多人在线游戏架构实战pdf（构建多人在线实战游戏编程教学）
本书主要讲述大型多人在线游戏开发的框架与编程实践，以实际例子来介绍从无到有地制作网络游戏框架的完整过程，让读者了解网络游戏制作中的所有细节。全书共12章，从网络游戏的底层网络编程开始，逐步引导读者学习网络游戏开发的各个步骤。本书通过近50个真实示例、近80个流程图，以直观的方式阐述和还原游戏制作的全过程，涵盖了网络游戏设计的核心概念和实现，包括游戏主循环、线程、Actor模式、定时器、对象池、组件编码、架构层的解耦等。本书既可以作为网络游戏行业从业人员的编程指南，也可以作为大学计算机相关专业网络游戏开发课程的参考书。关键词：网络游戏，游戏程序，程序设计1.1节介绍了单机游戏与网络游戏的区别。1.2和1.3小节带你理解IP地址和TCP/IP。1.4小节介绍了阻塞网络编程。课程完整版可前往UWA学堂观看《多人在线游戏架构实战：基于C++的分布式游戏编程》1.5 非阻塞网络编程本节提供一个非阻塞功能的例子，要达到的目的如下：（1）客户端与服务端建立网络通信。（2）建立通信之后，客户端发起3个线程，分别向服务端发送不同数据。这些数据是ping_0、ping_1和ping_2。（3）服务端收到数据，将相同数据转发给客户端。（4）客户端收到数据，验证并打印结果。本例在基础收发数据的功能上增加了非阻塞的设置，虽然看似只有细微改变，但其逻辑会变得非常不一样。1.5.1 工程源代码工程的源代码在本书源代码库的01_02_network_nonblock目录下，使用make-all脚本进行编译之后，在01_02_network_nonblock/bin目录下会生成clientd和serverd两个文件，先启动serverd，再启动clientd。先来看一下这个非阻塞工程的执行结果，见表1-7。表1-7 非阻塞式网络通信运行结果在Linux下，按Ctrl+C组合键可退出服务端进程。执行本例时，每一次产生的结果都不一样。因为是线程操作，客户端发送数据的前后关系不确定，所以服务端收到数据的顺序也不确定。为了便于区分，将数据按到达服务端的时间分成了1组到3组，每一组数据在同一个Socket通道上。虽然这里只有几行简单的数据打印，但有几个关键点需要理解。关键点1：Socket值的重用从表1-7中可以看到，客户端首先发送了两条数据，在Socket值为3和4的通道中分别发送了ping_2和ping_1。服务端首先收到了ping_2的数据。在打印信息时显示了一个Socket值，在Linux上，Socket的值是线性增加的，因为程序在启动时会用到前面的几个描述符，所以当前可用描述符是从4开始的。这意味着服务端建立第一个连接时，它的Socket值为4，数据是ping_2，服务端收到了该数据并发送了相同的数据给客户端。接着服务器收到了ping_0的数据，Socket值依然是4。这里读者一定有疑问，不是说不同的通道值不一样吗？为什么两个Socket却用了一样的值？这是因为Socket是可以重用的，如果关闭了描述符为4的Socket，当有新的连接到服务端时会将描述符4重新分配给它。从上面的数据中可以看出，当服务端收到ping_2并将它发送出去之后，会马上关闭Socket 4，这时又收到ping_0，Socket 4被再次分配。关键点2：Socket值是进程级数据认真观察会发现，客户端发送ping_2的时候，在客户端用的Socket值为3，为什么服务端接收到的Socket值却是4？客户端在发送ping_1的时候也使用了Socket 4，服务端和客户端使用了相同的Socket 4值，为什么没有出错？这里需要区分一个概念，Socket值是在进程中独立的，不是通用的。它不像端口，就某个端口而言，一台物理机就只有一个，同一时间不可重用。但同一时间不同的进程可能存在相同的Socket值的通道。在客户端的Socket 3和在服务端的Socket 3不是同一个通道，只是值相同而已。关键点3：网络数据的无序与有序在客户端，从打印结果可以看出，先发送了ping_1，再发送了ping_0。但是在服务端，收到数据的时候却正好相反，先收到了ping_0，后收到了ping_1，这和发送数据的顺序不一致。网络数据的收发是无序的，两个连接即使同时发送数据，也有可能这次你先到，下次我先到。但同一个Socket连接，如果先发了Msg0，再发送Msg1，在TCP下，服务端收到的数据一定是有序的，必定是先收到Msg0，再收到Msg1。在网络不稳定的时候，在TCP机制下，包丢失会重发。如果Msg0发送失败引起了重发，Msg1很有可能比Msg0先到达目标机器，这种情况是有可能存在的，但完全没必要担心，因为在TCP底层，有一套可靠的机制对收到的消息进行重新排序。如果出现错误，Socket连接就会抛出异常，也就是常说的玩家断线。1.5.2 服务端代码分析下面分析这个非阻塞的源代码，看看它是如何实现的，与阻塞的代码又有什么不同。还是先从服务端代码开始。关键点1：Socket初始化与前一个例子相比，服务器创建Socket、绑定IP地址、监听Socket的流程并没有发生变化，只看重点代码：_sock_init();SOCKET socket = ::socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);..._sock_nonblock(socket);在服务端，Socket创建成功之后调用了一个新宏：_sock_nonblock。该宏设置Socket的属性，把阻塞模式变为非阻塞模式，在Windows下和Linux下的调用函数各不相同。宏对比如下（该宏定义在network.h文件中）：#ifndef WIN32#define _sock_nonblock( sockfd ) { int flags = fcntl(sockfd, F_GETFL, 0); fcntl(sockfd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK); }#else#define _sock_nonblock( sockfd ) { unsigned long param = 1; ioctlsocket(sockfd, FIONBIO, (unsigned long *)¶m); }#endif在Windows下，函数ioctlsocket的目的是对Socket执行命令操作。在本例中，将Socket设置为非阻塞。函数ioctlsocket的说明可以在MSDN网上查到。原型如下：int ioctlsocket(SOCKET sock, long cmd, u_long *argp);在Linux下，调用fcntl，其原型如下：int fcntl(int sock, int cmd, ...);在Linux下，Socket被认为是一个文件描述符，可以用read、write、open等IO操作来操作它。而fcntl是对文件描述符进行属性操作的函数。在上面的宏定义中，首先传入参数F_GETFL，取得文件描述符的属性并保存到flags变量中，再在取得的属性之上增加一个O_NONBLOCK属性，即非阻塞模式。关键点2：如何接收连接请求与收发数据在上一个阻塞例子中，如果使用断点调试，就会发现在调用：：accept、：：recv和：：send函数时会一直卡住，等待数据。现在，在非阻塞模式下，不论有没有数据，这些函数都会马上返回。在主线程中，不知道什么时候能收到：：accept、：：recv数据，因此做了个死循环。先浏览一下代码：while (true) { SOCKET newSocket = ::accept(socket, &socketClient, &socketLength); if (newSocket != INVALID_SOCKET) { _sock_nonblock(newSocket); // 接收到一个新的连接请求，设为非阻塞 sockets.push_back(newSocket); } // 遍历所有连接，调用::recv函数，查看是否有数据到来 // 如果有，就调用::send函数将接收到的数据发送回去 auto iter = sockets.begin(); while (iter != sockets.end()) { SOCKET one = *iter; auto size = ::recv(one, buf, 1024, 0); if (size > 0) { ::send(one, buf, size, 0); iter = sockets.erase(iter); ... } ... }}在循环中，收到新的连接便把新的Socket值保存起来。每一帧不停地主动询问在这个Socket上是否有数据，如果接收到数据，就发送一段相同的数据到客户端。修改一下代码，把while循环去掉，再执行一下，会发现程序开始执行就退出了。因为所有的底层函数都不会再等待数据，没有数据就直接返回了。如果在while循环中加一个计数并打印出来，就会发现一秒可以执行无数次的检查。非阻塞模式保证了每个Socket的收发都在同时进行，互不影响。1.5.3 客户端代码分析在客户端，为了保证多组Socket互不影响地发送数据，用到了线程。将每个连接包装成一个ClientSocket类，其定义在client_socket.h文件中。每一个ClientSocket类的功能类似于1.4节中阻塞的例子，发送数据，阻塞等待数据到来，接收到数据，然后退出。图1-9展示了客户端与服务端通信的整体流程。图1-9 非阻塞式网络通信流程关键点1：ClientSocket类为了让客户端互不影响，在client.cpp文件的main函数里创建了多个ClientSocket实例，每个实例都是在线程中执行的，即使在本线程中是阻塞的，也不会影响其他线程。ClientSocket类一共有4个函数，其中1个是构造函数。定义如下：class ClientSocket {public: ClientSocket(int index); // 开启了一个线程 void MsgHandler(); // 阻塞式的Socket收发数据流程 bool IsRun() const; // 收发数据是否已完成 void Stop(); // 结束线程private: bool _isRun{ true }; ...};ClientSocket类的构造函数实现如下：ClientSocket::ClientSocket(int index) : _curIndex(index) { _thread = std::thread([index, this]() { _isRun = true; this->MsgHandler(); _isRun = false; });}在创建ClientSocket类时创建了一个线程，在线程中调用了MsgHandler函数。函数MsgHandler的思路和前一个例子中的一样，即创建Socket，发送一条数据，再等待接收一条数据，使用的还是阻塞模式，这里不再重复。处理完数据之后，线程退出。总之，ClientSocket类使用了线程的方式发送数据。关键点2：主线程逻辑在主线程中创建了3个ClientSocket实例，使用while不断循环查看每个ClientSocket实例是否还处于IsRun运行模式下，如果已经完成，就调用ClientSocket的Stop函数，直到全部ClientSocket类都退出，程序结束。int main(int argc, char *argv[]) { std::list<std::shared_ptr<ClientSocket>> clients; // 启动3个线程 for (int index = 0; index < 3; index++) { clients.push_back(std::make_shared<ClientSocket>(index)); } // 遍历当前所有ClientSocket类，如果已完成数据收发，就关闭线程，剔除数组 while (!clients.empty()) { auto iter = clients.begin(); while (iter != clients.end()) { auto pClient = (*iter); if ((*pClient).IsRun()) { ++iter; continue; } pClient->Stop(); iter = clients.erase(iter); } } return 0;}主线程并不关心ClientSocket类中做了些什么，只是关心它的生命周期，每个线程结束了，整个程序就认为结束了。特别说明：std：：thread是C++标准线程库，在创建线程时使用了一个Lambda匿名函数，std：：thread执行匿名函数。如果读者没有接触过Lambda匿名函数，就要学习一下Lambda匿名函数与常规代码的对比。下面的代码中，TestThread1使用了匿名函数，TestThread2则使用的是常规代码。void TestThread1() { bool isrun = true; auto thread = std::thread([index, &isrun]() { printf("call test1.\n"); isrun = false; }); while (isrun) { while (thread.joinable()) { thread.join(); } }}void TestThread2() { bool isrun = true; auto thread = std::thread(&CallFunc, &isrun); while (isrun) { while (thread.joinable()) { thread.join(); } }}void CallFunc(bool* pIsRun) { printf("call test2.\n"); *pIsRun = false;}两个函数中代码的目的完全一样，一个使用Lambda匿名函数给线程注册了一个调用函数，而另一个则编写了一个常规函数注册到线程中。Lambda匿名函数使我们的代码显得更为简洁。1.5.4 小结在本例中，服务端使用了非阻塞模式接收数据。简单来说，就是你接收你的数据，我发送我的数据，互不影响。有数据到来就处理，至于对方是何时发过来的，接收数据方并不关心。本例采用了主动询问数据的方式在服务端判定有没有数据直接调用：：recv函数，每一个循环中都要对每一个Socket调用：：recv函数，当返回值大于0时，认为有数据到来。课程完整版可前往UWA学堂观看《多人在线游戏架构实战：基于C++的分布式游戏编程》https://pic.qngcjx.com/gonglue/20230901/rf1thm4ij5z
