在游戏中使用正确的多线程答案

【问题标题】：Using correct multithreading in a game在游戏中使用正确的多线程
【发布时间】：2014-09-10 08:56:11
【问题描述】：

我目前正在开发一款模拟可变形 3D 对象的 3D 游戏。对于可变形，我的意思是 3D 对象的几何形状在逐帧变化。游戏中有一个渲染循环，应该尽可能频繁地执行（至少 30 次/秒）以获得下降的帧速率。但我还在这个渲染循环中做了另外两件事：计算新几何和计算轴对齐边界框层次结构 (AABVH)。我需要 AABVH 进行碰撞检测。在渲染 3D 对象之前完成几何和 AABVH 计算非常重要。计算新几何和 AABVH 是一项耗时的任务，因此我的帧速率迅速下降。因此，我的想法是在单独的线程中计算 AABVH。这看起来像这样：

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# 并行编程方面的专家，但我确信这不是一个好的解决方案。每一帧，都会创建、执行和销毁一个新线程，这会导致很大的开销。在我的情况下，一个好的解决方案会是什么样子？

【问题讨论】：

这是在什么平台上的？ OpenGL？直连 11？你能在 GPU 上的着色器中进行几何修改吗？您能否简化变形网格以使其更合理并与 GPU 合作，例如使用蒙皮网格？多线程非常复杂，你真的想避免它，直到它绝对必要。现代 DX 使这更容易一些，因为您可以从多个线程等访问 DX 资源，但它仍然相当困难。如果您确实需要多线程，Gusdor 的建议是避免大部分复杂性的好方法。
小心；多线程不一定会提高应用程序的性能。只有当您有多个 CPU 内核并确保您的线程被安排在不同的内核上时，才能实现显着的性能提升。显然，硬件图形加速器是实现这一目标的好方法。 :-)
@Luaan：它在 Windows 上的 OpenGL。你说得对，要做到这一点既昂贵又复杂。问题是我不仅要计算新几何，还要计算新几何的轴对齐边界框层次结构。我不能为此使用几何着色器。
@MikeofSST：绝对正确！硬件图形加速器？从来没有听说过。这是什么？
对不起，我不够精确。我实际上在计算两件事：新几何和包围体层次结构。我已经编辑了我的问题。

标签： c# multithreading

【解决方案1】：

在更新几何图形时，您不应阻止下一帧的渲染。您也可以同步运行计算。阻止渲染会增加每一帧的总渲染时间，并对帧速率产生负面影响——这是您特别要避免的影响！

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，如果是，则渲染旧几何图形。现在您需要 2 个几何体集 - 就像使用帧缓冲区一样，您在新几何体完成时交换它们。

最终结果是，某些帧可能没有您希望的可用的最新几何图形。这在几何体计算时间较长的对象上会更加明显。无论如何，大多数游戏的图形编程都是烟雾缭绕的，所以不用担心。

实施

请为这些更新操作使用线程池线程，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
        }
    }

您需要在此处进行一些同步，以确保在渲染旧几何图形时不会交换新几何图形。我会留给你的。

【讨论】：

如果 OP 想要一个固定步长模拟例如一个弹跳球。尽管如此，这至少允许他使用线程池来安排工作，并在需要时甚至在最后一帧开始处理之前实际安排工作，这可能会显着降低延迟。
@Luaan 可以说，如果你想要一个固定的步模拟，你同步步：Calculate physics -> calculate geometry -> render。精度比帧率更重要。对我来说，这看起来像是基于实体的游戏编程，我坚持使用这个主题。
是的，这将是通常的方式。不过，如果您在Update 步骤中更早地开始处理，您可以轻松减少一到两毫秒的延迟，这对 FPS 有很大帮助。毕竟，OPs 解决方案已经落后于任何输入一帧 - 他在渲染最后一个几何图形后计算下一个几何图形。
如前所述，我不是多线程专家。但我确信我会在你的解决方案中得到一个 NullReferenceException ，因为当第一次到达 if 子句时 t 为空。所以我必须事先创建一个任务，而不是在 else 子句中，对吧？
感谢您的努力。我是这样实现的。效果很好。

【解决方案2】：

游戏中的多线程大部分（取决于类型、功能等）以这种方式使用：

1 线程 - 渲染
1..x 线程 - 物理（你的变形所属的地方）
x 线程 - AI

渲染对象的实际状态，在物理线程中将其变形为副本。 Gusdor 提出的变形后切换对象。

我建议您使用类似ConcurrentQueue 的类来对应该由物理线程计算的对象进行排队。这样你就不需要每次都重新创建线程。让他们闲着，在有东西进入队列的那一刻计算。

【讨论】：