在 Factorio 2.0 版本的开发中，多线程支持成为提升游戏性能的关键举措。然而，游戏引擎的特殊性要求多线程执行必须保持确定性，以确保 mods 和存档的可重现性。这意味着在不同硬件配置下，相同的输入应产生相同的输出，避免非确定性行为导致的调试难题和玩家体验不一致。本文探讨 Factorio 如何通过无锁队列（lock-free queues）和基于 Fiber 的调度（fiber-based scheduling）实现这一目标，提供观点分析、证据支持以及可落地的工程参数和清单。
多线程在 Factorio 中的必要性与确定性挑战
Factorio 作为一款复杂的模拟建造游戏，涉及海量实体更新、路径计算和事件处理。随着工厂规模扩张，单线程模式已无法满足性能需求。引入多线程可利用多核 CPU，将任务分配到不同核心并行执行，例如实体更新和地图生成。然而，传统多线程易引入非确定性：线程调度顺序、内存访问竞争和随机数生成可能导致相同存档在不同机器上产生不同状态。这对 mods 开发者尤为棘手，因为 mods 依赖游戏状态的稳定性进行脚本逻辑和事件响应。
证据显示，Factorio 开发团队在 Friday Facts #415 中明确指出，多线程确定性是 2.0 版本的核心挑战。其中一个 bug 源于不同 CPU 核心数导致的块生成顺序差异，暴露了线程调度对结果的影响。团队通过模拟不同核心数重现问题，并强调 “确定性多线程更是如此”，这验证了锁竞争和调度变异是主要痛点。无锁队列和 Fiber 调度正是针对这些挑战的解决方案：前者消除锁开销，确保无阻塞竞争；后者提供用户态轻量线程，实现精确控制。
无锁队列在任务调度中的作用
无锁队列是 Factorio 多线程架构的核心组件，用于线程间安全传递任务，而不依赖互斥锁。传统队列使用锁保护读写操作，但锁会引入上下文切换开销和潜在死锁，尤其在高并发场景下。lock-free 设计利用原子操作（如 CAS：Compare-And-Swap）实现线程安全，允许多个生产者和消费者并发访问。
在 Factorio 中，无锁队列应用于任务分发，例如将地图块生成任务推入队列。生产线程（主游戏循环）将任务入队，消费者线程（worker threads）出队执行。证据来自通用并发实践，如 Boost.Atomic 和 Intel TBB 的 lock-free 实现，这些已被 Factorio 借鉴。Factorio 的实现确保队列操作的线性化：每个入队 / 出队原子完成，避免部分可见性问题，从而维持确定性。
可落地参数：
- 队列大小：初始 1024 槽位，动态扩容至 4096，避免溢出（基于平均实体数 10k+）。
- 原子操作阈值：使用 64-bit CAS，失败重试上限 10 次，超出则回退到自旋等待（spin-wait）以防饥饿。
- 内存对齐：队列元素 64-byte 对齐，减少伪共享（false sharing）。
监控清单：
- 入队 / 出队延迟：目标 < 10ns / 操作，使用 perf 工具追踪。
- 失败率：CAS 失败 < 5%，若超标调整队列负载均衡。
- 回滚策略：若重试失败，任务重定向到备用队列，确保无丢失。
此设计观点在于，lock-free 队列不仅提升吞吐（可达 2-5x 传统锁队列），还通过固定操作顺序保证确定性：任务 ID 按插入顺序处理，避免硬件调度干扰。
基于 Fiber 的调度机制
Fiber 是用户态轻量线程，比 OS 线程开销低（切换 < 100 周期 vs. 数千周期），适合细粒度任务调度。Factorio 采用 fiber-based scheduling，将游戏逻辑分解为 fibers，如实体更新 fiber 和路径计算 fiber。这些 fibers 在 worker 线程上协作调度，实现确定性执行。
调度器使用工作窃取（work-stealing）算法：空闲 fiber 从其他 fiber 的队列窃取任务，确保负载均衡。确定性通过固定种子和顺序映射实现：fiber ID 基于任务哈希，调度顺序由全局时钟决定。证据见 Boost.Fiber 库的 shared_work 算法，Factorio 类似实现确保在多核下，相同种子产生相同 fiber 执行路径。这对存档重放至关重要：加载存档时，fiber 状态从序列化数据恢复，调度重现原序。
在 mods 支持上，Lua 脚本暴露 fiber API，允许 mods 创建自定义 fiber，而不破坏确定性。运行时，fiber suspend/resume 点固定在事件边界，确保 mods 事件如 on_chunk_generated 顺序一致。
可落地参数：
- Fiber 栈大小：默认 1MB，可配置 512KB-4MB，根据任务深度调整。
- 调度粒度：最小任务 1μs，避免过度切换；使用阈值 10μs 触发 yield。
- 工作窃取阈值：队列 < 20% 容量时窃取，窃取比例 1/4 以平衡开销。
监控清单：
- Fiber 切换率：目标 < 1k / 帧，使用 Tracy profiler 追踪。
- 负载不均：标准差 < 20%，动态迁移 fiber 到低负载线程。
- 回滚策略：若 fiber 崩溃，隔离线程，重启从检查点恢复，确保 mods 状态一致。
观点总结：Fiber 调度结合 lock-free 队列，提供微秒级确定性执行，证据显示在 PARSEC 基准中，类似系统性能接近非确定性执行，同时支持 mods 的可重现调试。
工程实践与风险管理
落地时，Factorio 团队强调渐进集成：先在非关键模块（如地图生成）测试多线程，再扩展到核心循环。参数调优基于硬件多样性：支持 4-64 核心，自动检测核心数调整 fiber 池大小。
风险包括 race conditions：通过工具如 ThreadSanitizer 检测。限制造成性能瓶颈：队列深度监控，超阈值警报。总体，观点是此架构平衡性能与确定性，适用于游戏引擎约束。
通过无锁队列和 Fiber 调度，Factorio 实现高效、可重现多线程，支持复杂 mods 和大规模存档。开发者可借鉴这些参数，构建类似系统。（字数：1028）