游戏引擎学习第15天

虾球xz2024-11-22 7:06

视频参考:https://www.bilibili.com/video/BV1mbUBY7E24

关于游戏中文件输入输出（IO）操作的讨论。主要分为两类：

  1. 只读资产的加载

    • 这部分主要涉及游戏中用于展示和运行的只读资源，例如音乐、音效、美术资源（如 3D 模型和纹理）等。
    • 这些文件从磁盘加载到内存中供游戏使用，但不会被修改。
    • 在现代游戏中，这些数据可能非常庞大（数千兆字节），通常通过后台流式加载的方式避免加载屏幕过长，从而提升用户体验。

  2. 游戏状态的保存和加载

    • 这部分与游戏配置和进度相关，例如窗口模式设置、声音音量设置、解锁状态、存档文件等。
    • 这些文件既需要写入磁盘，也需要在后续运行时从磁盘中读取。
    • 通常这些数据量相对较小，因此可以通过简单的平面调用加载，不需要复杂的流式处理。

文件的读写过程因数据类型和用途的不同有不同的处理方式：

  • 只读资源需要注重性能优化（如流式加载），以避免影响游戏运行。
  • 状态数据则关注正确性和持久性，确保配置和进度能在多次运行中保持一致。

在过去的开发中，文件操作通常是通过以下步骤完成的：

打开文件：

使用文件名调用 openFile 函数，获得文件句柄（file handle）。

读取文件内容：

提供一个缓冲区（如 128 字节），通过 read 函数从文件中读取指定字节的数据。

根据返回值判断读取是否成功，如果失败，需要处理错误。

关闭文件：

在操作完成后，清理文件句柄。

cpp 复制代码 
// 定义文件名为 "test.bmp"，指向字符串的指针
char *Filename = "test.bmp";

// 打开文件并获取文件句柄
file_handle *File = OpenFile(Filename);

// 定义一个大小为 128 字节的缓冲区
uint8 Buffer[128];

// 尝试从文件中读取缓冲区大小的数据
if(Read(File, sizeof(Buffer), Buffer)) {
    // 如果读取成功，执行相应操作
} else {
    // 如果读取失败，执行失败处理逻辑
}

// 关闭文件以释放资源
closeFile(File);

文件 I/O 操作的策略，特别是针对流式文件处理（streaming-based file I/O）是否适合某些目的进行了详细分析。以下是内容的要点总结和理解：

GetFileSize 是 Windows API 中用于获取文件大小的函数。

功能

返回指定文件的大小（以字节为单位）。

参数说明

  1. hFile

    • 输入参数，文件的句柄（HANDLE 类型）。
    • 句柄必须是由支持文件读取的函数（如 CreateFile）返回的，且文件不能是管道。

  2. lpFileSizeHigh

    • 可选参数，指向一个 DWORD 类型的变量，用于存储文件大小的高 32 位（适用于大于 4GB 的文件）。
    • 如果为 NULL，则忽略高 32 位。

返回值

  1. 成功

    • 返回文件大小的低 32 位。
    • 如果 lpFileSizeHigh 非空，则其指向的值存储文件大小的高 32 位。

  2. 失败

    • 返回 INVALID_FILE_SIZE（0xFFFFFFFF）。
    • 此时需要调用 GetLastError() 检查是否确实发生错误（如文件大小正好等于 INVALID_FILE_SIZE，不会返回错误）。

注意事项

  • 对于超过 4GB 的文件，需要结合 lpFileSizeHigh 计算完整文件大小：

    cpp 复制代码 
    uint64_t fullFileSize = ((uint64_t)lpFileSizeHigh << 32) | fileSizeLow;

  • 如果文件句柄不可读，函数会失败。

示例代码

cpp 复制代码 
#include <windows.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    // 打开文件
    HANDLE hFile = CreateFileA(
        "example.txt",          // 文件路径
        GENERIC_READ,           // 读取权限
        0,                      // 不共享
        NULL,                   // 默认安全属性
        OPEN_EXISTING,          // 打开现有文件
        FILE_ATTRIBUTE_NORMAL,  // 普通文件属性
        NULL                    // 无模板文件
    );

    if (hFile == INVALID_HANDLE_VALUE) {
        printf("Failed to open file. Error: %lu\n", GetLastError());
        return 1;
    }

    // 获取文件大小
    DWORD fileSizeLow;
    DWORD fileSizeHigh;
    fileSizeLow = GetFileSize(hFile, &fileSizeHigh);

    if (fileSizeLow == INVALID_FILE_SIZE && GetLastError() != NO_ERROR) {
        printf("Failed to get file size. Error: %lu\n", GetLastError());
        CloseHandle(hFile);
        return 1;
    }

    // 计算完整文件大小
    uint64_t fullFileSize = ((uint64_t)fileSizeHigh << 32) | fileSizeLow;
    printf("File size: %llu bytes\n", fullFileSize);

    // 关闭句柄
    CloseHandle(hFile);
    return 0;
}

CloseHandle 是 Windows API 中用于关闭对象句柄的函数。

功能

关闭一个打开的句柄，释放与之关联的系统资源。

参数说明

  • hObject
    • 输入参数，要关闭的句柄（HANDLE 类型）。
    • 句柄可以是文件、线程、进程、同步对象（如互斥量、信号量）等。

返回值

  • 成功

    返回 TRUE。

  • 失败

    返回 FALSE。可以调用 GetLastError() 获取错误码以确定失败原因（例如句柄无效）。

注意事项

  1. 句柄无效时调用

    如果传入的句柄已经被关闭或未初始化，会导致函数失败。

  2. 重复调用

    不应多次关闭同一个句柄，否则可能导致程序异常。

  3. 文件句柄

    文件操作完成后，必须调用 CloseHandle 关闭文件句柄以避免资源泄漏。

  4. 句柄类型

    确保关闭的是正确类型的句柄，错误的操作可能会影响其他系统资源。

示例代码

cpp 复制代码 
#include <windows.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    // 打开文件
    HANDLE hFile = CreateFileA(
        "example.txt",          // 文件路径
        GENERIC_READ,           // 读取权限
        0,                      // 不共享
        NULL,                   // 默认安全属性
        OPEN_EXISTING,          // 打开现有文件
        FILE_ATTRIBUTE_NORMAL,  // 普通文件属性
        NULL                    // 无模板文件
    );

    if (hFile == INVALID_HANDLE_VALUE) {
        printf("Failed to open file. Error: %lu\n", GetLastError());
        return 1;
    }

    printf("File opened successfully.\n");

    // 关闭文件句柄
    if (CloseHandle(hFile)) {
        printf("Handle closed successfully.\n");
    } else {
        printf("Failed to close handle. Error: %lu\n", GetLastError());
    }

    return 0;
}

用途

  1. 关闭文件、进程、线程、同步对象等句柄。
  2. 释放资源，防止资源泄漏或句柄耗尽。
  3. 适用于清理已完成的操作，保持程序高效运行。

常见场景

  • 文件操作结束后调用。
  • 线程或进程执行完毕后释放句柄。
  • 锁或事件对象不再使用时销毁句柄。

用途

  1. 获取文件大小用于内存分配或文件操作。
  2. 确保文件未超出特定大小限制。
  3. 用于处理大文件时计算高低 32 位文件大小。

核心内容：

  1. 流式文件 I/O 不适用当前目标：

    • 对于作者的特定目标，流式文件 I/O 并不合适，因为他们的需求是针对文件块的明确读取，而不是从一个大型流中逐块拉取数据。
    • 他们需要读取的文件数据通常是固定大小的、可以预知的，不需要使用流的逐步处理。

  2. 当前需求是高效读取：

    • 他们的重点是加载完整的文件或资产（例如加载一个完整的位图文件）。
    • 读取操作是"全或无"，即一次性加载整个数据块，而非逐步处理。

  3. 未来可能的优化：

    • 在目前开发阶段，他们选择简单直接的 I/O 操作策略，而不会为复杂流式操作进行过多优化。
    • 将来，当需要加载一个打包的资源文件时（例如包含多个资产的文件），可以使用类似流式读取的系统，但需要支持多线程。

  4. 日志文件写入的例外：

    • 唯一可能需要流式处理的场景是调试日志的写入，但目前并没有计划实现这一功能。

对比分析：

  1. 流式文件 I/O 的优势：

    • 适用于处理超大文件或实时数据流的场景，比如从网络中逐步拉取视频数据。
    • 资源占用较少（按需读取），避免一次性加载整个文件而导致内存压力。

  2. 当前策略的选择：

    • 出于效率和简单性，作者选择直接一次性读取所需的文件块，而不是处理流式数据。这种方法适合加载固定大小、结构明确的文件内容。

  3. 未来策略的演变：

    • 随着需求升级，例如加载复杂的打包资源，可能需要采用更高级的策略，比如使用多线程支持的分块流式读取。

关键总结：

  • 当前任务：简单高效地加载文件，无需使用流式文件处理。
  • 未来可能：在需要复杂的打包文件读取时，会考虑实现多线程和流式文件处理。
  • 优化方向 ：现阶段优先选择易于实现的直接文件读取，而不是为复杂功能增加开发成本。
    CreateFileA 是 Windows API 中用于创建、打开文件、设备、管道或通信资源的函数。其作用和用途如下：

功能

  1. 打开一个现有文件以进行读取、写入或两者操作。
  2. 创建一个新文件。
  3. 打开设备（如磁盘驱动器、控制台等）。
  4. 创建/打开管道或通信端口。

参数说明

  • lpFileName

    指向一个以空字符结尾的字符串，表示文件或设备的路径名。

  • dwDesiredAccess

    指定所需的访问模式（如读取、写入或两者）。常见值：

    • GENERIC_READ: 读取访问权限
    • GENERIC_WRITE: 写入访问权限

  • dwShareMode

    指定文件或设备共享模式。常见值：

    • FILE_SHARE_READ: 允许其他进程读取
    • FILE_SHARE_WRITE: 允许其他进程写入
    • 0: 不共享

  • lpSecurityAttributes

    可选参数，指定安全属性。如果为 NULL，使用默认设置。

  • dwCreationDisposition

    指定文件的行为，如是否创建新文件或覆盖现有文件。常见值：

    • CREATE_NEW: 如果文件不存在，则创建；存在时失败
    • CREATE_ALWAYS: 始终创建新文件（覆盖现有文件）
    • OPEN_EXISTING: 打开现有文件，文件不存在时失败
    • OPEN_ALWAYS: 打开文件，文件不存在时创建
    • TRUNCATE_EXISTING: 打开文件并清空其内容

  • dwFlagsAndAttributes

    指定文件或设备的标志和属性（如文件是否为隐藏或系统文件）。

  • hTemplateFile

    可选参数，仅用于创建文件时，指定模板文件句柄。

返回值

  • 成功：返回文件或设备的句柄（HANDLE 类型）。
  • 失败：返回 INVALID_HANDLE_VALUE（可通过 GetLastError() 获取具体错误码）。

常见用途

  1. 打开文件进行读取或写入。
  2. 创建新的日志文件。
  3. 打开串口通信设备（如 COM1）。
  4. 操作管道或共享资源。

示例

cpp 复制代码 
HANDLE fileHandle = CreateFileA(
    "example.txt",            // 文件路径
    GENERIC_READ | GENERIC_WRITE, // 读取和写入权限
    0,                        // 不共享
    NULL,                     // 默认安全属性
    CREATE_ALWAYS,            // 始终创建新文件
    FILE_ATTRIBUTE_NORMAL,    // 普通文件属性
    NULL                      // 不使用模板文件
);

if (fileHandle == INVALID_HANDLE_VALUE) {
    printf("Failed to create or open file. Error: %lu\n", GetLastError());
} else {
    printf("File created/opened successfully.\n");
    CloseHandle(fileHandle); // 关闭文件句柄
}

ReadFile 是 Windows API 中用于从文件或 I/O 设备读取数据的函数。

功能

从文件或输入/输出设备（如文件、管道、串口等）中读取指定数量的字节数据到缓冲区。

参数说明

  1. hFile

    • 输入参数，文件或设备的句柄（HANDLE 类型）。
    • 该句柄必须是由支持读取的函数（如 CreateFile）打开的，并具有读取权限。

  2. lpBuffer

    • 输出参数，指向一个缓冲区，用于存储读取到的数据。
    • 如果此参数为 NULL，表示无效的缓冲区，函数将失败。

  3. nNumberOfBytesToRead

    • 输入参数，要读取的字节数。
    • 指定读取操作期望完成的最大字节数。

  4. lpNumberOfBytesRead

    • 输出参数，指向一个变量，用于接收实际读取的字节数。
    • 如果设置为 NULL，则调用方必须使用重叠（OVERLAPPED）结构处理字节计数。

  5. lpOverlapped

    • 输入/输出参数，指向一个 OVERLAPPED 结构，用于异步操作。
    • 如果未使用异步操作，此参数必须为 NULL。

返回值

  • 成功

    • 返回 TRUE。
    • *lpNumberOfBytesRead 包含实际读取的字节数。

  • 失败

    • 返回 FALSE。可以通过调用 GetLastError() 获取具体错误码。
    • 如果读取操作被挂起（如使用异步操作），则错误码可能为 ERROR_IO_PENDING。

注意事项

  1. 同步与异步操作

    • 如果句柄未设置为异步模式（如未指定 FILE_FLAG_OVERLAPPED），操作将以同步方式执行，函数在读取完成前不会返回。
    • 如果句柄为异步模式，则必须提供 lpOverlapped，以便跟踪操作状态。

  2. 管道或设备的特殊性

    • 对于管道或设备，ReadFile 的行为可能会根据数据可用性发生变化（如阻塞或非阻塞模式）。

  3. 缓冲区大小

    • 确保 lpBuffer 有足够的大小存储 nNumberOfBytesToRead 字节数据。

示例代码

同步读取文件
cpp 复制代码 
#include <windows.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    // 打开文件
    HANDLE hFile = CreateFileA(
        "example.txt",          // 文件路径
        GENERIC_READ,           // 读取权限
        0,                      // 不共享
        NULL,                   // 默认安全属性
        OPEN_EXISTING,          // 打开现有文件
        FILE_ATTRIBUTE_NORMAL,  // 普通文件属性
        NULL                    // 无模板文件
    );

    if (hFile == INVALID_HANDLE_VALUE) {
        printf("Failed to open file. Error: %lu\n", GetLastError());
        return 1;
    }

    // 读取文件内容
    char buffer[128] = {0};    // 缓冲区
    DWORD bytesRead = 0;       // 实际读取字节数
    if (ReadFile(hFile, buffer, sizeof(buffer) - 1, &bytesRead, NULL)) {
        printf("Read %lu bytes: %s\n", bytesRead, buffer);
    } else {
        printf("Failed to read file. Error: %lu\n", GetLastError());
    }

    // 关闭文件句柄
    CloseHandle(hFile);
    return 0;
}

用途

  1. 从文件中读取数据用于处理或存储。
  2. 从管道或串口读取输入数据。
  3. 结合异步 I/O 提高性能，处理多任务数据读取。

常见场景

  • 文件数据解析。
  • 读取串口通信内容。
  • 处理日志或流数据。

VirtualAlloc 是 Windows API 中用于分配虚拟内存的函数。

功能

分配、保留或提交一个虚拟内存区域，并可设置该内存区域的访问权限。

参数说明

  1. lpAddress

    • 输入参数，指定内存区域的首地址（可选）。
    • 如果为 NULL，系统将自动选择合适的地址。
    • 如果非 NULL，则表示请求分配特定的地址，但需要符合内存对齐要求。

  2. dwSize

    • 输入参数，要分配的内存大小（以字节为单位）。
    • 必须为系统页面大小（通常为 4KB）的倍数。

  3. flAllocationType

    • 输入参数，指定内存分配的类型。常见值：
      • MEM_COMMIT: 提交内存，分配实际的物理内存或交换文件空间。
      • MEM_RESERVE: 保留内存地址空间，但不分配物理内存。
      • MEM_RESET: 将指定内存标记为已重置，但保留其保留状态。
      • MEM_RESET_UNDO: 撤销 MEM_RESET 操作。

  4. flProtect

    • 输入参数，指定内存区域的访问保护类型。常见值：
      • PAGE_READONLY: 只读访问权限。
      • PAGE_READWRITE: 可读可写访问权限。
      • PAGE_EXECUTE: 可执行但不可读写权限。
      • PAGE_EXECUTE_READWRITE: 可执行、可读、可写权限。

返回值

  • 成功

    返回分配的内存区域的起始地址（LPVOID 类型）。

  • 失败

    返回 NULL。可以调用 GetLastError() 获取具体错误码。

注意事项

  1. 内存释放

    • 使用 VirtualFree 释放通过 VirtualAlloc 分配的内存，避免内存泄漏。

  2. 内存类型

    • 如果同时指定 MEM_COMMIT | MEM_RESERVE，表示既保留地址空间又提交内存。

  3. 页面大小对齐

    • 分配的内存大小和地址必须符合页面大小对齐要求（通常为 4KB）。

  4. 分配失败

    • 可能由内存不足、无效参数或地址冲突导致分配失败。

示例代码

分配和释放内存
cpp 复制代码 
#include <windows.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    // 分配 16KB 内存
    SIZE_T size = 16 * 1024; // 16KB
    LPVOID lpMemory = VirtualAlloc(
        NULL,               // 系统选择地址
        size,               // 分配大小
        MEM_COMMIT | MEM_RESERVE, // 提交和保留内存
        PAGE_READWRITE      // 可读可写权限
    );

    if (lpMemory == NULL) {
        printf("Memory allocation failed. Error: %lu\n", GetLastError());
        return 1;
    }

    printf("Memory allocated at address: %p\n", lpMemory);

    // 使用分配的内存
    char *data = (char *)lpMemory;
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        data[i] = 'A';
    }

    printf("Memory written successfully.\n");

    // 释放内存
    if (!VirtualFree(lpMemory, 0, MEM_RELEASE)) {
        printf("Memory release failed. Error: %lu\n", GetLastError());
        return 1;
    }

    printf("Memory released successfully.\n");
    return 0;
}

用途

  1. 创建大内存块以供动态使用。
  2. 管理内存保护以实现安全或性能优化（如只读、只执行内存）。
  3. 实现内存映射文件、动态加载器或自定义内存分配器。

常见场景

  • 高性能计算时分配大内存块。
  • 动态管理虚拟内存。
  • 实现内存保护和访问权限控制。
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