【Unity】多线程下的网格生成及性能分析
前言
概述
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通过多线程方式实现上千个对象的网格生成，并观察运行效率。
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多线程通过Thread来进行，每个线程中执行GenerateMeshData方法，在方法中对不同种类的网格进行顶点和三角面序列的计算。首先设置简单立方体，之后改为柏林噪声下生成的复杂地形。
主线程限制
Unity设计之初就是依靠单线程执行所有对象的生命周期的，所以有些地方无法支持多线程，此处大致进行举例：
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Unity API调用：许多Unity的功能和API只能在主线程上调用，例如实例化、销毁、修改游戏对象、修改组件属性等。
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渲染相关操作：与渲染相关的操作，例如修改材质、设置渲染目标、更新纹理等，通常需要在主线程上执行。
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用户界面操作：与用户界面相关的操作，例如处理输入事件、更新UI元素等，也需要在主线程上执行。
因为这篇文章中，需要对网格进行生成，所以会通过mesh.vertices和mesh.triangles进行赋值，然而mesh的获取也是必须在主线程下进行的，所以每个线程中执行的GenerateMeshData方法实际上是计算所有顶点，存放到公共数组中。最后到主线程中，再对每个网格进行点和三角形的赋值，并对所有的网格进行合批，通过一个MeshRenderer来显示（见实现思路图）
运行效果
实现过程
实现思路
完整代码
using System.Collections.Generic;
using System.Diagnostics;
using System.Threading;
using UnityEngine;
public class MeshGeneratorMultiThreading : MonoBehaviour
{
public int numThreads = 4;
private List<Thread> threads;
private List<Mesh> meshes;
private MeshFilter meshFilter;
private List<Vector3[]> verticesList;
private List<int[]> trianglesList;
private Stopwatch stopwatch;
private string elapsedTime;
private void Start()
{
stopwatch = new Stopwatch();
stopwatch.Start();
threads = new List<Thread>(numThreads);
meshes = new List<Mesh>(numThreads);
verticesList = new List<Vector3[]>(numThreads);
trianglesList = new List<int[]>(numThreads);
meshFilter = GetComponent<MeshFilter>();
meshFilter.mesh = new Mesh();
// 创建多个线程，开始计算生成网格数据
for (int i = 0; i < numThreads; i++)
{
meshes.Add(new Mesh());
int threadIndex = i;
Thread thread = new Thread(() => { GenerateMeshData(threadIndex); });
threads.Add(thread);
thread.Start();
}
// 阻塞等待所有的网格数据计算完成
foreach (Thread thread in threads)
{
thread.Join();
}
// 计算完成后应用于所有网格
for (int i = 0; i < numThreads; i++)
{
meshes[i].vertices = verticesList[i];
meshes[i].triangles = trianglesList[i];
}
// 合并
CombineMeshes();
stopwatch.Stop();
elapsedTime = $"Elapsed time: {stopwatch.Elapsed.TotalSeconds} seconds";
}
private void GenerateMeshData(int threadIndex)
{
//生成立方体网格
var (vs, ts) = GenerateCubeMeshData(threadIndex);
// 将生成的网格数据添加到列表中
lock (verticesList)
{
verticesList.Add(vs);
trianglesList.Add(ts);
}
}
private (Vector3[] vertices, int[] triangles) GenerateCubeMeshData(int threadIndex)
{
Vector3[] vertices = new Vector3[8];
vertices[0] = new Vector3(-1, -1, -1);
vertices[1] = new Vector3(1, -1, -1);
vertices[2] = new Vector3(1, 1, -1);
vertices[3] = new Vector3(-1, 1, -1);
vertices[4] = new Vector3(-1, -1, 1);
vertices[5] = new Vector3(1, -1, 1);
vertices[6] = new Vector3(1, 1, 1);
vertices[7] = new Vector3(-1, 1, 1);
int sqrThreadNum = (int)Mathf.Sqrt(numThreads);
for (var i = 0; i < vertices.Length; i++)
{
vertices[i] += new Vector3((threadIndex / sqrThreadNum) * 3, (threadIndex % sqrThreadNum) * 3, 0);
}
int[] triangles = new int[36]
{
0, 2, 1, 0, 3, 2, // Front face
1, 2, 5, 5, 2, 6, // Right face
4, 5, 6, 4, 6, 7, // Back face
0, 7, 3, 0, 4, 7, // Left face
0, 5, 4, 0, 1, 5, // Bottom face
2, 3, 6, 6, 3, 7 // Top face
};
return (vertices, triangles);
}
private void CombineMeshes()
{
// 合并所有生成的网格
CombineInstance[] combine = new CombineInstance[meshes.Count];
for (int i = 0; i < meshes.Count; i++)
{
combine[i].mesh = meshes[i];
combine[i].transform = Matrix4x4.identity;
}
meshFilter.mesh.CombineMeshes(combine, true, true);
}
private void OnGUI()
{
GUI.Label(new Rect(10, 10, 500, 20), elapsedTime);
}
}
性能对比
通过StopWatch记录运行时间，分为多种对比情况：
（1）一个线程只绘制一个立方体，总共绘制6400个立方
多线程下，花费1.3s； 单线程下花费0.03s。反而多线程花费的更多了，因为开了6400个线程，线程开启的开销远远大于每个线程计算所花费的开销。
（2）一个线程只绘制一片地形（1000*1000 Unit），总共绘制100个地形
多线程下，花费3.4s； 单线程下花费8.9s。这里可以看出差距，但是差距只有常数倍。
这是正常的，原因分析：
理想情况下，N核CPU在多线程下的效率应该是 1/N，N本身就是常数，所以差距是常数倍也是正常的。
但是我的电脑是8核的，为什么结果比8要小很多。因为通常情况下，线程数都是大于CPU核心数的，那一个核心就会（并发）处理多个线程，每个线程在切换的时候就要同时保存加载上下文，这是主要耗时的地方。
注：由于Unity的一个Mesh最多只支持65000个顶点，所以（2）未对网格进行设置、合批和渲染。
其他
MainThreadDispatcher（在子线程中将方法发送到主线程执行）
概述
编写过程中，写了一些其他的脚本，最终虽未用到，但是还是记录下来。MainThreadDispatcher主要是用于在子线程中能够方便调用主线程代码的（Unity API等）。
但是，都知道子线程是无法调用大多Unity API的，所以只能寻求别的方法。这里就是将这些方法作为委托对象存放到一个队列中，等待MainThreadDispatcher的主线程的Update生命周期时，对这些委托进行执行。
完整代码
using System.Collections.Generic;
using System.Threading;
using UnityEngine;
namespace JimDevPack.Common.MultiThread
{
public class MainThreadDispatcher : MonoBehaviour
{
private static MainThreadDispatcher instance;
private static readonly Queue<System.Action> actions = new Queue<System.Action>();
// 运行开始时，就执行的方法
[RuntimeInitializeOnLoadMethod]
private static void Initialize()
{
if (instance == null)
{
GameObject dispatcherObject = new GameObject("MainThreadDispatcher");
instance = dispatcherObject.AddComponent<MainThreadDispatcher>();
DontDestroyOnLoad(dispatcherObject);
}
}
void Update()
{
while (actions.Count > 0)
{
actions.Dequeue()?.Invoke();
}
}
public static void RunOnMainThread(System.Action action)
{
if (action == null)
{
throw new System.ArgumentNullException(nameof(action));
}
actions.Enqueue(action);
}
}
}
浙公网安备 33010602011771号