正確なFPS

正確なFPS（Frame Per Second）を計算して画面に表示します。正確なFPSの実現方法は、『Killer Game Programming in Java』を参考にしました。

ゲームループの構造

ゲームループは下のような構造になっています。詳しくは、アクティブレンダリング（2006/5/7）を参照。

    /**
     * ゲームループ
     */
    public void run() {
        while (true) {
            gameUpdate();  // ゲーム状態を更新（ex: ボールの移動）
            gameRender();  // バッファにレンダリング（ダブルバッファリング）
            paintScreen(); // バッファを画面に描画（repaint()を自分でする！）

            // 休止
            try {
                Thread.sleep(20);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

1フレームというのはゲームループ1回分のことです。つまり、1フレームで行う必要のある処理は、

ゲーム状態の更新（gameUpdate）
バッファにレンダリング（gameRender）
バッファ内容を画面に描画（paintScreen）
休止（sleep）

です。ここで休止が必要なのは1つのプログラムがCPUを独占してしまうのを防ぐためです。ゲームループが休止している間に他のプログラムが実行されます（ゲームしながらインターネットできるのはこのためです）。

たとえば、FPSを50とします。これは1秒間に50フレームという意味です。つまり、1秒間に50回ゲームループがまわります。上の4つの処理を1秒間に50回繰り返すってことですね。1秒間に50フレームということは1フレームあたり1/50=0.02秒＝20ミリ秒使うことができます。つまり、上の4つの処理の実行に20ミリ秒間だけ使えます。

時間の単位

1s（秒）＝1000ms（ミリ秒）＝1000000μs（マイクロ秒）＝1000000000ns（ナノ秒）

Javaでは時間の測定によくSystem.currentTimeMillis()が使われます。このメソッドは、経過時間をミリ秒単位で返しますが精度に問題があります。

JDK1.5からはSystem.nanoTime()というメソッドが追加されています。このメソッドは、経過時間をナノ秒単位で返す非常に高精度なタイマーです。今回のFPSの計算でもnanoTime()を使っています。そのため、JDK1.5以降のバージョンのJavaをインストールする必要がありますので注意してください。

正確なFPSを実現するにはゲームループで少し工夫が必要です。ここでは、

正確な休止時間を計算する
休止できないときでも定期的に他のスレッドに制御を移す
休止にもちいるThread.sleep()の誤差を吸収する

という3つの工夫をとっています。

    public void run() {
        long beforeTime, afterTime, timeDiff, sleepTime;
        long overSleepTime = 0L;
        int noDelays = 0;

        beforeTime = System.nanoTime();
        prevCalcTime = beforeTime;

        running = true;
        while (running) {
            gameUpdate();
            gameRender();
            paintScreen();

            afterTime = System.nanoTime();
            timeDiff = afterTime - beforeTime;
            // 前回のフレームの休止時間誤差も引いておく
            sleepTime = (PERIOD - timeDiff) - overSleepTime;

            if (sleepTime > 0) {
                // 休止時間がとれる場合
                try {
                    Thread.sleep(sleepTime / 1000000L); // nano->ms
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                // sleep()の誤差
                overSleepTime =
                    (System.nanoTime() - afterTime) - sleepTime;
            } else {
                // 状態更新・レンダリングで時間を使い切ってしまい
                // 休止時間がとれない場合
                overSleepTime = 0L;
                // 休止なしが16回以上続いたら
                if (++noDelays >= 16) {
                    Thread.yield(); // 他のスレッドを強制実行
                    noDelays = 0;
                }
            }

            beforeTime = System.nanoTime();

            // FPSを計算
            calcFPS();
        }

        System.exit(0);
    }

上のコードを図示するとこんな感じです。

f:id:aidiary:20090828220015g:plain

FPSの計算

FPSの計算はcalcFPS()で行います。このメソッドは、1秒間のフレーム数（frameCount）を経過時間（大体1秒）で割ってFPS を計算しています。時間計測の単位がナノ秒なのでFPSを計算するときに秒に変換しています。actualFPSに格納されたFPS値はパネル上に描画されます。clacFPS()はゲームループ内で呼び出しています。

    /**
     * FPSの計算
     * 
     */
    private void calcFPS() {
        frameCount++;
        calcInterval += PERIOD;

        // 1秒おきにFPSを再計算する
        if (calcInterval >= MAX_STATS_INTERVAL) {
            long timeNow = System.nanoTime();
            // 実際の経過時間を測定
            long realElapsedTime = timeNow - prevCalcTime; // 単位: ns

            // FPSを計算
            // realElapsedTimeの単位はnsなのでsに変換する
            actualFPS = ((double) frameCount / realElapsedTime) * 1000000000L;
            System.out.println(df.format(actualFPS));

            frameCount = 0L;
            calcInterval = 0L;
            prevCalcTime = timeNow;
        }
    }