在游戏中正确使用多线程

Question

我正在开发一个3D游戏，旨在模拟可变形的3D物体。所谓可变形，是指3D物体的几何形状会从一帧到另一帧发生变化。在游戏中，有一个渲染循环，应尽可能频繁地执行（至少30次/秒），以获得良好的帧率。但是，在这个渲染循环中，我还要做两件事情：计算新的几何形状和计算轴对齐的边界框层次结构（AABVH）。我需要AABVH来进行碰撞检测。非常重要的是，在3D物体被渲染之前完成几何形状和AABVH的计算。由于计算新的几何形状和AABVH是一个耗时的任务，因此我的帧率迅速下降。因此，我的想法是在一个单独的线程中计算AABVH。

Thread t;
public void Render(Object3D o) // renders 3D object
{
  if (t != null) // wait until the new geometry got calculated
  {
     t.Join();
  }
  o.RenderGeometry();
  t = new Thread(() => o.CalcAABVH());
  t.Start();
}

我不是C#并行编程专家，但我肯定这不是一个好的解决方案。每帧都会创建、执行和销毁一个新的线程，造成了很大的开销。在我的情况下，一个好的解决方案会是什么样子呢？

- NMO

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这是在什么平台上？OpenGL？DirectX 11？您能否在GPU的着色器中进行几何修改？您能否简化变形网格，使其更合理并与GPU协作，例如使用蒙皮网格？多线程非常复杂，除非绝对必要，否则应该避免使用。现代DX使这变得更容易，因为您可以从多个线程访问DX资源等，但仍然相当困难。如果确实需要多线程，Gusdor的建议是避免大部分复杂性的好方法。 - Luaan

请注意，多线程不一定会提高应用程序的性能。只有在您拥有多个CPU核心并确保您的线程在不同的核心上调度时，才能实现显著的性能提升。显然，硬件图形加速器是实现这一目标的好方法。 :-) - Evil Dog Pie

@Luaan：这是在Windows上使用OpenGL。你说得没错，正确实现它的代价很高，也很复杂。问题在于我不仅要计算新几何体，还要为新几何体计算轴对齐边界框层次结构。而且我不能使用几何着色器来完成这个任务。 - NMO

@MikeofSST：绝对正确！硬件图形加速器？从未听说过。这是什么？ - NMO

抱歉我没有表达得够清楚。实际上我正在计算两个东西：新的几何形状和一个边界体层次结构。我已经编辑了我的问题。 - NMO

Answer 1

您不应在更新几何图形时阻止下一帧的渲染。您可以同步运行计算。阻塞渲染会增加每帧的总渲染时间，并对帧率产生负面影响 - 这是您特别想避免的效果！

相反，使用一个标志来指示新几何图形的计算是否正在进行，如果正在进行，则渲染旧几何图形。现在您需要2个几何集合 - 就像使用帧缓冲区时一样，在新几何图形完成时交换它们。

净效果将是，当您希望最新的几何图形可用时，某些帧可能没有。这将在几何图形计算时间较长的对象上更为明显。大多数游戏图形编程都是骗术，所以不要担心它。

实现

请使用线程池线程执行这些更新操作，因为创建成本较低。理想情况下，使用任务并行库。作为奖励，Task 对象会为您跟踪其运行状态！

    using System.Threading.Tasks;

    ...

    Task t;
    public void Render(Object3D o) // renders 3D object
    {
        if(t != null && t.Status == System.Threading.Tasks.TaskStatus.Running)
        {
            //render old geometry
        }
        else
        {
            t = Task.Factory.StartNew(o.CalcNewGeometry())
                    .ContinueWith(p => o.UpdateGeometry); //swap the new geometry in
        }
    }

在这里，你需要一些同步处理，以确保在渲染旧几何体时不会将新几何体换入。我将把这个任务留给你。

- Gusdor

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如果操作员想要例如弹跳球的固定步骤模拟，那么渲染旧几何可能不是一个选项。尽管如此，这将至少允许他使用线程池来安排工作，并且即使在最后一帧开始处理之前就可以安排工作，这可能会显着帮助延迟问题。 - Luaan

@Luaan，如果你想要一个固定步长的模拟，你需要同步进行每一步：计算物理->计算几何->渲染。精度比帧率更重要。这看起来像是基于实体的游戏编程，我会坚持这个主题。 - Gusdor

是的，那将是通常的方式。不过，如果您在“Update”步骤中更早地开始处理，可以轻松地削减1到2毫秒的延迟，这可以极大地帮助FPS。毕竟，OP的解决方案已经落后于任何输入一帧 - 他正在计算渲染上一个几何体之后的下一个几何体。 - Luaan

如前所述，我不是多线程专家。但我确信，使用您的解决方案会导致 NullReferenceException，因为当 if 子句第一次被执行时，t 为空。所以我必须事先创建一个任务，而不是在 else 子句中创建，对吗？ - NMO

@NMO 这将强制几何图形在每个传递中进行绘制。我已经编辑了一个修复程序。 - Gusdor

谢谢你的努力。我按照那种方式实现了它。运行得很好。 - NMO

Answer 2

游戏中的多线程主要（取决于游戏类型、功能等）使用以下方式：

• 1个线程 - 渲染

• 1..x个线程 - 物理计算（包括变形）

• x个线程 - AI

渲染对象的实际状态，在物理线程的副本中进行变形。根据Gusdor的建议，在变形后切换对象。

我建议您使用类似ConcurrentQueue的队列类来排队应该由物理线程计算的对象。这样，您不需要每次重新创建线程。只需让它们空闲并在有东西进入队列时进行计算即可。

- EvilFonti