3

Такая проблема: есть игра просчитывающая графику в режиме реального времени. У просчета есть 2 стадии - подготовка к рендеру и сам рендер. Я распараллелил программу на 8 потоков. То есть каждый framerate программа создает 8 потоков для подготовки рендера, выполняет их одновременно и join-нит. Затем тоже самое с рендером. Вот пример кода отвечающий за потоки рендера: (С подготовкой к нему абсолютно тоже самое)

        int i;
        threads_ = new thread[threads_num];
        if (page ==  1) {
            
            for (i = 0; i < threads_num; i++) {
                threads_[i] = thread(&Engine3D::thread_stage_render, this, rx/ threads_num *i, rx/ threads_num *(i+1), threads_num, alpha);
            }
            for (i = 0; i < threads_num; i++) {
                threads_[i].join();
            }
            return pixels;
            
        }

Корректно ли такое создание потоков каждый frame-rate и из завершение. И можно ли сделать как-то по-оптимизированее? Заранее спасибо! P.S. Я начал изучать C++ только ради этой игры и я переписал её с Python, поэтому строго не судите

UPD: Может нужен перезапуск потока с теми же параметрами без его переинициализации, но можно ли такое вообще как-то сделать с Thread?

7
  • Для чего несколько потоков? Подготовка к тендеру и рендер настолько тяжелы, чтобы все делать в 1?
    – TheRyuTeam
    31 окт 2022 в 15:18
  • @TheRyuTeam, да у меня разрешение игры 1024 на 512
    – FotonPC
    31 окт 2022 в 15:20
  • 3
    " создает 8 потоков для подготовки рендера, выполняет их одновременно и join-нит" - Это чудовищно тяжелая операция. Потоки следует создавать только один раз при старте приложения. Поток рендера обычно имеет смысл иметь только один. 31 окт 2022 в 15:43
  • @user7860670, попробовал как вы сказали - производительность более чем в 2 раза упала
    – FotonPC
    31 окт 2022 в 16:28
  • @FotonPC тогда в подтверждение приводите минимальный воспроизводимый пример, телепаты же все в отпуске 31 окт 2022 в 16:30

1 ответ 1

1

Давайте по-порядку пойдем по вопросам.

  1. Создание каждый framerate нового потока - плохо по многим причинам, в комментариях к вашему вопросу уже на это указали.
  2. 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.
  3. 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;
}

Ваш ответ

By clicking “Отправить ответ”, you agree to our terms of service and acknowledge that you have read and understand our privacy policy and code of conduct.

Всё ещё ищете ответ? Посмотрите другие вопросы с метками или задайте свой вопрос.