游戏引擎原理与实践 04：拆解引擎基础系统与内存管理

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游戏引擎原理与实践 04：拆解引擎基础系统与内存管理

• Bilibili 同步视频
• 一、引擎底层基础系统能干什么？
• • 开发环境与编译版本小科普
• 二、VSSystem 工程：底层工具模块集合
• • 📦 各个核心类职责一览
  • 1\\. VSSystem：封装安全内存拷贝
  • 2\\. VSTimer 游戏时间计时器
  • 3\\. VSFile \\& VSLog 文件与日志系统
  • 4\\. VSThread \\& VSSynchronize 多线程模块
  • 5\\. VSImage 图片加载抽象
• 三、重头戏：游戏引擎内存管理设计💥
• • 内存管理器基类
  • Debug 内存检测管理器 VSDebugMem 实现原理
  • Allocate 分配逻辑流程
  • Deallocate 释放逻辑流程
  • 获取调用堆栈，定位泄漏代码位置
• 四、总结

写在前面：一款光鲜酷炫的游戏画面背后，离不开一套稳定可靠的底层基础框架✨。很多开发者埋头钻研图形渲染、着色器，却忽略了引擎的 “地基” 部分。日志、时间、线程、文件 IO、内存管理这些看似平淡无奇的模块，恰恰决定了引擎的稳定性、跨平台能力以及排错效率。本文基于游戏引擎底层实现思路，聊聊游戏引擎基础系统该如何设计，重点剖析游戏引擎中至关重要的内存泄漏检测内存管理器。

Bilibili 同步视频

游戏引擎原理与实践 04：拆解引擎基础系统与内存管理

一、引擎底层基础系统能干什么？

游戏引擎底层基础系统，本质是对操作系统能力做一层抽象封装。不同操作系统（Windows、Android、iOS）提供的系统 API 各不相同，如果上层业务直接调用平台原生接口，同样一套游戏逻辑就要写多套适配代码，维护成本会爆炸📈。

我们从各个平台抽象出通用能力集合：

• 基础能力：图像显示、音频播放、输入输出、网络通信

• 并发能力：线程创建、线程同步控制

• 工具系统：日志打印、游戏时间统计、数学库、容器数据结构

• 资源操作：内存分配释放、文件读写、图片解析

通过封装隔离平台差异，对外输出一套统一接口。上层渲染、物理、游戏逻辑模块完全不需要关心底层跑在什么操作系统上。

开发环境与编译版本小科普

示例引擎开发环境选用 Visual Studio 2017，内置 DirectX 开发套件。引擎一般会区分多种编译版本，不同版本取舍调试信息、运行性能：

小提示：工程编译输出文件存放于bin目录，文件名后缀带d代表 Debug 版本。开发可以搭配 VA AssistX 插件快速检索代码文件，Everything 工具检索磁盘资源，大幅提升开发效率。

二、VSSystem 工程：底层工具模块集合

VSSystem是这套引擎的底层核心工程，全部封装在命名空间VSEngine2下，内部由一个个职责单一工具类组成，全部做平台隔离，跨平台编译依靠条件编译宏区分 Windows、移动端实现。

📦 各个核心类职责一览

1. VSSystem：封装安全内存拷贝

不同平台内存拷贝函数行为存在差异，直接调用系统 API 存在越界风险，所以做一层封装，示例代码：

inline bool VSemcpy (void *pDest,const void *pSrc, unsigned int uiCountSize,
unsigned int uiDestBufferSize=0)
{
//入参合法性校验
if(!pDest || !pSrc || !uiCountSize)
return false;
//未指定目标缓冲区大小，则默认等于拷贝字节数
if(!uiDestBufferSize)
uiDestBufferSize=uiCountSize;
//调用微软安全版memcpy_s，返回0代表拷贝成功
return (memcpy_s (pDest,uiDestBufferSize,pSrc,uiCountSize)==0);
}

关键说明：memcpy_s会校验目标缓冲区边界，防止内存越界，跨平台移植时我们可以替换对应平台安全拷贝实现，上层调用代码完全不用改动。

2. VSTimer 游戏时间计时器

游戏离不开时间系统，我们需要获取游戏运行时长、每帧时间切片、FPS 帧率。Windows 下提供两套高精度时间 API：

类核心伪代码结构：

class VSSYSTEM API VSTimer
{
bool m_bUseLargeTime; //是否启用高精度计时器
int64 m_int64OneSecondTicks; //1秒对应的滴答计数
int64 m_int64TimeTickStartCounts; //启动时滴答计数值
unsigned long m_ulTimeStart; //timeGetTime起始时间
int m_iFrameCount;
double m_fFPS; //帧率FPS
double m_fTime,m_fLastTime,m_fTimeSlice; //游戏时间、上一帧时间、帧间隔

public:
void InitGameTime(); //游戏启动，初始化时间系统
double GetGamePlayTime(); //获取游戏已经运行的时间
void UpdateFPS(); //每帧调用，更新FPS统计
static VSTimer *ms_pTimer;
};

使用流程：游戏启动调用InitGameTime()，游戏主循环每一帧执行UpdateFPS()，即可拿到帧间隔与帧率数据。

3. VSFile & VSLog 文件与日志系统

VSFile封装磁盘文件全部基础操作：打开关闭、读写字节、移动文件指针、读取一行文本、刷新缓冲区。 VSLog继承VSFile，在文件读写能力之上，增加格式化日志输出，游戏运行中各类警告、错误信息都可以持久化保存到日志文件，程序崩溃之后可以通过日志回溯问题。

class VSSYSTEM API VSLog:public VSFile
{
public:
bool Open (const TCHAR *pFileName);
//可变参数格式化写日志
bool WriteInfo(const TCHAR *pcString,...)const;
};

4. VSThread & VSSynchronize 多线程模块

游戏引擎大量工作需要多线程处理：资源加载、物理计算、异步 IO。 VSThread作为线程基类，使用者继承并重写虚函数Run()实现线程业务逻辑。

线程有 3 种状态：TS_START运行、TS_SUSPEND挂起、TS_STOP停止，同时支持Low/Normal/High三种优先级。

• 构造函数创建线程，默认处于挂起状态；

• 调用Start()，内部静态回调函数ThreadProc会执行Run()；

• 调用Stop()，通过内部VSEvent事件对象通知线程安全退出。

VSSynchronize封装 Windows 四种同步原语：临界区、互斥量、信号量、事件，解决多线程资源竞争问题。

5. VSImage 图片加载抽象

定义抽象基类VSImage，定义统一接口Load（从文件加载）、LoadFromBuffer（从内存缓存加载）、GetPixel获取像素。派生VSBMPImage、VSTGAImage分别解析 BMP、TGA 图片。

面向抽象编程的好处：后续新增 PNG、JPG 支持，只需要新增派生类，上层调用加载图片的代码不需要修改。

三、重头戏：游戏引擎内存管理设计💥

很多 C++ 游戏项目血泪教训：直接裸用系统new/delete，到项目中后期会频繁遇到莫名崩溃、内存持续上涨。多人协作项目中，内存泄漏、野指针、缓冲区越界，属于疑难杂症，很多问题只在特定游戏场景触发，复现极其困难。

引擎自研内存管理器，两大核心目标：

内存管理器基类

抽象分配、释放接口，Debug 模式下使用调试内存管理器，Release 模式替换高性能内存管理器：

class VSSYSTEM API VSMemManager
{
public:
//分配内存：size大小，alignment字节对齐，bIsArray标记是否数组内存
virtual void *Allocate (unsigned int uiSize, unsigned int uiAlignment,bool bIsArray)=0;
//释放内存
virtual void Deallocate (char *pcAddr, unsigned int uiAlignment,bool bIsArray) =0;
};

Debug 内存检测管理器 VSDebugMem 实现原理

Debug 版本内存管理器VSDebugMem，核心思路：给每一块分配出去的内存加上元信息头、前后魔数保护边界，用双向链表记录全部内存块，同时捕获调用堆栈。

Mermaid 示意图展示内存块完整布局：

#mermaid-svg-8vCuQu1ed7WVuzv2{font-family:\”trebuchet ms\”,verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;fill:#333;}@keyframes edge-animation-frame{from{stroke-dashoffset:0;}}@keyframes dash{to{stroke-dashoffset:0;}}#mermaid-svg-8vCuQu1ed7WVuzv2 .edge-animation-slow{stroke-dasharray:9,5!important;stroke-dashoffset:900;animation:dash 50s linear infinite;stroke-linecap:round;}#mermaid-svg-8vCuQu1ed7WVuzv2 .edge-animation-fast{stroke-dasharray:9,5!important;stroke-dashoffset:900;animation:dash 20s linear infinite;stroke-linecap:round;}#mermaid-svg-8vCuQu1ed7WVuzv2 .error-icon{fill:#552222;}#mermaid-svg-8vCuQu1ed7WVuzv2 .error-text{fill:#552222;stroke:#552222;}#mermaid-svg-8vCuQu1ed7WVuzv2 .edge-thickness-normal{stroke-width:1px;}#mermaid-svg-8vCuQu1ed7WVuzv2 .edge-thickness-thick{stroke-width:3.5px;}#mermaid-svg-8vCuQu1ed7WVuzv2 .edge-pattern-solid{stroke-dasharray:0;}#mermaid-svg-8vCuQu1ed7WVuzv2 .edge-thickness-invisible{stroke-width:0;fill:none;}#mermaid-svg-8vCuQu1ed7WVuzv2 .edge-pattern-dashed{stroke-dasharray:3;}#mermaid-svg-8vCuQu1ed7WVuzv2 .edge-pattern-dotted{stroke-dasharray:2;}#mermaid-svg-8vCuQu1ed7WVuzv2 .marker{fill:#333333;stroke:#333333;}#mermaid-svg-8vCuQu1ed7WVuzv2 .marker.cross{stroke:#333333;}#mermaid-svg-8vCuQu1ed7WVuzv2 svg{font-family:\”trebuchet ms\”,verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;}#mermaid-svg-8vCuQu1ed7WVuzv2 p{margin:0;}#mermaid-svg-8vCuQu1ed7WVuzv2 .label{font-family:\”trebuchet ms\”,verdana,arial,sans-serif;color:#333;}#mermaid-svg-8vCuQu1ed7WVuzv2 .cluster-label text{fill:#333;}#mermaid-svg-8vCuQu1ed7WVuzv2 .cluster-label span{color:#333;}#mermaid-svg-8vCuQu1ed7WVuzv2 .cluster-label span p{background-color:transparent;}#mermaid-svg-8vCuQu1ed7WVuzv2 .label text,#mermaid-svg-8vCuQu1ed7WVuzv2 span{fill:#333;color:#333;}#mermaid-svg-8vCuQu1ed7WVuzv2 .node rect,#mermaid-svg-8vCuQu1ed7WVuzv2 .node circle,#mermaid-svg-8vCuQu1ed7WVuzv2 .node ellipse,#mermaid-svg-8vCuQu1ed7WVuzv2 .node polygon,#mermaid-svg-8vCuQu1ed7WVuzv2 .node path{fill:#ECECFF;stroke:#9370DB;stroke-width:1px;}#mermaid-svg-8vCuQu1ed7WVuzv2 .rough-node .label text,#mermaid-svg-8vCuQu1ed7WVuzv2 .node .label text,#mermaid-svg-8vCuQu1ed7WVuzv2 .image-shape .label,#mermaid-svg-8vCuQu1ed7WVuzv2 .icon-shape .label{text-anchor:middle;}#mermaid-svg-8vCuQu1ed7WVuzv2 .node .katex path{fill:#000;stroke:#000;stroke-width:1px;}#mermaid-svg-8vCuQu1ed7WVuzv2 .rough-node .label,#mermaid-svg-8vCuQu1ed7WVuzv2 .node .label,#mermaid-svg-8vCuQu1ed7WVuzv2 .image-shape .label,#mermaid-svg-8vCuQu1ed7WVuzv2 .icon-shape .label{text-align:center;}#mermaid-svg-8vCuQu1ed7WVuzv2 .node.clickable{cursor:pointer;}#mermaid-svg-8vCuQu1ed7WVuzv2 .root .anchor path{fill:#333333!important;stroke-width:0;stroke:#333333;}#mermaid-svg-8vCuQu1ed7WVuzv2 .arrowheadPath{fill:#333333;}#mermaid-svg-8vCuQu1ed7WVuzv2 .edgePath .path{stroke:#333333;stroke-width:2.0px;}#mermaid-svg-8vCuQu1ed7WVuzv2 .flowchart-link{stroke:#333333;fill:none;}#mermaid-svg-8vCuQu1ed7WVuzv2 .edgeLabel{background-color:rgba(232,232,232, 0.8);text-align:center;}#mermaid-svg-8vCuQu1ed7WVuzv2 .edgeLabel p{background-color:rgba(232,232,232, 0.8);}#mermaid-svg-8vCuQu1ed7WVuzv2 .edgeLabel rect{opacity:0.5;background-color:rgba(232,232,232, 0.8);fill:rgba(232,232,232, 0.8);}#mermaid-svg-8vCuQu1ed7WVuzv2 .labelBkg{background-color:rgba(232, 232, 232, 0.5);}#mermaid-svg-8vCuQu1ed7WVuzv2 .cluster rect{fill:#ffffde;stroke:#aaaa33;stroke-width:1px;}#mermaid-svg-8vCuQu1ed7WVuzv2 .cluster text{fill:#333;}#mermaid-svg-8vCuQu1ed7WVuzv2 .cluster span{color:#333;}#mermaid-svg-8vCuQu1ed7WVuzv2 div.mermaidTooltip{position:absolute;text-align:center;max-width:200px;padding:2px;font-family:\”trebuchet ms\”,verdana,arial,sans-serif;font-size:12px;background:hsl(80, 100%, 96.2745098039%);border:1px solid #aaaa33;border-radius:2px;pointer-events:none;z-index:100;}#mermaid-svg-8vCuQu1ed7WVuzv2 .flowchartTitleText{text-anchor:middle;font-size:18px;fill:#333;}#mermaid-svg-8vCuQu1ed7WVuzv2 rect.text{fill:none;stroke-width:0;}#mermaid-svg-8vCuQu1ed7WVuzv2 .icon-shape,#mermaid-svg-8vCuQu1ed7WVuzv2 .image-shape{background-color:rgba(232,232,232, 0.8);text-align:center;}#mermaid-svg-8vCuQu1ed7WVuzv2 .icon-shape p,#mermaid-svg-8vCuQu1ed7WVuzv2 .image-shape p{background-color:rgba(232,232,232, 0.8);padding:2px;}#mermaid-svg-8vCuQu1ed7WVuzv2 .icon-shape .label rect,#mermaid-svg-8vCuQu1ed7WVuzv2 .image-shape .label rect{opacity:0.5;background-color:rgba(232,232,232, 0.8);fill:rgba(232,232,232, 0.8);}#mermaid-svg-8vCuQu1ed7WVuzv2 .label-icon{display:inline-block;height:1em;overflow:visible;vertical-align:-0.125em;}#mermaid-svg-8vCuQu1ed7WVuzv2 .node .label-icon path{fill:currentColor;stroke:revert;stroke-width:revert;}#mermaid-svg-8vCuQu1ed7WVuzv2 :root{–mermaid-font-family:\”trebuchet ms\”,verdana,arial,sans-serif;}

Block元信息头堆栈信息｜内存大小｜是否数组｜链表前后指针

BeginMask起始魔数0xDEADCODE

业务可用内存区域上层new拿到的指针指向这里

EndMask结束魔数0xDEADCODE

图表说明：每一次内存申请，实际分配内存 = Block 元信息 + BeginMask 标记 + 用户内存 + EndMask 标记。前后0xDEADCODE魔数作为保护哨兵。一旦业务代码发生缓冲区越界写，就会覆盖魔数；释放内存的时候校验魔数不匹配，直接断言报错，立刻捕获越界 BUG。

所有内存块依靠 Block 的m_pPrev、m_pNext串联双向链表，管理器只维护链表头指针m_pHead、尾指针m_pTail，遍历链表即可找出程序退出还没有释放的内存块，定位内存泄漏。

Block 结构体，保存每一块内存完整溯源信息：

class Block
{
public:
void *pAddr[CALLSTACK_NUM]; //申请内存时的函数调用堆栈地址
unsigned int m_uiStackInfoNum; //堆栈层数
unsigned int m_uiSize; //申请内存字节大小
bool m_bIsArray; //是否数组内存
bool m_bAlignment; //是否开启字节对齐
Block *m_pPrev; //双向链表前驱
Block *m_pNext; //双向链表后继
};

Allocate 分配逻辑流程

Deallocate 释放逻辑流程

⚠️重点提示：生产 Debug 内存管理器代码还需要补充多线程锁保护（多线程同时分配内存会破坏双向链表）、完整的统计计数：new 次数、delete 次数、现存内存块、历史峰值内存大小。

获取调用堆栈，定位泄漏代码位置

光发现内存泄漏还不够，我们需要知道是哪一行代码申请内存没有释放。Windows 平台借助系统组件dbghelp.dll，这套 DLL 提供符号解析能力：输入函数调用地址，可以反推出源代码文件名、行号。

核心用到几个导出函数：

获取栈帧的底层原理简单聊聊： C/C++ 函数调用的时候，栈上会保存栈基址ebp，栈帧结构层层嵌套。每一个栈帧的 ebp 保存上一层调用函数 ebp，ebp+4 存储函数返回地址（也就是上层调用这一个函数的指令地址）。我们通过汇编读取寄存器 ebp，循环向上遍历，就拿到完整函数调用链地址。

简化获取栈帧示例代码：

DWORD _ebp,_esp;
//内联汇编读取寄存器ebp、esp
_asm mov _ebp, ebp;
_asm mov _esp, esp;

for (unsigned int index=0;index < CALLSTACK_NUM;index++)
{
//取出返回地址
void *pAddr=(void*) ULongToPtr(*(((DWORD*) ULongToPtr(_ebp))+1));
if(!pAddr) break;
pBlock->pAddr[index] = pAddr;
pBlock->m_uiStackInfoNum++;
//向上一层栈帧
_ebp=*(DWORD*) ULongToPtr(_ebp);
}

拿到一堆指令地址后，交给 dbghelp.dll 接口，翻译成可读的文件名、代码行号，当检测内存泄漏时，直接打印堆栈，开发者就知道哪段代码忘记释放内存。

四、总结

游戏引擎底层基础系统就像大楼地基，平时业务开发很少直接关注，但是一旦地基存在缺陷，上层所有模块都会遭殃😱。

拓展思考：上面这套内存管理器只适合 Debug 调试，追求运行性能的 Release 版本，不会记录完整堆栈、不会每块内存增加大量额外元数据，会采用内存池、分级分配器方案，在分配速度、内存碎片做优化。