如何使用 C++ 限制循环中的 FPS？

Question

我正在尝试在执行交集检查的循环中限制每秒的帧数，使用带有计时和线程的 C++。

这是我的代码：

std::chrono::system_clock::time_point now = std::chrono::system_clock::now();
std::chrono::system_clock::time_point lastFrame = std::chrono::system_clock::now();

while (true)
{
    // Maintain designated frequency of 5 Hz (200 ms per frame)
    now = std::chrono::system_clock::now();
    std::chrono::duration<double, std::milli> delta = now - lastFrame;
    lastFrame = now;

    if (delta.count() < 200.0)
    {
        std::chrono::duration<double, std::milli> delta_ms(200.0 - delta.count());
        auto delta_ms_duration = std::chrono::duration_cast<std::chrono::milliseconds>(delta_ms);
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(delta_ms_duration.count()));
    }

    printf("Time: %f \n", delta.count());

    // Perform intersection test

}

我遇到的问题是 delta 的所有其他输出都显示极小的数量，而不是我想要的 ~200 毫秒/帧：

Time: 199.253200
Time: 2.067700
Time: 199.420400
Time: 2.408100
Time: 199.494200
Time: 2.306200
Time: 199.586800
Time: 2.253400
Time: 199.864000
Time: 2.156500
Time: 199.293800
Time: 2.075500
Time: 201.787500
Time: 4.426600
Time: 197.304100
Time: 4.530500
Time: 198.457200
Time: 3.482000
Time: 198.365300
Time: 3.415400
Time: 198.467400
Time: 3.595000
Time: 199.730100
Time: 3.373400

关于为什么会发生这种情况有什么想法吗？

Answer 1

交替增量时间是由一个逻辑问题引起的：您要根据前一帧的持续时间（根据帧持续时间的计算方式）向一帧添加延迟。这意味着在一个长帧（~200 毫秒）之后你不应用延迟并得到一个短帧（几毫秒），然后触发下一帧的延迟给出一个长帧，依此类推。

Answer 2

如果您考虑一下您的代码是如何工作的，您会发现它完全按照您编写的方式工作。由于代码中的逻辑错误导致 Delta 振荡。

事情是这样的：

我们从delta == 0开始。
因为增量小于 200，你的代码休眠了 200 - delta(0) == 200 毫秒。
现在，delta 本身变得接近 200（因为您已经测量了睡眠时间和实际工作）并且您睡了 200 - delta(200) == 0 毫秒。
之后循环重复。

要解决此问题，您不需要测量睡眠时间。

这是可以做到的：

#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <chrono>
#include <thread>

std::chrono::system_clock::time_point a = std::chrono::system_clock::now();
std::chrono::system_clock::time_point b = std::chrono::system_clock::now();

int main()
{
    while (true)
    {
        // Maintain designated frequency of 5 Hz (200 ms per frame)
        a = std::chrono::system_clock::now();
        std::chrono::duration<double, std::milli> work_time = a - b;

        if (work_time.count() < 200.0)
        {
            std::chrono::duration<double, std::milli> delta_ms(200.0 - work_time.count());
            auto delta_ms_duration = std::chrono::duration_cast<std::chrono::milliseconds>(delta_ms);
            std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(delta_ms_duration.count()));
        }

        b = std::chrono::system_clock::now();
        std::chrono::duration<double, std::milli> sleep_time = b - a;

        // Your code here

        printf("Time: %f \n", (work_time + sleep_time).count());
    }
}

此代码为我提供了稳定的增量序列：

Time: 199.057206 
Time: 199.053581 
Time: 199.064718 
Time: 199.053515 
Time: 199.053307 
Time: 199.053415 
Time: 199.053164 
Time: 199.053511 
Time: 199.053280 
Time: 199.053283

Answer 3

我经常这样做：

#include <chrono>
#include <iostream>

int main()
{
    using clock = std::chrono::steady_clock;

    auto next_frame = clock::now();

    while(true)
    {
        next_frame += std::chrono::milliseconds(1000 / 5); // 5Hz

        // do stuff
        std::cout << std::time(0) << '\n'; // 5 for each second

        // wait for end of frame
        std::this_thread::sleep_until(next_frame);
    }
}

输出：（每个秒值五个）

Answer 4

这很像，但它保留了 OP 问题的语法并且不会下降到 C API。此外，它为帧持续时间创建了一个自定义单位，我认为这对可读性很重要：

#include <chrono>
#include <cstdint>
#include <iostream>
#include <thread>

int
main()
{
    using namespace std;
    using namespace std::chrono;

    using frames = duration<int64_t, ratio<1, 5>>;  // 5Hz
    auto nextFrame = system_clock::now();
    auto lastFrame = nextFrame - frames{1};;

    while (true)
    {
        // Perform intersection test

        this_thread::sleep_until(nextFrame);
        cout << "Time: "  // just for monitoring purposes
             << duration_cast<milliseconds>(system_clock::now() - lastFrame).count()
             << "ms\n";
        lastFrame = nextFrame;
        nextFrame += frames{1};
    }
}

这为我输出：

Time: 200ms
Time: 205ms
Time: 205ms
Time: 203ms
Time: 205ms
Time: 205ms
Time: 200ms
Time: 200ms
Time: 200ms
...

主要注意事项：

记录 5Hz 的简明方法：using frames = duration<int64_t, ratio<1, 5>>;
使用 sleep_until 而不是 sleep_for，它处理了完成实际工作需要多长时间的未知数。
除 I/O 和 here's a library to get rid of that 外不使用 .count()。
无需手动转换单位（例如 / 1000）。
没有浮点数单位，并不是说它有什么问题。
最少需要指定或依赖于明确的单位。

添加 duration I/O library 后，上面的代码会发生以下变化：

#include "chrono_io.h"
#include <chrono>
#include <cstdint>
#include <iostream>
#include <thread>

int
main()
{
    using namespace date;
    using namespace std;
    using namespace std::chrono;

    using frames = duration<int64_t, ratio<1, 5>>;  // 5Hz
    auto nextFrame = system_clock::now();
    auto lastFrame = nextFrame - frames{1};;

    while (true)
    {
        // Perform intersection test

        this_thread::sleep_until(nextFrame);
        // just for monitoring purposes
        cout << "Time: " << system_clock::now() - lastFrame << '\n';
        lastFrame = nextFrame;
        nextFrame += frames{1};
    }
}

输出会因平台而异（取决于 system_clock 的 "native duration"）。在我的平台上它看起来像这样：

Time: 200042µs
Time: 205105µs
Time: 205107µs
Time: 200044µs
Time: 205105µs
Time: 200120µs
Time: 204307µs
Time: 205136µs
Time: 201978µs
...

如何使用 C++ 限制循环中的 FPS？

How to limit FPS in a loop with C++?

c++

chrono