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3D引擎多线程:渲染与逻辑分离

   目前的3D引擎的渲染帧和逻辑帧都是在一个线程上运行的,在网络游戏中大量玩家聚集,繁重的骨骼动画计算和粒子计算极大的拖累了渲染帧数,有两种有效措施:1、控制同屏显示人数,但玩家体验不好 2、帧数低于某值时减少动画Tick频率,但带来的问题是动画不连贯。

        如果考虑使用多线程优化,最容易想到的就是采用平行分解模式,将骨骼动画计算和粒子计算写成两个for循环,然后用OpenMP将其多线程化,但事实上这样并不会提高多少效率,这两者计算仍然要阻滞渲染帧,线程的创建也有一定的消耗。于是我想到了一种极端的解决方案,采用任务分解模式,将渲染和逻辑完全分离到两个线程去,互不影响,当然这样线程同步会是大问题,毕竟线程的数量和BUG的数量是成正比的。

        我们首先来分析下这两个线程分别需要做什么工作,需要那些数据。渲染线程需要获取实体的位置、材质等信息,并交给GPU渲染,逻辑线程需要更新实体的位置、材质、骨骼动画等数据,很显然一个写入一个读取,这为我们实现一个没有线程同步的多线程3D渲染系统提供了可能。

        为了让读取和写入不需要Lock,我们需要为每一份数据设计一个带有冗余缓存的结构,读取线程读取的是上次写入完成的副本,而写入线程则向新的副本写入数据,并在完成后置上最新标记,置标记的操作为原子操作即可。以Vector为例,这个结构大致是这样的:

3D引擎多线程:渲染与逻辑分离

struct  VectorData 

3D引擎多线程:渲染与逻辑分离

{

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        Vector4f    m_pVector[DATACENTER_CACHE];

3D引擎多线程:渲染与逻辑分离

        int         m_iIndex;

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3D引擎多线程:渲染与逻辑分离
3D引擎多线程:渲染与逻辑分离

        VectorData()

3D引擎多线程:渲染与逻辑分离

    {

3D引擎多线程:渲染与逻辑分离

            memset( m_pVector, 0, DATACENTER_CACHE * sizeof(Vector4f) );

3D引擎多线程:渲染与逻辑分离

            m_iIndex = 0;

3D引擎多线程:渲染与逻辑分离

        }

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3D引擎多线程:渲染与逻辑分离

        void    Write( Vector4f& rVector )

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    {

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            int iNewIndex = m_iIndex == DATACENTER_CACHE - 1 ? 0 : m_iIndex + 1;

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            m_pVector[iNewIndex] = rVector;

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            m_iIndex = iNewIndex;

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        }

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3D引擎多线程:渲染与逻辑分离

        Vector4f&    Read()

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  {

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            return m_pVector[m_iIndex];

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        }

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} ;

3D引擎多线程:渲染与逻辑分离

        当然我们可以用模板来写这个结构,让其适用于int,float,matrix等多种数据类型,余下的工作就简单了,将所有有共享数据的类的成员变量都定义为以上这种数据类型,例如我们可以定义:

        SharedData<Matrix4f>  m_matWorld;

        在渲染线程中调用pDevice->SetWorldMatrix( m_matWorld.Read() );

        在逻辑线程中调用m_matWorld.Write( matNewWorld );

        需要注意的是,这种方案并非绝对健壮,当渲染线程极慢且逻辑线程极快的情况下,有可能写入了超过了DATACENTER_CACHE次,而读取却尚未完成,那么数据就乱套了,当然真要出现了这种情况,游戏早已经是没法玩了,我测试的结果是渲染帧小于1帧,逻辑帧大于10000帧,尚未出现问题。

        FlagshipEngine采用了这一设想,实际Demo测试结果是,计算25个角色的骨骼动画,从静止到开始奔跑,单线程的情况下,帧数下降了20%~30%,而使用多线程的情况下,帧数完全没有变化!

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