游戏设计模式——面向数据编程思想

前言:随着软件需求的日益复杂发展,远古时期面的向过程编程思想才渐渐萌生了面向对象编程思想。

当人们发现面向对象在应对高层软件的种种好处时,越来越沉醉于面向对象,热衷于研究如何更加优雅地抽象出对象。

然而现代开发中渐渐发现面向对象编程层层抽象造成臃肿,导致运行效率降低,而这是性能要求高的游戏编程领域不想看到的。

于是现代游戏编程中,面向数据编程的思想越来越被接受(例如Unity2018更新的ECS框架就是一种面向数据思想的框架)。


面向数据编程是什么?

先来一个简单的比较:

  • 面向过程思想:考虑解决问题所需的各个步骤(函数)。
  • 面向对象思想:考虑解决问题所需的各个模型(类)。
  • 面向数据思想:考虑数据的存取及布局为核心思想(数据)。

那么所谓的考虑数据存储/布局是什么意思呢?先引入一个有关CPU处理数据的概念:CPU多级缓存。


CPU多级缓存(CPU cache)

在组装电脑购买CPU的时候,不知道大家是否留意过CPU的一个参数:N级缓存(N一般有1/2/3)

什么是CPU缓存:

  • 更详细来说,结构应该是:CPU<---->寄存器<---->CPU缓存<---->内存
  • 可以看到CPU缓存是介于内存和寄存器之间的一个存储区域,此外它存储空间比内存小,比寄存器大。

为什么需要CPU多级缓存:

  • CPU的运行频率太快了,而CPU访问内存的速度很慢,这样在处理器时钟周期内,CPU常常需要等待寄存器读取内存,浪费时间。
  • 而CPU访问CPU缓存则速度快很多。为了缓解CPU和内存之间速度的不匹配问题,CPU缓存则预先存储好潜在可能会访问的内存数据。

CPU多级缓存预先存的是什么:

  • 时间局部性:如果某个数据被访问,那么在不久的将来它很可能再次被访问。
  • 空间局部性:如果某个数据被访问,那么与它相邻的数据很快也能被访问。
  • CPU多级缓存根据这两个特点,一般存储的是访问过的数据+访问数据的相邻数据。

CPU缓存命中/未命中:

  • CPU把待处理的数据或已处理的数据存入缓存指定的地址中,如果即将要处理的数据已经存在此地址了,就叫作CPU缓存命中。
  • 如果CPU缓存未命中,就转到内存地址访问。

提高CPU缓存命中率

要尽可能提高CPU缓存命中率,就是要尽量让使用的数据连续在一起。

使用连续数组存储要批处理的对象

1,传统的组件模式,往往让游戏对象持有一个或多个组件的引用数据(指针数据)。

(一个典型的游戏对象类,包含了2种组件的指针)

class GameObject {
    //....GameObject的属性
    Component1* m_component1;
    Component2* m_component2;
};

下面一幅图显示了这种传统模式的结构:

一般的,游戏对象/组件往往是批处理操作较多(每帧更新/渲染/其它操作)的对象。

而在图中可以看到,这种指来指去的结构对CPU缓存极其不友好。

所以一个可行的办法是将他们都以连续数组形式存在。

注意是对象数组,而不是指针数组。如果是指针数组的话,这对CPU缓存命中没有意义(因为要通过指针跳转到不相邻的内存)。

GameObject g[MAX_GAMEOBJECT_NUM];
Component1 a[MAX_COMPONENT_NUM];
Component2 b[MAX_COMPONENT_NUM];

(连续数组存储能让下面的批处理中CPU缓存命中率较高)

for (int i = 0; i < GameObjectsNum; ++i) {
    g[i].update();
    g[i].draw();
}
for (int i = 0; i < Componet1Num; ++i) {
    a[i].update();
    a[i].draw();
}
for (int i = 0; i < Componet2Num; ++i) {
    b[i].update();
    b[i].draw();
}

2,这是一个简单的粒子系统:

const int MAX_PARTICLE_NUM = 3000;
//粒子类
class Particle {
private:
    bool active;
    Vec3 position;
    Vec3 velocity;
    //....其它粒子所需方法
};

Particle particles[MAX_PARTICLE_NUM];
int particleNum;

它使用了典型的lazy策略,当要删除一个粒子时,只需改变active标记,无需移动内存。

然后利用标记判断,每帧更新的时候可以略过删除掉的粒子。

当需要创建新粒子时,只需要找到第一个被删除掉的粒子,更改其属性即可。

for (int i = 0; i < particleNum; ++i) {
    if (particles[i].isActive()) {
        particles[i].update();
    }
}

表面上看这很科学,实际上这样做CPU缓存命中率不高:每次批处理CPU缓存都加载过很多不会用到的粒子数据(标记被删除的粒子)。

一个可行的方法是:当要删除粒子时,将队列尾的粒子内存复制到该粒子的位置,并记录减少后的粒子数量。

(移动内存(复制内存)操作是程序员最不想看到的,但是实际运行批处理带来的速度提升相比删除的开销多的非常多,这也是面向数据编程的奇妙之处。)

particles[i] = particles[particleNum];
particleNum--;

这样我们就可以保证在这个粒子批量更新操作中,CPU缓存总是能以高命中率击中。

for (int i = 0; i < particleNum; ++i) {
    particles[i].update();
}

冷数据/热数据分割

有人可能认为这样能最大程度利用CPU缓存:把一个对象所有要用的数据(包括组件数据)都塞进一个类里,而没有任何用指针或引用的形式间接存储数据。

实际上这个想法是错误的,我们不能忽视一个问题:CPU缓存的存储空间是有限的

于是我们希望CPU缓存存储的是经常使用的数据,而不是那些少用的数据。这就引入了冷数据/热数据分割的概念了。

热数据:经常要操作使用的数据,我们一般可以直接作为可直接访问的成员变量。

冷数据:比较少用的数据,我们一般以引用/指针来间接访问(即存储的是指针或者引用)。


一个栗子:对于人类来说,生命值位置速度都是经常需要操作的变量,是热数据;

而掉落物对象只有人类死亡的时候才需要用到,所以是冷数据;

class Human {
private:
    float health;
    float power;
    Vec3 position;
    Vec3 velocity;
    LootDrop* drop;
    //....
};

class LootDrop{
    Item[2] itemsToDrop;
    float chance;
    //....
};

额外

面向数据编程可以说是对CPU优化的一个重要思想。

但是在实际开发中,一定要注意不能忘记这个原则:

不要过早优化!

面向数据编程说到底不是针对软件需求的,而是针对CPU优化的。

在游戏的迭代开发的后期,要是CPU性能出现瓶颈,才应去考虑使用面向数据编程技巧。

原文地址:https://www.cnblogs.com/KillerAery/p/9685004.html

时间: 2024-10-07 01:48:03

游戏设计模式——面向数据编程思想的相关文章

游戏设计模式——面向数据编程(新)

目录 面向数据编程是什么? 单指令流多数据流(SIMD) 什么是SIMD 为什么需要SIMD 支持SIMD技术的指令集 使用SIMD编程 使用汇编内联 使用指令集库 使用ISPC语言 并行循环 避免Gather行为 CPU缓存(CPU cache) 什么是CPU缓存 为什么需要CPU缓存 CPU缓存预先存的是什么 CPU缓存命中/未命中 提高CPU缓存命中率 使用连续数组存储要批处理的对象 避免无效数据夹杂在连续内存区域 冷数据/热数据分割 频繁调用的函数尽可能不要做成虚函数 重新认识C++ S

什么是AOP面向切面编程思想

什么是AOP? 抽象:抽取特别像的东西. 如图,是一种横向的抽取,所以叫做面向切面. 下面两个图简单的体现了AOP的原理↓↓↓ 这种在运行时,动态地将代码切入到类的指定方法.指定位置上的编程思想就是面向切面的编程. AOP是Spring提供的关键特性之一.AOP即面向切面编程,是OOP编程的有效补充. 使用AOP技术,可以将一些系统性相关的编程工作,独立提取出来,独立实现,然后通过切面切入进系统. 从而避免了在业务逻辑的代码中混入很多的系统相关的逻辑——比如权限管理,事物管理,日志记录等等. 这

iOS-Swift 面向协议编程/组件化(模块化)编程思想

转载注明出处:http://blog.csdn.net/qxuewei/article/details/53945445 因为OC 的局限性, 使得iOS 开发组件化编程变得不可能,得益于面向对象语言的特性 (封装,继承,多态) 在我们熟悉的设计模式中渐渐形成统一的软件开发思想. 在抽取某些功能作为基类的不断运用中,代码的可移植性逐渐减弱. 就如同一棵树,从主干到各个分支,每个分支再长成细枝末叶.代码的耦合性也相应增加. 随着苹果 swift 语言的推出, 对于传统OC 语言取其精华,弃其糟粕.

面向数据可靠性存储系统设计思想探讨

存储系统的设计门槛是比较高的,和计算系统存在的最大区别在于存储系统所承载的是数据,一旦系统出现故障,不仅业务的连续性得不到保障,更为重要的是用户数据将会造成丢失.计算节点发生故障,最多造成业务连续性中断,这是与存储系统相比在可靠性要求方面最大的区别. 十几年前刚刚接触存储系统的研发,当时没有觉得存储有多复杂,不就是把数据按照一定规则存放在磁盘中,并且实现一定的功能,例如数据保护RAID.数据复制Replication.数据快照Snapshot以及文件系统嘛.感觉存储系统中最复杂的是各种功能,设计

淡扯javascript编程思想

一.面向对象-OOD   虽然js面向对象的编程思想已经老话常谈了,但了为了文章的完整性,我还是把它加了进来,尽量以不太一样的方式讲述(虽然也没什么卵不一样的). 1.面向对象,首先得有类的概念,没有类造不出来对象,但是javascript中又没有类 只有函数的感念,把以大写字母命名的函数看成创建对象的构造函数,把函数名看成类,那么就可以new一个对象了 //1.1 无参的 function People() { } var p = new People(); //javascript为解释性语

Java实战之03Spring-03Spring的核心之AOP(Aspect Oriented Programming 面向切面编程)

三.Spring的核心之AOP(Aspect Oriented Programming 面向切面编程) 1.AOP概念及原理 1.1.什么是AOP OOP:Object Oriented Programming面向对象编程 AOP:Aspect Oriented Programming面向切面编程 1.2.代理 充分理解:间接 主要作用:拦截被代理对象执行的方法,同时对方法进行增强. 1.2.1.静态代理 特点:代理类是一个真实存在的类.装饰者模式就是静态代理的一种体现形式. 1.2.2.动态代

JAVA编程思想导论(猜字谜游戏1.0)

一. 引言 本章将借用一个简易的猜字谜游戏,向读者简单介绍JAVA面向对象的部分知识以及实现思路. 二. 面向对象思想导论 为了了解什么是面向对象,我们需要解决以下几点问题(如图2.1所示): 面向对象是什么? 面向对象的特征(或者说表现形式). 为什么要面向对象(它与面向过程的区别). 面向对象该怎么做? 众所周知,计算机的编程语言是始于对机器的模仿,即以代码的形式控制机器完成人们希望所能达到的任务或者效果,故而所有编程语言都提供了抽象机制. 而这种抽象机制实际上可以这么认为——人们所能够解决

编程思想:面向对象和面向过程

感觉写的不够深入,不过基本可行,转载自:http://www.cnblogs.com/BeiGuo-FengGuang/p/5935763.html 何谓面向对象?何谓面向过程?对于这编程界的两大思想,一直贯穿在我们学习和工作当中.我们知道面向过程和面向对象,但要让我们讲出来个所以然,又感觉是不知从何说起,最后可能也只会说出一句就是那样啦,你知道啦.而这种茫然,其实就是对这两大编程思想的迷糊之处.本文通过学生到校报道注册的实例,阐述了面向过程和面向对象两大思想.希望能对你的学习和工作有所帮助.

设计模式剖析-面向模式编程

这是一篇不成形的论文,新项目开始了,先放水了.以前看设计模式相关的书籍,总是感觉记起来很吃力,当时理解了过后仍是忘记.康德在理性批评前言中有过大致如下的描述:如果我们做一件事情,一旦要达成目的,或是已经达成目的,却发现我们得推翻以前所有的建设而重新开始,对于这门学科,我们还远远没有找到一条可靠的道路.本文给出了设计模式的一个全新的分类视角,使记忆.理解都变得十分容易.我相信这是一条正确的道路.并提出了面向模式的程序设计概念.它融合了面向对象编程.泛型.面向方面编程.并为新模式的产生指明了道路.