Давайте по-порядку пойдем по вопросам.
- Создание каждый framerate нового потока - плохо по многим причинам, в комментариях к вашему вопросу уже на это указали.
- Оптимизированней сделать можно, но без кода функции
Engine3D::thread_stage_render
тяжело дать прям 100 % решение. Попытаюсь дать общие рекомендации по оптимизации и сопровожу пвесдо-кодом.
- По поводу update так сделать нельзя явно, да и не нужно смотритие пункты выше.
Теперь перейдем к оптимизации. Я не знаю ваш уровень знанией, поэтому постораюсь максимально подробнее, поэтому вы если что ниже знаете, то, пожалуйста, не думайте на свой счет, просто стараюсь максимально пояснить предложение, которое вам может помочь.
Я не знаю какой graphics Api вы используете, я знаком с OpenGL 3.3+ поэтому на основе его, сделаю предположения, думаю для DirectX 11/12 и Vulkan будут похожие вещи.
Предполгаю (что важно) вы в ваших потоках накладываете фильтры / подготавливаете буффер с пикселями или что-то еще. в любом случае вам нужно передать его конечный буффер графическому ускорителю. Подобные операции удобней делать на самом графическом устройстве в шейдерах в формате OpenGL 3.3 и выше вы можете писать вертексные, фрагментые, геометричесие шейдеры. Cначала делаются вертекстные, затем фрагментые, потом геометрические.
Детальнее почитайте цикл статей на learnopengl или перевод на хабре
Немного вводных:
Вертексный шейдер - работает с вершинами, нормалями и проствляет GL_Position для вершины, используя матрицы проекции, текущую матрицу отображения( куда смотриит) от камеры и матрицу входной модели, для которой сделан translate / scale / rotation.
Фрагметный шейдер - проставлятет цвет для каждой вершины, там обычно делают смешивание цветов, освещение, фильты и т.д, используя данные от вертексного шейдера
Геометрический шейдер - дополнительная работа с геометрий, мне кажется в вашем случае не так интересно, но в преденных ссылках там есть информация.
Пcевдокод:
/// получаем на вход позицию / нормаль / текстурную координату
const char* modelVertVertex = R"(
#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos;
layout (location = 1) in vec3 aNormal;
layout (location = 2) in vec2 aTexCoords;
// выходные данные для фрагметного шейдера
out vec2 TexCoords;
out vec3 surfaceNormal;
out vec3 toLightVector;
out float visibility;
uniform mat4 model; // матрица модели
uniform mat4 view; // матрица вида от камеры
uniform mat4 projection; // матрица проекции
uniform vec3 lightPosition;
uniform bool isFakeLight;
const float density = 0.0035;
const float gradient = 5;
/// проставляем gl_Position и подготавливаем данные для фрагметного шейдера
/// в данном примере работаем с освещением по алгоритму Phong'а
void main()
{
TexCoords = aTexCoords;
vec4 worldPosition = model * vec4(aPos, 1.0);
vec4 positionRelativeToCamera = view * worldPosition;
gl_Position = projection * positionRelativeToCamera;
vec3 actualNormal = aNormal;
if(isFakeLight == true) {
actualNormal = vec3(0.0, 1.0, 0.0);
}
surfaceNormal = (model * vec4(actualNormal, 0.0)).xyz;
toLightVector = lightPosition - worldPosition.xyz;
float distance = length(positionRelativeToCamera.xyz);
visibility = exp(-pow((distance*density), gradient));
visibility = clamp(visibility, 0.0, 1.0);
}
)";
const char* modelFragVertex = R"(
#version 330 core
/// конечные данные
out vec4 FragColor;
in vec2 TexCoords;
in vec3 surfaceNormal;
in vec3 toLightVector;
in float visibility;
uniform sampler2D textureSampler;
uniform vec3 lightColor;
uniform vec3 skyColour;
/// Здесь кроме освещения и цвета, делается туман (fog)
void main()
{
vec3 unitNormal = normalize(surfaceNormal);
vec3 unitLightVector = normalize(toLightVector);
float nDotl = dot(unitNormal, unitLightVector);
float brightness = max(nDotl, 0.2);
vec3 duffuse = brightness * lightColor;
vec4 textureColour = texture(textureSampler, TexCoords);
if(textureColour.a < 0.5) {
discard;
}
/// смешиваем цвета и отдаем
FragColor = vec4(duffuse, 1.0) * textureColour;
FragColor = mix(vec4(skyColour, 1.0), FragColor, visibility);
}
)";
struct VertexBuffer {};
struct IndexBuffer {};
struct VertexArray {
VertexBuffer vertexBuffer;
IndexBuffer indexBuffer;
};
#pragma pack(push, 1)
struct RenderVertex {
vec3f Position;
vec3f Normal;
vec2f TextureCoords;
};
#pragma pack(pop)
struct RenderBuffer {
unsigned int maxVerticesCount = 100000; /// максимальное количество вершин в буффере для одной отрисовки
unsigned int maxIndicesCount = maxVerticesCount;
VertexArray::Ptr vertexArray;
VertexBuffer::Ptr vertexBuffer;
RenderVertex* quadBuffer = nullptr;
RenderVertex* quadBufferPtr = nullptr;
};
struct Pixel {
float r, g, b, a;
}
//// Очень примитивная реализация, как пвесдокод показать логику работы, требует доработок. ////
struct ThreadSafePixelBuffer {
/// ctor / dtor ///
void addPixel(Pixel& pixel) {
std::lock_guard<std::mutex> lock{m_mutex};
m_pixels.emplace_back(pixel);
}
void setPixelBuffer(const std::vector<Pixel>& pixelBuffer) {
std::lock_guard<std::mutex> lock{m_mutex};
m_pixels = pixelBuffer;
}
void clear() {
std::lock_guard<std::mutex> lock{m_mutex};
m_pixels.clear();
}
/// именно const, так как мы иначе возможна модификация вектора без механизмов синхнонизации,
/// что приведет к основным проблемам многопоточки.
const std::vector<Pixel>& getPixels() const {
std::lock_guard<std::mutex> lock{m_mutex};
return m_pixels;
}
std::vector<Pixel> m_pixels;
mutable std::mutex m_mutex;
};
class OpenGLRender {
public:
~OpenGLRender() {
if(m_effectsThread.joinable())
m_effectsThread.join();
}
void setup(vec2u winSize);
void render(std::vector<GameObject>& objects);
private:
void effectsThread();
void setupGL();
void preRender(std::vector<GameObject>& objects);
private:
VertexArray m_vertexArray;
RenderBuffer renderBuffer;
std::thread m_effectsThread;
std::mutex m_mutex;
std::atomic_bool m_running = true;
std::condition_variable m_waitPixels;
ThreadSafePixelBuffer pixelBuffer;
}
void OpenGLRender::setup(vec2u winSize) {
m_winSize = winSize;
/// .vert = вершинный шейдер / .frag = фрагметный
m_shader.create(modelVertVertex, modelFragVertex);
setupGL();
m_effectsThread = std::thread(&OpenGLRender::effectsThread, this);
m_effectsThread.detach();
}
///////////// Основные моменты /////////////
OpenGLRender::effectsThread() {
/// выделяем buffer для работы ///
std::vector<Pixel> effectPixelBuffer{m_winSize.x * m_winSize.y};
while(m_running) {
std::unique_lock<std::mutex> lk(m_mutex);
// пока pixelBuffer пустой не тратим процессорное время и поток усыпляется / блокируется и mutex снимается.
m_waitPixels.wait(lk, [this] {
!pixelBuffer.empty();
});
const auto& pixels = pixelBuffer.getPixels();
/// что - то с ними делаем ///
effectPixelBuffer[0].r = pixels[0].r * 0.1;
effectPixelBuffer[0].g = pixels[0].g * pixels[1].g;
///
pixelBuffer.setPixelBuffer(effectPixelBuffer);
effectPixelBuffer.clear(); // если содержит актуальные данные только на 1 кадр
}
}
void OpenGLRender::setupGL() {
renderBuffer.vertexArray = VertexArray::Create();
//// если набралось в больше maxVerts отрисовавыем первые maxVerts за 1 первую отрисовку, и потом остаток
//// Данная система - часть BatchRender. Собираем вершины и разом отрисовываем
renderBuffer.vertexBuffer = VertexBuffer::Create(renderBuffer.maxVerticesCount);
delete[] bufferData;
/// вершинный шейдер первые строчки
vertexBuffer -> setAttributeLayout( {
{ElementType::Float3, "Position"},
{ElementType::Float3, "Normal Vector"},
{ElementType::Float2, "Texture Coords"},
});
IndexBuffer::Ptr indexBuffer = IndexBuffer::Create(indexBuffer,
renderBuffer.maxIndicesCount * sizeof(uint32_t));
delete[] indexBuffer;
renderBuffer.vertexArray -> setVertexBuffer(vertexBuffer);
renderBuffer.vertexArray -> setIndexBuffer(indexBuffer);
renderBuffer.vertexArray -> unBind();
projecton = calcProjectionMatrix(FOV, m_winSize, zNear, zFar);
m_shader.setMatrix("model", projection.getMatrix());
}
void OpenGLRender::preRender(std::vector<GameObject>& objects) {
m_shader.setMatrix("view", m_camera.getViewMatrix());
//// Подготавливаем buffer для отрисовки ///
/// смещаем на начало для рассчитвания сколько байт надо добавить
renderBuffer.quadBufferPtr = renderBuffer.quadBuffer;
/// cмещаем renderBuffer.quadBufferPtr
for(auto& it: objects)
renderBuffer.addRenderVertices(it.getRenderVertices());
auto size = uint32_t((uint8_t *) renderBuffer.quadBufferPtr
- (uint8_t *) renderBuffer.quadBuffer);
renderBuffer.vertexBuffer -> setData(renderBuffer.quadBuffer, size);
/// под капотом - самое важное сейчас !!!! ///
/ glBufferSubData(GL_ARRAY_BUFFER, 0, size, data); / добавляем данные для отрисовки на графический ускоритель.
glBufferSubData - тяжелая операция, поэтому и страемся сразу отдать что нам надо и сколько.
//// под капотом - самое важное сейчас !!!!
/// прокидваем данные в шейдер
m_shader.set("lightColor", vec3f{0.4, 0.3, 0.2});
m_shader.set("skyColour", vec3f{0.4, 0.3, 0.2});
m_shader.set("lightPosition", vec3f{1000, 20, -30});
m_shader.set("isFakeLight", false);
/// прокидваем данные в шейдер
std::vector pixels;
/// читаем текущий Buffer
glReadPixels(&pixels[0], m_winSize.x, m_winSize.y);
pixelBuffer.setPixelBuffer(pixels);
}
void OpenGLRender::render(std::vector<GameObject>& objects) {
preRender(objects);
renderBuffer.vertexArray -> Bind();
/// Так же тяжелая операция, поэтому страемся делать минимальное кол-во раз.
/// для понимая на мощнлой машине отрисовка 1000 раз 1000 различных объектов уже просаживает fps до минимума.
glDrawElements(GL_TRIANGLES,
static_cast<GLsizei>(m_renderBuffer.indexCount),
GL_UNSIGNED_INT,
nullptr);
renderBuffer.vertexArray -> unBind();
/// для данной отрисовки - все :)
pixelBuffer.clear();
}
///////////// Основные моменты /////////////
class Application {
public:
/// ctor / dtor ///
void run();
private:
void setup();
void handleOSEvents();
void update(float deltaTime);
void render();
private:
Window m_window;
OpenGLRender m_render;
std::vector<GameObject> m_objects;
};
void Application::setup() {
m_render.setup(m_window.getSize());
}
void Application::run() {
setup();
Clock clock;
constexpr int maxFrames = 60;
constexpr float frameTime = 1.F / static_cast<float>(maxFrames);
float processedTime = 0.F;
while(window.isOpen) {
float elapsedTime = clock.getElapsedTime();
processedTime += elapsedTime;
while(processedTime >= frameTime) {
handleOSEvents();
update(frameTime);
}
render();
}
}
void Application::handleOSEvents() {
OSEvent event{};
while(m_window.pollEvents(event)) {
if(event.type == OSEvent::KeyPressed && event.key.code == OS::Keyboard::Esc)
window.close();
/// Keyboard / Mouse events
}
}
void Application::update(float deltaTime) {
/// update GameObjects using deltaTime ///
for(auto& it:m_objects)
it.update(deltaTime);
}
Application::render() {
m_window.clear(Colors::Blue);
m_render.render(m_objects);
m_window.swapBuffers() // переставляем передний / задний buffer
}
int main() {
Application app{vec2u{1024, 512}, "MyGame"};
try {
app.run();
}
catch(const std::exception& exception) {
std::cerr << "Exception thrown:" << exception.what() << "\n";
return -1;
}
return 0;
}
По поводу псевдокода, обратите внимание так как передача данных на граф. ускоритель тяжелая и долгая операция, OpenGLRender
старается за 1 раз отдать новые данные и отрисовать. Так же стоит обратить что время кадра ограниченно для 60 fps время кадра 16 миллисекунд, за это время надо все сделать, а лучше с запасом. В вашем коде, вы каждый кадр создается n потоков, делаете работу, и ждете пока они выполнится, то есть в лучшем случае выигрыш в многопотчке - если ваш алгоритм очень быстрый, но так же не стоит забывать, что вам нужно вернуть buffer на тот где поток где у вас создан графический контектс, в рамках OpenGL точно, что если вы создали графический контекст, буфферы и т.д условно на главном потоке, то вам надо и рисовать на главном потоке. А так же между потоками вы должны "защищать" pixelbuffer и вам нужно использовать примиты синхронизации, также чем больше потоков, тем больше шанс или получить проблемы многопоточки(race condition, deadlock) и т.д, если не правильно что-то сделать и скорость выполнения может быть даже хуже одного потока.
Мое предложение создать 1 доп. поток если он реально нужен для каких-то операций, которые нельзя сделать в шейдерах по принципу как сделано в OpenGLRender::effectsThread()
и использовать ThreadSafePixelBuffer
для передачи данных, отдельный поток крутится и делает свою работу, только когда получил новые даннные, в моей примере когда не пустой ( обращу сразу внимание, что код примерочный, не боевой и там много моментов, которые надо доработать), а остальное время не ест процессорное время блокируяюсь / спя и разблокируя mutex и раз поток крутится постоянно, вы можете выбирать время когда заполнить данные для каких-то действий и вполне может быть, что к моменту отрисковки он уже готов и вы просто тратите время на передачу на граф. ускоритель.
P.S по параллельные вычисления и многопоточку советую вам книгу Энтони Уильямса.
P.S.S: ваш бы код хотя бы к такому привести
///
constexpr int threadNum = 8; // constexpr C++11
std::thread threadArr[threadNum];
/// Render.cpp
if (page == 1) {
for (int i = 0; i < threads_num; i++) {
threadArr[i] = thread(&Engine3D::thread_stage_render, this, rx / threads_num * i, rx / threads_num *(i+1), threads_num, alpha);
if(threadArr[i].joinable())
threadArr[i].join();
}
return pixels;
}