注：面向數(shù)據(jù)編程文章已更新成markdown形式，并添加修改了一些內(nèi)容，而本文則作為舊文不再更新維護(hù)。

最新版博文如下：

【游戲設(shè)計(jì)模式——面向數(shù)據(jù)編程（新）】 https://www.cnblogs.com/KillerAery/p/11746639.html

前言：隨著軟件需求的日益復(fù)雜發(fā)展，遠(yuǎn)古時(shí)期面的向過(guò)程編程思想才漸漸萌生了面向?qū)ο缶幊趟枷搿?/p>

當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)面向?qū)ο笤趹?yīng)對(duì)高層軟件的種種好處時(shí)，越來(lái)越沉醉于面向?qū)ο螅瑹嶂杂谘芯咳绾胃觾?yōu)雅地抽象出對(duì)象。

然而現(xiàn)代開(kāi)發(fā)中漸漸發(fā)現(xiàn)面向?qū)ο缶幊虒訉映橄笤斐捎纺[，導(dǎo)致運(yùn)行效率降低，而這是性能要求高的游戲編程領(lǐng)域不想看到的。

于是現(xiàn)代游戲編程中，面向數(shù)據(jù)編程的思想越來(lái)越被接受（例如Unity2018更新的ECS框架就是一種面向數(shù)據(jù)思想的框架）。

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面向數(shù)據(jù)編程是什么？

先來(lái)一個(gè)簡(jiǎn)單的比較：

面向過(guò)程思想：考慮解決問(wèn)題所需的各個(gè)步驟（函數(shù)）。
面向?qū)ο笏枷耄嚎紤]解決問(wèn)題所需的各個(gè)模型（類(lèi)）。
面向數(shù)據(jù)思想：考慮數(shù)據(jù)的存取及布局為核心思想（數(shù)據(jù)）。

那么所謂的考慮數(shù)據(jù)存儲(chǔ)/布局是什么意思呢？

先引入一個(gè)有關(guān)CPU處理數(shù)據(jù)的概念：CPU多級(jí)緩存。

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CPU多級(jí)緩存（CPU cache）

在組裝電腦購(gòu)買(mǎi)CPU的時(shí)候，不知道大家是否留意過(guò)CPU的一個(gè)參數(shù)：N級(jí)緩存（N一般有1/2/3）

什么是CPU緩存：

更詳細(xì)來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)應(yīng)該是：CPU<---->寄存器<---->CPU緩存<---->內(nèi)存
可以看到CPU緩存是介于內(nèi)存和寄存器之間的一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域，此外它存儲(chǔ)空間比內(nèi)存小，比寄存器大。

為什么需要CPU多級(jí)緩存:

CPU的運(yùn)行頻率太快了，而CPU訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)存的速度很慢，這樣在處理器時(shí)鐘周期內(nèi)，CPU常常需要等待寄存器讀取內(nèi)存，浪費(fèi)時(shí)間。
而CPU訪(fǎng)問(wèn)CPU緩存則速度快很多。為了緩解CPU和內(nèi)存之間速度的不匹配問(wèn)題，CPU緩存則預(yù)先存儲(chǔ)好潛在可能會(huì)訪(fǎng)問(wèn)的內(nèi)存數(shù)據(jù)。

CPU多級(jí)緩存預(yù)先存的是什么：

時(shí)間局部性：如果某個(gè)數(shù)據(jù)被訪(fǎng)問(wèn)，那么在不久的將來(lái)它很可能再次被訪(fǎng)問(wèn)。
空間局部性：如果某個(gè)數(shù)據(jù)被訪(fǎng)問(wèn)，那么與它相鄰的數(shù)據(jù)很快也能被訪(fǎng)問(wèn)。
CPU多級(jí)緩存根據(jù)這兩個(gè)特點(diǎn)，一般存儲(chǔ)的是訪(fǎng)問(wèn)過(guò)的數(shù)據(jù)+訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)的相鄰數(shù)據(jù)。

CPU緩存命中/未命中：

CPU把待處理的數(shù)據(jù)或已處理的數(shù)據(jù)存入緩存指定的地址中，如果即將要處理的數(shù)據(jù)已經(jīng)存在此地址了，就叫作CPU緩存命中。
如果CPU緩存未命中，就轉(zhuǎn)到內(nèi)存地址訪(fǎng)問(wèn)。

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提高CPU緩存命中率

要盡可能提高CPU緩存命中率，就是要盡量讓使用的數(shù)據(jù)連續(xù)在一起。

由于面向數(shù)據(jù)編程技巧很多，本文篇幅有限，只介紹部分。

使用連續(xù)數(shù)組存儲(chǔ)要批處理的對(duì)象

1，傳統(tǒng)的組件模式，往往讓游戲?qū)ο蟪钟幸粋€(gè)或多個(gè)組件的引用數(shù)據(jù)（指針數(shù)據(jù)）。

（一個(gè)典型的游戲?qū)ο箢?lèi)，包含了2種組件的指針）

class GameObject {
    //....GameObject的屬性
    Component1* m_component1;
    Component2* m_component2;
};

下面一幅圖顯示了這種傳統(tǒng)模式的結(jié)構(gòu)：

游戲?qū)ο?組件往往是批處理操作較多（每幀更新/渲染/或其他操作）的對(duì)象。

這個(gè)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相應(yīng)的每幀更新代碼：

GameObject g[MAX_GAMEOBJECT_NUM];

for(int i = 0; i < GameObjectsNum; ++i) {
      g[i].update();
      if(g[i].componet1 != nullptr)g[i].componet1->update();
      if(g[i].componet2 != nullptr)g[i].componet2->update();
}

而根據(jù)圖中可以看到，這種指來(lái)指去的結(jié)構(gòu)對(duì)CPU緩存極其不友好：為了訪(fǎng)問(wèn)組件總是跳轉(zhuǎn)到不相鄰的內(nèi)存。

倘若游戲?qū)ο蠛徒M件的更新順序不影響游戲邏輯，則一個(gè)可行的辦法是將他們都以連續(xù)數(shù)組形式存在。

注意是對(duì)象數(shù)組，而不是指針數(shù)組。如果是指針數(shù)組的話(huà)，這對(duì)CPU緩存命中沒(méi)有意義（因?yàn)橐ㄟ^(guò)指針跳轉(zhuǎn)到不相鄰的內(nèi)存）。

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

（連續(xù)數(shù)組存儲(chǔ)能讓下面的批處理中CPU緩存命中率較高）

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

2，這是一個(gè)簡(jiǎn)單的粒子系統(tǒng)：

const int MAX_PARTICLE_NUM = 3000;
//粒子類(lèi)
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，當(dāng)要?jiǎng)h除一個(gè)粒子時(shí)，只需改變active標(biāo)記，無(wú)需移動(dòng)內(nèi)存。

然后利用標(biāo)記判斷，每幀更新的時(shí)候可以略過(guò)刪除掉的粒子。

當(dāng)需要?jiǎng)?chuàng)建新粒子時(shí)，只需要找到第一個(gè)被刪除掉的粒子，更改其屬性即可。

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

表面上看這很科學(xué)，實(shí)際上這樣做CPU緩存命中率不高：每次批處理CPU緩存都加載過(guò)很多不會(huì)用到的粒子數(shù)據(jù)（標(biāo)記被刪除的粒子）。

一個(gè)可行的方法是：當(dāng)要?jiǎng)h除粒子時(shí)，將隊(duì)列尾的粒子內(nèi)存復(fù)制到該粒子的位置，并記錄減少后的粒子數(shù)量。

（移動(dòng)內(nèi)存（復(fù)制內(nèi)存）操作是程序員最不想看到的，但是實(shí)際執(zhí)行批處理帶來(lái)的速度提升相比刪除的開(kāi)銷(xiāo)多的非常多，除非你移動(dòng)的內(nèi)存對(duì)象大小實(shí)在大到令人發(fā)指）

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

這樣我們就可以保證在這個(gè)粒子批量更新操作中，CPU緩存總是能以高命中率擊中。

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

冷數(shù)據(jù)/熱數(shù)據(jù)分割

有人可能認(rèn)為這樣能最大程度利用CPU緩存：把一個(gè)對(duì)象所有要用的數(shù)據(jù)（包括組件數(shù)據(jù)）都塞進(jìn)一個(gè)類(lèi)里，而沒(méi)有任何用指針或引用的形式間接存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

實(shí)際上這個(gè)想法是錯(cuò)誤的，我們不能忽視一個(gè)問(wèn)題：CPU緩存的存儲(chǔ)空間是有限的

于是我們希望CPU緩存存儲(chǔ)的是經(jīng)常使用的數(shù)據(jù)，而不是那些少用的數(shù)據(jù)。這就引入了冷數(shù)據(jù)/熱數(shù)據(jù)分割的概念了。

熱數(shù)據(jù)：經(jīng)常要操作使用的數(shù)據(jù)，我們一般可以直接作為可直接訪(fǎng)問(wèn)的成員變量。

冷數(shù)據(jù)：比較少用的數(shù)據(jù)，我們一般以引用/指針來(lái)間接訪(fǎng)問(wèn)（即存儲(chǔ)的是指針或者引用）。

一個(gè)栗子：對(duì)于人類(lèi)來(lái)說(shuō)，生命值位置速度都是經(jīng)常需要操作的變量，是熱數(shù)據(jù)；

而掉落物對(duì)象只有人類(lèi)死亡的時(shí)候才需要用到，所以是冷數(shù)據(jù)；

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

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

頻繁調(diào)用的函數(shù)盡可能不要做成虛函數(shù)

C++的虛函數(shù)機(jī)制，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)是兩次地址跳轉(zhuǎn)的函數(shù)調(diào)用，這對(duì)CPU緩存十分不友好，往往命中失敗。

實(shí)際上虛函數(shù)可以?xún)?yōu)雅解決很多面向?qū)ο蟮膯?wèn)題，然而在游戲程序如果有很多虛函數(shù)都要頻繁調(diào)用（例如每幀調(diào)用），很容易引發(fā)性能問(wèn)題。

解決方法是，把這些頻繁調(diào)用的虛函數(shù)盡可能去除virtual特性（即做成普通成員函數(shù)），并避免調(diào)用基類(lèi)對(duì)象的成員函數(shù)，代價(jià)是這樣一改得改很多與之牽連代碼。

所以最好一開(kāi)始設(shè)計(jì)程序時(shí)，需要先想好哪些最好不要寫(xiě)成virtual函數(shù)。

這實(shí)際上就是在優(yōu)雅與性能之間尋求一個(gè)平衡。

更多小細(xì)節(jié)（不常用）

面向數(shù)據(jù)編程還有更多小細(xì)節(jié)，但是這些都不常用，就只作為一種思考面向數(shù)據(jù)編程的另類(lèi)角度。

對(duì)多維數(shù)組的遍歷：int a[100][100];

for(int x=0;x<100;++x)
for(int y=0;y<100;++y)
a[x][y];

for(int y=0;y<100;++y)
for(int x=0;x<100;++x)
a[x][y];

內(nèi)循環(huán)應(yīng)該是對(duì)x遞增還是對(duì)y遞增比較快？答案是：對(duì)y遞增比較快。

因?yàn)閷?duì) y 的遞增，結(jié)果是一個(gè)int大小的跳轉(zhuǎn)，也就是說(shuō)容易訪(fǎng)問(wèn)到相鄰的內(nèi)存，即容易擊中CPU緩存。

而對(duì) x 的遞增，結(jié)果是100個(gè)int大小的跳轉(zhuǎn)，不容易擊中CPU。

而內(nèi)循環(huán)如果是y的話(huà)，那么就能內(nèi)外循環(huán)總共遞增100*100次y。

但內(nèi)循環(huán)如果是x的話(huà)，那么就內(nèi)外循環(huán)總共只能遞增100次y，相比上者，CPU擊中比較少。

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額外

該更新一下我對(duì)面向?qū)ο蠛兔嫦驍?shù)據(jù)的看法：

先說(shuō)結(jié)論：應(yīng)該兼有。因?yàn)橛螒虺绦蚴且粋€(gè)既需要高性能又復(fù)雜的工程。

使用面向?qū)ο蟮挠螒虺绦蛐率郑３＞陀幸粋€(gè)問(wèn)題：過(guò)度設(shè)計(jì)/過(guò)度抽象，什么都想用設(shè)計(jì)模式封裝一下抽象一下。

這就很容易導(dǎo)致一些過(guò)度設(shè)計(jì)/過(guò)度抽象導(dǎo)致游戲性能太差。

博主現(xiàn)在的項(xiàng)目風(fēng)格都比較偏向面向數(shù)據(jù)思想，盡量減少虛函數(shù)的使用，多利用數(shù)據(jù)組合成對(duì)象，而不是重寫(xiě)各種基類(lèi)虛函數(shù)。

對(duì)于一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的考量，也盡量偏多使用連續(xù)存儲(chǔ)的結(jié)構(gòu)（例如數(shù)組）。

如何兼有兩種思想，這種玄學(xué)的問(wèn)題可能得靠自己去感悟，多嘗試和測(cè)試性能差別。

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游戲設(shè)計(jì)模式系列-其他文章：

https://www.cnblogs.com/KillerAery/category/1307176.html

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的游戏设计模式——面向数据编程的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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