Godot Physics 3D 的 step 流程：space 到 broad phase 到 solver

上一篇讲了物理服务器为什么和场景树解耦，这篇进入默认实现（GodotPhysics，servers/physics_3d/）的内部，把 step() 这一个函数拆开看。整个流程一句话概括：flush 旧账、施力、找接触、解约束、写回。但每个词背后都是一个阶段，而阶段的先后顺序不是随便排的——它由数据依赖决定，看懂顺序就看懂了大半设计。

入口：服务器侧的四个顺序阶段

GodotPhysicsServer3D::step()（godot_physics_server_3d.cpp，4.x，有删减）：

void GodotPhysicsServer3D::step(real_t p_step) {
    if (!active) return;
    delta = p_step;
    for (GodotSpace3D *space : active_spaces) space->set_active(true);
    // 1. 兑现上一帧排队的直接查询与 Area 信号
    for (GodotSpace3D *space : active_spaces) space->call_queries();
    // 2. 施加重力/阻尼、重算质量属性、更新形状 AABB
    for (GodotSpace3D *space : active_spaces) space->setup(p_step);
    // 3. broad phase：树重平衡 + 生成候选 body pair（此段空间上锁）
    is_flushing_queries = true;
    for (GodotSpace3D *space : active_spaces) space->get_broadphase()->update();
    // 4. 窄相 + 求解 + 积分
    for (GodotSpace3D *space : active_spaces) space->step(p_step);
    is_flushing_queries = false;
}

两个顺序细节值得注意。call_queries 放在最前：上一帧 physics frame 里排队的查询（信号回调里调的 intersect_ray）必须在任何状态被改写之前兑现，否则会读到本帧的新状态——"排队查询"语义要求的是旧快照。setup 单独成阶段且在所有空间上跑完才进 broad phase：AABB 更新是纯几何操作，先全部做完，树的重平衡才能一次批处理完，而不是插一棵、平衡一棵。

阶段拆解

setup：遍历活跃 body，施加重力（或 Area 的局部重力）、阻尼，按速度更新每个形状的包围盒。这一步产出的是"broad phase 需要的最小变更集"。

broad phase（GodotOctree）：八叉树重平衡后，对每个刚更新的 AABB 做树查询，AABB 有交的 body 组成候选 pair，过一遍 layer/mask 位过滤（分类第 7 篇展开），交叠的 pair 交给窄相。

step（GodotSpace3D::step → GodotStep3D），这是内核：

窄相：对每个候选 pair 跑 GodotCollisionSolver3D 的求交，box/box 走 SAT，sphere/box 走最近点，凸包对凸包走 GJK/MPR——产出接触流形（3~4 个接触点及其法向、穿透深度）；
约束组装：接触转成求解器约束，关节（hinge、6DOF……）转成速度约束，连同接触图一起交给求解器；
island 切分：以 body 为点、接触/关节为边做连通分量。关键性质：不同 island 之间没有约束耦合，可以独立求解——这是物理并行的基本单位，也是 Jolt 在大场景快的一个重要原因（第 4 篇细讲）；
迭代求解：逐约束顺序应用冲量，经典 Gauss-Seidel。

求解的数学：一个冲量怎么算

单个接触约束，两个 body $A$、$B$，法向 $n$，相对速度 $v_{rel} = v_B - v_A$，恢复系数 $e$。要求冲量 $J$ 使法向相对速度从 $-(1+e)(v_{rel}\cdot n)$ 归零。对每个 body，冲量改变线速度也改变角速度，合并写成：

$$ J = -\frac{(1 + e)\,(v_{rel} \cdot n)}{n^T M^{-1} n}, \qquad v \gets v + M^{-1} J $$

其中 $M^{-1}$ 是"逆质量块矩阵"——线运动部分 $1/m$，角运动部分 $I^{-1}$（惯量张量，分类第 5 篇）。分母 $n^T M^{-1} n$ 是"沿法向推动这对 body 有多容易"的度量：质量大、惯量大的物体分母小，同样冲量下速度变化小。

Gauss-Seidel 的含义是：一次迭代里逐个约束算 $J$、立即写回速度，再算下一个约束。刚写完的 $J$ 马上影响后续约束的 $v_{rel}$——顺序敏感，但内存访问极佳（顺序扫数组，无矩阵组装），所以游戏物理几乎全用它。单约束精确、多约束靠迭代逼近，迭代数就是 physics/3d/solver/solver_iterations（默认 16 左右）：堆叠的箱子每对箱子间的约束耦合深，迭代不够就"弹果冻"。穿透本身用 bias 项做位置修正：约束里额外加一段与穿透深度成正比的"伪速度"，迭代结束一并积分掉——Baumgarte 稳定化的标准做法。

从流程看调参的落点

接触太多 → 嫌疑在 broad phase 之后的阶段：pair 数随物体密度平方涨，先查是不是全挤在 layer 1（第 7 篇）；
堆叠抖动、果冻 → solver 迭代数或 contact bias 参数；
高速物体穿墙 → 离散积分的采样问题，不是求解器问题，走 CCD（第 6 篇）或提物理帧率；
_physics_process 里读到的位置是上一个 step 写完的快照——上一篇讲过的窗口纪律在这里兑现。

本文基于 Godot 4.x 源码 servers/physics_3d/godot_physics_server_3d.cpp（step 入口）、godot_space_3d.cpp（space 阶段）、godot_step_3d.cpp / godot_solver_3d.cpp（窄相、island、迭代求解），代码片段有删减。