎很大比例的内容并且和游戏自身的玩法密切相关

Multi-Threading

Multi-core processors become the mainstream

Many systems in game engine are built for parallelism

为了提升游戏引擎的计算效率现代游戏引擎往往会通过多核的方式来充分利用CPU计算的资源。未来的游戏引擎架构一定会向多核并行的方向上发展，因此在设计引擎时最好从多核的角度进行思考。当然如何管理计算任务之间的依赖仍然是一个难点。

Core Layer

The core layer is the foundation of the entire game engine, and it requires very high code quality and in most cases not to modify it at will.

Math Library and Efficiency

Linear algebra

Rotation, translation,scaling

Matrix splines,quaternion

功能层的各种数学计算需要核心层的代码进行支持。一般来说核心层不会涉及到过于复杂的数学知识，基础的线性代数就能满足绝大多数游戏引擎的需求。

核心层的数学库和通用数学库的一大区别在于游戏引擎对于计算的实时性要求更高，即更看重计算效率，有时我们甚至可以牺牲一些计算精度来换取计算效率的提升。同时核心层数学库还大量使用了CPU的SIMD指令，这样可以极大地加速矩阵和向量的计算速度。

Data Structure and Containers

数学库之外核心层还需要包含各种常用数据结构的实现。需要说明的是即使是C++标准库stl，有些数据结构的实现仍然不是效率最高的，因此在核心层中需要根据需求重新实现一些常用的数据结构。

Memory Management

Major bottlenecks of game engine performance

• Memory Pool / Allocator • Reduce cache miss • Memory alignment

Polymorphic Memory Resource (PMR)

核心层最重要的功能是实现内存管理(memory management)，从这个角度看游戏引擎的功能非常类似于操作系统。在游戏运行时往往会直接申请一大片内存空间然后通过引擎而不是操作系统进行管理，这样可以提升系统的运行效率。

Platform Layer

Target on Different Platform

Compatibility of different platforms, provides platform-independent services and information for upper layers

File system

• Path: Slash/backslash, Environment variables • Directory Traversa

为了克服不同平台对于代码的限制，我们需要平台层来提供对不同操作系统和硬件平台的支持。这样我们就只需要一套代码就可以在不同的平台上运行程序。

Graphics API

Render Hardware Interface (RHI)

• Transparent different GPU architectures and SDK

• Automatic optimization of target platform

不同的平台往往使用了不同的图形接口，为了统一代码游戏引擎的平台层提供了RHI(render hardware interface)作为通用的图形编程API。RHI包含了统一套程序在不同图形API上的实现，这样上层的图形应用中就可以使用统一的一套API进行编程。

Hardware Architecture

不同的平台甚至可能有着完全不同的硬件架构，为了高效地利用平台的计算资源需要平台层将计算逻辑合理地分配到不同平台的计算硬件上。

Tool Layer

Allow Anyone to Create Game

Unleash the Creativity

• Build upon game engine • Create, edit and exchange game play assets

工具层是为游戏开发者提供支持的一层。工具层允许游戏开发者直观地预览不同美术资源在游戏环境中的表现，对于游戏开发者和设计师有着重要的意义。

Digital Content Creation

除了游戏引擎自己的开发工具外一般还需要导入其它软件和开发工具的资产，这就需要asset conditioning pipeline来提供不同资源导入游戏引擎的统一管线。可以说编辑器和asset conditioning pipeline共同构成了游戏引擎的工具层。

Why Layered Architecture?

Decoupling and Reducing Complexity

• Lower layers are independent from upper layers • Upper layers don’t know how lower layers are implemented

Response for Evolving Demands

• Upper layers evolve fast, but lower layers are stable

抽象化是复杂工程的必然，复杂的系统需要一层层封装，对游戏引擎进行分层的意义在于对不同类型的代码进行解耦，这样可以更好地管理这个系统的复杂度。