Python自制2D游戏引擎帧率为2的幂次，如何有效实现帧率限制

问题背景 #

虽然Python并非开发游戏引擎的最优语言，但开发者出于兴趣尝试用Python编写2D游戏引擎，在实现delta time与帧率限制功能时遇到问题：代码运行帧率天然为2的幂次，通常接近32或64。

问题复现代码 #

以下是精简后的复现代码，除调试打印外与游戏引擎中对应逻辑完全一致：

import time

previousTime = time.time()
time.sleep(0.00001)
dT = 0

# 用for循环替代正常业务中的while循环
for x in range(3):
    # 打印帧序号
    print(x)

    # 获取当前帧时间
    now = time.time()

    # 计算delta time
    dT = now - previousTime

    # 调试打印各参数
    print('now ' + str(now))
    print('p time ' + str(previousTime))
    print('dT ' + str(dT))

    # 更新上一帧时间
    previousTime = now

    # 计算当前帧耗时与60fps目标帧耗时（0.016s）的差值
    frameTimingDif = 0.016 - dT

    # 调试打印更多参数
    print('time dif ' + str(frameTimingDif))
    print('FPS ' + str(1/dT))

    # 尝试sleep剩余时间以稳定到60fps，差值为负时捕获异常
    try:
        time.sleep(frameTimingDif)
    except:
        print('woops')

初始运行结果 #

0
now 1634974666.2838764
p time 1634974666.2682076
dT 0.015668869018554688
time dif 0.00033113098144531283
FPS 63.820815581253804
1
now 1634974666.2995417
p time 1634974666.2838764
dT 0.015665292739868164
time dif 0.00033470726013183627
FPS 63.83538543489841
2
now 1634974666.3151739
p time 1634974666.2995417
dT 0.015632152557373047
time dif 0.00036784744262695346
FPS 63.97071652990879
[Finished in 156ms]

补充现象 #

如果在循环开头添加time.sleep(0.000001)，帧率会降到32左右，运行结果如下：

0
now 1634976028.433253
p time 1634976028.4020138
dT 0.03123927116394043
time dif -0.01523927116394043
FPS 32.01099010127684
woops
1
now 1634976028.4489527
p time 1634976028.433253
dT 0.01569962501525879
time dif 0.00030037498474121127
FPS 63.6957888502483
2
now 1634976028.4801967
p time 1634976028.4489527
dT 0.03124403953552246
time dif -0.01524403953552246
FPS 32.006104680000306
woops
[Finished in 156ms]

帧率为2的幂次的原因 #

这个现象的根源是操作系统的时钟精度限制，和Python本身的执行效率无关：

• 你观察到的0.0156s、0.0312s刚好是1/64秒和1/32秒，对应Windows系统默认的15.625ms时钟中断间隔。time.sleep()的实际等待时长只能是这个间隔的整数倍，所以最终算出来的帧率自然就是64、32这类2的幂次。
• 当你添加极短的sleep调用时，代码执行刚好跨了一个时钟中断周期，等待时长就跳到了2个时钟间隔（31.25ms），对应帧率直接降到32。

更稳定的帧率限制实现方案 #

推荐用短睡眠+忙等待的折中方案，兼顾精度和CPU占用：
先计算好目标帧率对应的单帧耗时，比如60fps对应约0.0166667s。每帧逻辑处理完后，先判断剩余等待时间，如果剩余时间大于1ms，就用sleep睡掉大部分时间，剩下的不到1ms的时间用循环轮询时间戳硬等，既不会让CPU占满，也能保证帧率控制的精度。

示例实现代码 #

import time

TARGET_FPS = 60
FRAME_DURATION = 1 / TARGET_FPS
previous_time = time.time()

while True:
    # 此处写游戏逻辑、渲染等业务代码
    # ...
    
    # 帧率限制逻辑
    current_time = time.time()
    frame_cost = current_time - previous_time
    wait_time = FRAME_DURATION - frame_cost
    if wait_time > 0:
        # 先睡掉大部分等待时间，留1ms用忙等补精度
        if wait_time > 0.001:
            time.sleep(wait_time - 0.001)
        # 剩余时间硬等
        while time.time() - current_time < FRAME_DURATION:
            pass
    previous_time = time.time()

如果是Windows平台，也可以调用win32api临时把系统时钟精度调整为1ms，进一步提升sleep的精度，注意程序退出前要把时钟精度改回默认值，避免影响系统其他程序运行。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Marshall Ware