如何在 Rust 中实现面向数据的设计？

Question

背景

在游戏引擎开发中，我们通常使用面向数据的设计来优化内存和计算性能。

我们以粒子系统为例。

在一个粒子系统中，我们有很多粒子，每个粒子可能有几个属性，比如位置、速度等。

一个典型的 C++ 实现是这样的：

struct Particle {
    float positionX, positionY, positionZ;
    float velocityX, velocityY, velocityZ;
    float mass;
    // ...
};

struct ParticleSystem {
    vector<Particle> particles;
    // ...
};

这个实现的一个问题是粒子属性是相互交错的。 这种内存布局对缓存不友好，可能不适合 SIMD 计算。

在面向数据的设计中，我们编写以下代码：

struct ParticleAttribute {
    size_t size;
    size_t alignment;
    const char* semantic;
};

struct ParticleSystem {
    ParticleSystem(
        size_t numParticles,
        const ParticleAttribute* attributes,
        size_t bufferSize) {
        for (size_t i = 0; i < numAttributes; ++i) {
            bufferSize += attributes[i].size * numParticles;
            // Also add paddings to satisfy the alignment requirements.
        }
        particleBuffer = malloc(bufferSize); 
    }

    uint8* getAttribute(const char* semantic) {
        // Locate the semantic in attributes array.
        // Compute the offset to the starting address of that attribute.
    }

    uint8* particleBuffer;      
};

现在我们只有一个分配，每个属性都连续驻留在内存中。 为了模拟粒子，我们可以编写如下代码：

symplecticEuler(ps.getAttribute("positionX"), ps.getAttribute("velocityX"), dt);

getAttribute 函数将获取特定属性的起始地址。

问题

我想知道如何在 Rust 中实现这一点。

我的想法是首先创建一个名为ParticleSystem的类，它需要几个ParticleAttributes来计算总缓冲区大小， 然后为缓冲区分配内存。 我认为这可以在 Rust 安全代码中完成。

下一步是实现getAttribute函数，它 将返回对特定属性起始地址的引用。 我在这里需要你的帮助。 如何获取带有偏移量的原始地址并将其转换为所需的类型（例如 float*）并将该原始指针包装到 Rust 中的可变引用？

此外，我认为我应该将该原始指针包装到对数组的可变引用，因为我需要使用 SIMD 库通过该引用加载四个元素。 如何使用 Rust 实现这一点？

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更新：提供有关属性的更多信息。 属性的数量和详细信息在运行时确定。 属性的类型可以有所不同，但我认为我们只需要支持原始类型（f32、f64、ints、...）。

Answer 1

这是实现 DOD 的一种非常复杂的方式，使用运行时查找获取 getter 的想法让我畏缩不前。

简单的版本是简单地为每个属性分配一个内存：

struct Particles {
    x: Vec<f32>,
    y: Vec<f32>,
}

这需要事先知道属性。

那么就没有什么恶作剧了，他们只是坐在那里，已经打字，等着你。

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将其扩展到动态确定的属性并不复杂：

• 我们可以使用HashMap<String, xxx> 在运行时查找给定属性
• 我们可以使用enum 将单个Value 存储在可以采用多种形式的哈希映射中（另一种解决方案是使用特征）

这就变成了：

#[derive(Debug, Hash, PartialEq, Eq)]
enum Value {
    UniformInt(i64),
    UniformFloat32(f32),
    UniformFloat64(f64),
    DistinctInt(Vec<i64>),
    DistinctFloat32(Vec<f32>),
    DistinctFloat64(Vec<f64>),
}

struct Particles {
    store: HashMap<String, Value>,
}

我们也可以使用 6 个哈希映射...但是除非先验地知道类型是什么（当唯一的想法是字符串时），否则必须一次查看所有哈希映射：烦人，而且浪费时间。