多线程下的网格生成及性能分析

前言

概述

• 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。

• 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：

• 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。

• 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。

• 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 face1, 2, 5, 5, 2, 6, // Right face4, 5, 6, 4, 6, 7, // Back face0, 7, 3, 0, 4, 7, // Left face0, 5, 4, 0, 1, 5, // Bottom face2, 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);}}
}

Task和Thread使用场景

https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI0MTU0ODQwMQ==&mid=2247485189&idx=1&sn=4f53f980da4de559c3bf7903b998bb0a&chksm=e908aa1bde7f230d59a2dba625123069c140eeac155791bcd7a093f68f4135e82afd133f837e&scene=27