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

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)，越來越沉醉于面向?qū)ο?#xff0c;熱衷于研究如何更加優(yōu)雅地抽象出對(duì)象。

然而現(xiàn)代開發(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）。

面向數(shù)據(jù)編程是什么？

先來一個(gè)簡(jiǎn)單的比較：
?

• 面向過程思想：考慮解決問題所需的各個(gè)步驟（函數(shù)）。
• 面向?qū)ο笏枷?#xff1a;考慮解決問題所需的各個(gè)模型（類）。
• 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。

CPU多級(jí)緩存（CPU cache）

在組裝電腦購買CPU的時(shí)候，不知道大家是否留意過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)來說，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訪問內(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訪問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題，CPU緩存則預(yù)先存儲(chǔ)好潛在可能會(huì)訪問的內(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)被訪問，那么在不久的將來它很可能再次被訪問。
• 空間局部性：如果某個(gè)數(shù)據(jù)被訪問，那么與它相鄰的數(shù)據(jù)很快也能被訪問。
• CPU多級(jí)緩存根據(jù)這兩個(gè)特點(diǎn)，一般存儲(chǔ)的是訪問過的數(shù)據(jù)+訪問數(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)存地址訪問。

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?#xff0c;包含了2種組件的指針）
?

class GameObject {

? ? //....GameObject的屬性

? ? Component1* m_component1;

? ? Component2* m_component2;

};

復(fù)制代碼

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/其它操作）的對(duì)象。

這個(gè)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相應(yīng)的每幀更新渲染代碼：
?

GameObject g[MAX_GAMEOBJECT_NUM];

for(int i = 0; i < GameObjectsNum; ++i) {

? ?? ?g[i].update();

? ?? ?g[i].draw();

? ?? ?if(g[i].componet1 != nullptr)g[i].componet1->update();

? ?? ?if(g[i].componet2 != nullptr)g[i].componet2->update();

}

復(fù)制代碼

而根據(jù)圖中可以看到，這種指來指去的結(jié)構(gòu)對(duì)CPU緩存極其不友好：為了訪問組件總是跳轉(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，這對(duì)CPU緩存命中沒有意義（因?yàn)橐ㄟ^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];

復(fù)制代碼

（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();

? ? g[i].draw();

}

for (int i = 0; i < Componet1Num; ++i) {

? ? a[i].update();

}

for (int i = 0; i < Componet2Num; ++i) {

? ? b[i].update();

}

復(fù)制代碼

2，這是一個(gè)簡(jiǎn)單的粒子系統(tǒng)：
?

const int MAX_PARTICLE_NUM = 3000;

//粒子類

class Particle {

private:

? ? bool active;

? ? Vec3 position;

? ? Vec3 velocity;

? ? //....其它粒子所需方法

};

Particle particles[MAX_PARTICLE_NUM];

int particleNum;

復(fù)制代碼

它使用了典型的lazy策略，二手QQ拍賣當(dāng)要?jiǎng)h除一個(gè)粒子時(shí)，只需改變active標(biāo)記，無需移動(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();

? ? }

}

復(fù)制代碼

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)際運(yùn)行批處理帶來的速度提升相比刪除的開銷多的非常多，這也是面向數(shù)據(jù)編程的奇妙之處。）
?

particles[i] = particles[particleNum];

particleNum--;

復(fù)制代碼

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();

}

復(fù)制代碼

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)類里，而沒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。
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• 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問的成員變量。
• 冷數(shù)據(jù)：比較少用的數(shù)據(jù)，我們一般以引用/指針來間接訪問（即存儲(chǔ)的是指針或者引用）。

一個(gè)栗子：對(duì)于人類來說，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;

? ? //....

};

復(fù)制代碼

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)編程的另類角度。

對(duì)多維數(shù)組的遍歷：int a[100][100];
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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];

復(fù)制代碼

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)，也就是說容易訪問到相鄰的內(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，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，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。

額外

面向數(shù)據(jù)編程可以說是對(duì)CPU優(yōu)化的一個(gè)重要思想。

但是在實(shí)際開發(fā)中，一定要注意不能忘記這個(gè)原則：

不要過早優(yōu)化！

面向數(shù)據(jù)編程說到底不是針對(duì)軟件需求的，而是針對(duì)CPU優(yōu)化的。

在游戲的迭代開發(fā)的后期，要是CPU性能出現(xiàn)瓶頸，才應(yīng)去考慮使用面向數(shù)據(jù)編程技巧。

與50位技術(shù)專家面對(duì)面20年技術(shù)見證，附贈(zèng)技術(shù)全景圖

總結(jié)

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

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