Game——帧同步(转)
一、同步方案
游戏中常见的同步方案，有状态同步和帧同步，一般大型的MMOARPG都是采用的是状态同步，比如魔兽世界，状态同步采用C/S架构，所有的状态由服务器来控制，安全性比较高，但是流量比较大。帧同步采用的是囚徒模式，所有c端强制采用一个逻辑帧率，从而保证输出一致，其特点是流量小，安全性比较差。
王者荣耀采用的就是帧同步，那么具体帧同步是什么，如何实现的，我们从两个地方来分解：
1、帧率
什么是帧率，可能没有做过client同学并不是很清楚这个术语。有一种小人书，快速翻看就可以看到漫画上的人物会动起来。
由于人类眼睛的特殊生理结构，如果所看画面之帧率高于每秒约10-12帧的时候，就会认为是连贯的， 此现象称之为视觉暂留。这也就是为什么电影胶片是一格一格拍摄出来，然后快速播放的，就像上图快速翻小人书一样。
游戏中的所有动画也是采用这种方式来渲染，只不过帧率是有GPU来控制，你所看到的画面都是有都是有GPU一帧帧渲染的，比如30帧/s，你所看到的画面就比较流畅了。而帧率越高你所看到的越流畅。
2、Lockstep—帧同步
帧同步可以说是通过帧率延伸过来的，你可以把一个游戏看成一个巨大的状态机，所有的参与者都采用同一个逻辑帧率来不断的向前推进。
我们看如下2个图：
图中是A、B、C三个玩家的时间轴，这个时间轴不是电脑上的本地时间，而是A、B、C联机时定义的一个时间轴。虚线分隔出来时间片称为turn，可以理解成一帧。箭头表示该玩家将自己的操作指令广播给其他玩家。
我们把一盘游戏看成一个大型的状态机，因为大家玩的是同一款的游戏，因此F是相同的，初始状态S0也是相同的。在第一个turn结束时，所有玩家都接收到了完全一样的输入I，注意这里的I不是一个值，而是包含了当前游戏中所有玩家的操作指令集合。t1时刻所有玩家的电脑自行计算结果。由于F、S0和I是固定的，所以每个玩家电脑上计算出的下一个状态S1一定是相同的。
所以通过上面我们可以知道：
1、我们把游戏的前进分为一帧帧，这里的帧和游戏的渲染帧率并不是一个，只是借鉴了帧的概念，自定义的帧，我们称为turn。游戏的过程就是每一个turn不断向前推进，每一个玩家的turn推进速度一致。
2、每一帧只有当服务器集齐了所有玩家的操作指令，也就是输入确定了之后，才可以进行计算，进入下一个turn，否则就要等待最慢的玩家。之后再广播给所有的玩家。如此才能保证帧一致。
3、Lockstep的游戏是严格按照turn向前推进的，如果有人延迟比较高，其他玩家必须等待该玩家跟上之后再继续计算，不存在某个玩家领先或落后其他玩家若干个turn的情况。使用Lockstep同步机制的游戏中，每个玩家的延迟都等于延迟最高的那个人。
4、由于大家的turn一致，以及输入固定，所以每一步所有客户端的计算结果都一致的。
我们来看看具体的执行流程:
上图中我们可以明显看到，这种囚徒模式的帧同步，在第二帧的时候，因为玩家1有延迟，而导致第二帧的同步时间发生延迟，从而导致所有玩家都在等待，出现卡顿现象。
二、乐观锁&断线重连
囚徒模式的帧同步，有一个致命的缺陷就是，若联网的玩家有一个网速慢了，势必会影响其他玩家的体验，因为服务器要等待所有输入达到之后再同步到所有的c端。另外如果中途有人掉线了，游戏就会无法继续或者掉线玩家无法重连，因为在严格的帧同步的情况下，中途加入游戏是从技术上来讲是非常困难的。因为你重新进来之后，你的初始状态和大家不一致，而且你的状态信息都是丢失状态的，比如，你的等级，随机种子，角色的属性信息等。 比如玩过早期的冰封王座都知道，一旦掉线基本这局就废了，需要重开，至于为何没有卡顿的现象，因为那时都是解决方案都是采用局域网的方式，所以基本是没有延迟问题的。
后期为了解决这个问题，如今包括王者荣耀，服务器会保存玩家当场游戏的游戏指令以及状态信息，在玩家断线重连的时候，能够恢复到断线前的状态。不过这个还是无法解决帧同步的问题，因为严格的帧同步，是要等到所有玩家都输入之后，再去通知广播client更新，如果A服务器一直没有输入同步过来，大家是要等着的，那么如何解决这个问题？
采用“定时不等待”的乐观方式在每次Interval时钟发生时固定将操作广播给所有用户，不依赖具体每个玩家是否有操作更新。如此帧率的时钟在由服务器控制，当客户端有操作的时候及时的发送服务器，然后服务端每秒钟20-50次向所有客户端发送更新消息。如下图:
上图中，我们看到服务器不会再等到搜集完所有用户输入再进行下一帧，而是按照固定频率来同步玩家的输入信息到每一个c端，如果有玩家网络延迟，服务器的帧步进是不会等待的，比如上图中，在第二帧的时候，玩家A的网速慢，那么他这个时候，会被网速快的玩家给秒了（其他游戏也差不多）。但是网速慢的玩家不会卡到快的玩家，只会感觉自己操作延迟而已。
三、技能同步
游戏中有很多是和概率相关的，比如说技能的伤害有一定概率的暴击伤害或者折光被击等。按照帧同步的话，基于相同的输入，每个玩家的client都是独立计算伤害的，那么如何保证所有电脑的暴击伤害一致那。这个时候就需要用到伪随机了。
大部分编程语言内置库里的随机数都是利用线性同余发生器产生的，如果不指定随机种子（Random Seed），默认以当前系统时间戳作为随机种子。一旦指定了随机种子，那么产生的随机数序列就是确定的。就是说两台电脑采用相同的随机种子，第N次随机的结果是一致的。
所以在游戏开始前，服务器为每个玩家分配一个随机种子，然后同步给client，如此每个client在计算每个角色的技能时候，就能保证伤害是一致的。这也是多数帧同步游戏采用的方案。
