[MC源碼解讀][1.8] 刷石機故障及刷石機效率討論

本來昨天想看區塊加載/卸載和怪物despawn部分的源碼的，但是眼賤看到了庄主接受挑戰的視頻，雖然說挑戰發起者不是我，不過這個設計思路跟我之前發的帖子基本一樣，而且原帖我正好路過庄主貼吧的時候看到並且插了幾句嘴，於是對刷石機這個問題瞬間又提起了興趣，於是一天都在查這方面的源碼。

刷石機設計

刷石的基本原理是利用岩漿和水的相互作用：

• 當岩漿流向下方的水時，水變為石頭
  ![[圖]岩漿遇水下落變成石頭][]
• 當岩漿源其他方向是水時，岩漿變為黑曜石
  ![[圖]岩漿源遇水變黑曜石][]
• 當非源岩漿（級數<=4）其他方向是水時，岩漿變為圓石
  ![[圖]非源岩漿與水相互作用][]
  岩漿源的級數是0，在主世界每走一格級數+2，末地和下界每走一格級數+1，下落的岩漿級數=原級數+8。

由於挖掘圓石的速度比挖掘石頭要慢，而且石頭是選擇挖成石頭還是圓石的，所以高速刷石機一般采用岩漿在上水在下的方式。又因為站着不動挖掘最多能挖5格，所以一般都是5個刷石單元並排作為一組形成一個刷石機。
![[圖]5聯刷石機][]

為了達到高速刷石的效果，刷出的石頭應該盡快“讓位”，即把刷石位空出來，於是需要設計活塞電路，將新刷出的石頭推出。各種設計不同的高速刷石機主要區別就在這里。

• D大設計：
  ![[圖]D大刷石機][]
• 我的設計：
  ![[圖]ET刷石機][]
• 庄主視頻中的設計：
  ![[圖]庄主刷石機][]

刷石機故障分析

現在是時候說一下刷石機的“隱患”了。

D大刷石機

首先來看D大的刷石機設計，有一個顯而易見的問題：當刷出的石頭沒有及時處理，以致不能再被B組活塞推出時，刷石點下方的格子會被石頭堵住，下次開始刷石時就會推掉岩漿：
![[圖]D大刷石機崩潰][]
D大為此做了一個快捷關閉機器的壓力板，一定程度緩解了這個問題，但用戶體驗仍不夠好，每次開關機器前后要先把石頭挖一下。

ET刷石機

我在設計刷石機時令A組活塞平時處於推出狀態，這樣一來B組活塞推不動的石頭會直接被A組活塞推上去阻塞刷石位，阻止新石頭的刷出，從而不會出現D大刷石機的問題。但這樣一來卻引發了新的問題。

我們來看一下岩漿把水變成石頭的過程。
理想情況，因為水的流速比岩漿快，一般情況下應該是水先流進刷石位，然后岩漿流下把水變成石頭。
但有時候會事與願違，岩漿可能會先流下，這時候，下流的岩漿由於級數>8，不會變成圓石，另一方面，水是不能流向岩漿的，這格岩漿會一直存在。
但是岩漿可以流向水並把水替換掉，於是之后岩漿會流進水的格子，如果旁邊還有別的水，岩漿就會變成圓石。
![[圖]圓石故障][]

在D大的設計中，由於A組活塞平時是關閉的，會留出一個空位讓岩漿往下流而不會影響水源，而在下一個周期中C組活塞就會把刷石位的岩漿清空，讓機器恢復正常運行。
![[圖]D大刷石機故障處理][]

但是我的刷石機就不能幸免了，輕則無法刷石
![[圖]ET刷石機故障后果1][]
重則毀掉整個機器（這還不算最嚴重的……）
![[圖]ET刷石機故障后果2][]

我的這個刷石機雖然跟D大的很類似，但是實際上是我自己想出來的，出了這樣的問題非常令人不爽（然后才看到了D大的帖子並且學D大加了C組活塞）。想了各種辦法解決，但一直無功而返。

那么這個問題究竟是如何產生的？又有沒有什么解決的方式呢？

要徹底搞清楚這個問題，我們必須了解一件事：MC中液體流動是怎么計算的？是固定若干時間流動一次？還是周圍有空格后多少秒流動一格？

看了液體流動有關的代碼后得知，當液體接受到方塊更新后，會加入一個優先隊列，根據液體的流速，在若干游戲刻后進行一次流動（比如水的流速是5，那就是在5刻后流動），同時，如果這塊液體已經在隊列中排隊准備流動了，那么不會再次排隊。

既然液體流動的時間和收到的方塊更新有關，這樣一來，就有了一個新的問題，在我們的刷石機中，液體（即水和岩漿）什么時候會收到方塊更新？

為了簡化問題，我們在主世界以刷出單個石頭的刷石單元為例，並暫時去掉與刷石無關的C組活塞；
![[圖]ET刷石機主要部分][]

可以看到，由於玻璃是不會發出方塊更新的，那唯一影響水和岩漿的就只有活塞了，具體來說，那活塞什么時候會發出方塊更新？

我看完了活塞的代碼（看吐了），並做了一些實驗。
發現活塞接受到紅石信號改變並完全伸出/收回活塞臂共需要3個游戲刻（1.5 ticks），用0,1,2標號這三個游戲刻，那么和活塞運動有關的位置發出方塊更新的時刻如下圖：
![[圖]活塞更新規律][]

對照上圖，可以得到岩漿和水收到更新的時刻表格：

時間(游戲刻)	0	1	2	3	4	5	6
水	是	是	否	是	是	是	是
岩漿	是	否	否	否	否	是	否

（注：5刻時水和岩漿受到的更新來自於水流進刷石位）

而由於只能進隊一次，那么假設在上個周期的最后5個游戲刻水和岩漿都沒有收到過更新，那進隊情況如下：

時間(游戲刻)	0	1	2	3	4	5	6
水	是	否	否	否	否	是	否
岩漿	是	否	否	否	否	否	否

這樣一來在每個周期的第5游戲刻水流會流下，1-4刻便是岩漿流下的“危險期”。由於在主世界岩漿的流速是30游戲刻，那么如果機器的周期是30游戲刻的整數倍，那么岩漿始終會在30的整數倍時刻收到更新，並在刷石位有空位的時候流下；否則，在一個周期中岩漿流下的時刻不固定，很容易在“危險期”先於水流流下來。
（嚴格說應該是周期的游戲刻數和30的最大公約數>5就可以避開“危險期”）

那么是否只要周期設置的安全就可以完全避免這個問題呢？很不幸，這個答案是否定的。

我為此糾結了很久。后來發現，游戲中會隨機對某些方塊進行random tick，隨機選擇方塊來做某些操作，這種機制主要用來控制作物生長（D大介紹過），但是如果選的方塊是排過隊的液體方塊，那么就會對這塊液體進行一次流動！（不會從隊列中刪除，即原來設定的流動時間還會再流動一次）

這樣一來，在隊列中的液體隨時都有流動的可能；對於我的刷石機來說，在危險期內，岩漿隨時都可能流下。（關於第0游戲刻是否危險：MC運行的順序是處理液體正常流動、處理random tick、處理活塞。在0刻時，先岩漿流下把水變成石頭，然后random tick什么都做不成，然后活塞把石頭拉出，所以0刻不會發生故障。）

如果使用C組活塞，能否解決問題？

好消息是，基本可以滿足要求。

簡單來說，活塞在第x游戲刻接受到n ticks的信號，活塞臂可以在第x+1~x+2*n游戲刻之間阻擋液體流動。那么我們在0刻給C組活塞2 ticks的信號，即可以把危險期完全覆蓋！當然其他2組活塞的時序也要對應改一下，改動后的時序如下圖：
![[圖]ET刷石機改良][]

這里使用了一個2.5 ticks的負脈沖限制器，圖片來源於Minecraft英文wiki。
![[圖]2.5T負脈沖限制器][]

壞消息是，機器還是有可能會出現故障。

在第5游戲刻的時候，系統會先判定C組活塞已經完全收回，不阻塞刷石位，於是水流出，如果就在這一游戲刻岩漿被random tick了，就會產生石頭。如果這時石頭都已經刷滿沒被采集，那么這個新刷出的石頭就會被推上一格，堵塞岩漿。
![[圖]ET刷石機新故障][]
這種情況出現的概率確實很低，但不能說一點可能性都沒，用的時間長了總會有出問題的時候。

庄主刷石機

現在來看一下庄主的刷石機，按照現在的時序，岩漿可能提前下落的時間為第1-9游戲刻。根據庄主現在的時序，A的活塞臂阻擋岩漿的時間為第1-2游戲刻，第5-8游戲刻，危險期為第3-4游戲刻和第9游戲刻。雖然活塞二次推出可以清空在3-4刻下落的岩漿，但有極低的概率岩漿和水在3-4刻連續受到random tick影響而相遇。

而庄主的設計卻巧妙地避開了此問題帶來的副作用，即使岩漿下落，並且把水變成了圓石，也不會阻塞機器，下一個周期只要不再被random tick影響，就會恢復正常。
![[圖]庄主刷石機故障處理][]

完美刷石機設計

看到這里強迫症表示不服，就沒有完美的刷石機么？既不會刷出圓石，也不會機器崩潰的？

好！滿足你！

實際上，只要把庄主的刷石機的時序改一下就可以了：將A組活塞的伸出時長改為4.5 ticks即可覆蓋全部危險期；為了讓水流第一時間流出，B組必須在1 ticks推出，時長必須為1 ticks（1.5也可，但麻煩）；C組的時序就比較隨意了，2刻之后推一下就可以：
![[圖]庄主刷石機時序改良][]

產生4.5 ticks脈沖的電路和上面2.5 ticks脈沖電路類似：
![[圖]4.5T脈沖限制器][]

刷石機效率分析

增加刷石機產出的方法

至此，刷石機的各種（已知）故障算是完美解決。於是我們可以來談談效率問題了。

上文說到過岩漿在主世界流動的速度為30，故而在主世界中，單排刷石機的時鍾周期最低也要30，否則不能每個時鍾周期都刷出石頭。

而為了進一步提高效率，就可以通過增加刷石機組數的方式了，比如這樣：
![[圖]D大雙核][]
甚至這樣：
![[圖]ET4核][]

信標式刷石機效率分析

由於刷石機可以增加組數，效率的瓶頸成為了石頭的處理速度。對於信標式刷石機來說，效率的瓶頸來自史蒂夫的挖掘速度。

先對各位路人解釋一下什么叫信標式刷石機吧。這個概念應該最先由D大提出（至少我是最先從他的這個帖子接觸的），利用高速刷石機產生石頭，然后利用鑽石鎬附魔效率V（因為wiki的信息和1.8不符所以不貼地址了）+信標急迫II效果，達到極快的破壞方塊速度，快速采集石頭。
![[圖]快速采集][]

很多朋友不理解為什么要用鑽石鎬采集不用凋零，對這類機器噴的很厲害。我總結原因有這么幾點：

1. 凋零頭打起來看RP。
2. 困住凋零不容易，很危險，特別是在1.8。
3. 凋零工廠建造更麻煩。
4. 實際上信標式刷石機主體部分和凋零式一樣的，只是處理石頭方式不一樣。
5. 這種機器本身就是一種樂趣。（其實上面4條都是編的_(:зゝ∠)_

那究竟多少組是史蒂夫挖掘速度的上限呢？帶着這個問題我又看了一下關於挖掘速度的代碼，具體信息我會另寫帖子，在這里只寫結論：在鑽石鎬+效率V+信標急迫II效果下，可以達到每游戲刻破壞1個方塊的速度，也是游戲中破壞方塊的最高速度。

那么在主世界中，理論上“6核”可以達到最高效率，為1200石頭/分鍾（5*6=30）。而在末地，因為岩漿流速為10，只要相當於每個“核”“超頻”了3倍，只要“雙核”就可以達到最高效率。

凋零式刷石機效率討論（TODO)

當然上面所說的效率僅限信標式刷石機，凋零式刷石機應該同理，效率瓶頸在於凋零破壞方塊的速度。我還沒有研究過凋零，暫時無法給出結論。

結語

於是到此我們的討論可以暫告一段落了。這篇文章前前后后寫了整整2天多，大量時間對着代碼看，腦子有時候會亂，如果有錯誤請指出，多多包涵。

[[圖]信標式刷石機]: https://images0.cnblogs.com/blog/552320/201502/050243257038972.png
[[圖]岩漿遇水下落變成石頭]: https://images0.cnblogs.com/blog/552320/201502/050245554537255.png
[[圖]岩漿源遇水變黑曜石]: https://images0.cnblogs.com/blog/552320/201502/050251135464034.png
[[圖]非源岩漿與水相互作用]: https://images0.cnblogs.com/blog/552320/201502/050251399532569.png
[[圖]5聯刷石機]: https://images0.cnblogs.com/blog/552320/201502/050252007342183.png
[[圖]D大刷石機]: https://images0.cnblogs.com/blog/552320/201502/050252199379982.png
[[圖]ET刷石機]: https://images0.cnblogs.com/blog/552320/201502/050252395786084.png
[[圖]庄主刷石機]: https://images0.cnblogs.com/blog/552320/201502/050252554995581.png
[[圖]D大刷石機崩潰]: https://images0.cnblogs.com/blog/552320/201502/050253159215853.png
[[圖]圓石故障]: https://images0.cnblogs.com/blog/552320/201502/050314234689096.png
[[圖]D大刷石機故障處理]: https://images0.cnblogs.com/blog/552320/201502/050254253594333.png
[[圖]ET刷石機故障后果1]: https://images0.cnblogs.com/blog/552320/201502/050253485782964.png
[[圖]ET刷石機故障后果2]: https://images0.cnblogs.com/blog/552320/201502/050254088745964.png
[[圖]ET刷石機主要部分]: https://images0.cnblogs.com/blog/552320/201502/050258170154706.png
[[圖]活塞更新規律]: https://images0.cnblogs.com/blog/552320/201502/050259098437545.png
[[圖]ET刷石機改良]: https://images0.cnblogs.com/blog/552320/201502/050259331873076.png
[[圖]2.5T負脈沖限制器]: https://images0.cnblogs.com/blog/552320/201502/050327029688860.png
[[圖]ET刷石機新故障]: https://images0.cnblogs.com/blog/552320/201502/050300583744469.png
[[圖]庄主刷石機故障處理]: https://images0.cnblogs.com/blog/552320/201502/050259588747225.png
[[圖]庄主刷石機時序改良]: https://images0.cnblogs.com/blog/552320/201502/050300301879890.png
[[圖]4.5T脈沖限制器]: https://images0.cnblogs.com/blog/552320/201502/050321544373503.png
[[圖]D大雙核]: https://images0.cnblogs.com/blog/552320/201502/050324357498251.png
[[圖]ET4核]: https://images0.cnblogs.com/blog/552320/201502/050324487342018.png
[[圖]快速采集]: https://images0.cnblogs.com/blog/552320/201502/050328546714587.png