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Unity ECS：C# Job System

Job system

Job system解决了什么问题

  • unity是支持多线程的，虽然有些缺陷。但是我们在代码里面编写大量的线程，即使使用thread pool也无法避免上下文切换的问题。而Job System本质上还是线程(wrok thread)，只不过它的工作线程的数量和CPU逻辑上的核数量一致，这样就避免了上下文切换。

Job System如何工作

  • 在这个系统中真正发挥作用的是job单元，它类似方法的调用，包含了参数和数据。job被填入Job Queue中，然后work thread负责调用它。
  • job system中有dependency（依赖）的概念，如果job A依赖于job B，那么系统会保证B在A执行前完成。
  • job system不是现存的任何C#线程模型中的一种。
  • 它被集成在引擎内部，这意味着我们开发者所编写的代码会让unity引擎共享work thread，这样才能避免对于CPU的竟态使用。
  • PS: 我很怀疑是否代码写的很糟糕的情况下，会影响引擎本身的效率。

Job System如何避免竟态

  • 我觉得文档想描述的很大程度上是数据原子性的问题
  • job system会检查所有潜在的竟态。
  • 让所有的job操作同一份数据拷贝
  • job只能访问blittable data(这种数据在托管和非托管中具有相同的内存结构)，而不是managed types。
  • 鉴于上面提到的数据拷贝的就行，为了解决现实世界复杂的问题，提供了NativeContainers：
    • 类型包括：NativeArray, NativeList, NativeHashMap, and NativeQueue.
    • 这些类型能够被unity追踪，谁在读写它们。比如两个job同时写入时需要使用Schedule来安排执行顺序，安全系统会抛出一个明确的异常来说明这些。
    • 多个job同时读取一个数据时是并发的
    • 读写的限制同样适用于main thread
    • 一些container有特殊的规则，以便适应来自ParallelFor jobs的安全、明确的写入访问。比如NativeHashMap.Concurrent允许使用IJobParallelFor并发的添加item。

调度job

  • job system依赖blittable data和NativeContainer

  • 实现步骤：

    • 定一个实现了IJob接口的struct
    • 创建struct对象，填充数据，调用Schedule方法。
    • 调用方法后得到一个job handle对象。它可以做为其它job的依赖对象；也可以等待它完成工作。如果说需要在主线程访问传入job的NativeContainer，那就等待这个handle完成。这部分具体看代码比较好理解。
    • 需要注意的是在主线程想要访问NativeContainers数据之前，需要让所有的 job依赖都完成，此时只用JobHandle.IsDone来判断是不够的，需要手动调用 JobHandle.Complete方法。Complete方法还会清空jobs debugger中的状态。
    • 如果每一帧都调用一个新的job，这个job还依赖于上一帧的job的话，会出现内存泄漏。

  • 从下面的代码可以看出，一个job就是一个实现了IJob的struct。

  • 定义struct：

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// Job adding two floating point values together
public struct MyJob : IJob
{
    public float a;
    public float b;
    NativeArray<float> result;
    public void Execute()
    {
        result[0] = a + b;
    }
}

public struct AddOneJob : IJob
{
    public NativeArray<float> result;
    public void Execute()
    {
        result[0] = result[0] + 1;
    }
}
  • 创建单个job实例，进行调用：
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// Create a native array of a single float to store the result in. This example will wait for the job to complete, which means we can use Allocator.Temp
NativeArray<float> result = new NativeArray<float>(1, Allocator.Temp);
// Setup the job data
MyJob jobData = new MyJob();
jobData.a = 10;
jobData.b = 10;
jobData.result = result;
// Schedule the job
JobHandle handle = jobData.Schedule();
// Wait for the job to complete
handle.Complete();
// All copies of the NativeArray point to the same memory, we can access the result in "our" copy of the NativeArray
float aPlusB = result[0];
// Free the memory allocated by the result array
result.Dispose();
  • 使用schedule调用多个job
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NativeArray<float> result = new NativeArray<float>(1, Allocator.Temp);
// Setup the job data
MyJob jobData = new MyJob();
jobData.a = 10;
jobData.b = 10;
jobData.result = result;
// Schedule the job
JobHandle firstHandle = jobData.Schedule();
AddOneJob incJobData = new AddOneJob();
incJobData.result = result;
JobHandle handle = incJobData.Schedule(firstHandle);
// Wait for the job to complete
handle.Complete();
// All copies of the NativeArray point to the same memory, we can access the result in "our" copy of the NativeArray
float aPlusB = result[0];
// Free the memory allocated by the result array
result.Dispose();

ParallelFor jobs

  • ParallelForJob适用于对于多个物体的并发操作，比如集合中的item。
  • 并不是每个item对应一个job，而是每个CPU CORE对应一个job。这个也是上文说的为了保证减少上下文切换。
  • 在使用ParallelForJob时需要传递两个参数：
    • 数组的长度，这个数组应该是你要用来迭代的数组。
    • PS：实际上这部分文档上写的很奇怪，通过长度来区分数组？
    • 一次批处理的个数，这个决定了job的个数。建议一开始使用的一个job然后慢慢的增加。直到性能提升的不明显了。
    • PS：其实在并行问题上，线程越多未必能够效率越高。以为还存在一个锁的问题。
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// Job adding two floating point values together
public struct MyParallelJob : IJobParallelFor
{
    [ReadOnly]
    public NativeArray<float> a;
    [Readonly]
    public NativeArray<float> b;
    public NativeArray<float> result;
    public void Execute(int i)
    {
        result[i] = a[i] + b[i];
    }
}
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var jobData = new MyParallelJob();
jobData.a = 10;  
jobData.b = 10;
jobData.result = result;
// Schedule the job with one Execute per index in the results array and only 1 item per processing batch
JobHandle handle = jobData.Schedule(result.Length, 1);
// Wait for the job to complete
handle.Complete();

Job System还存在的问题

  • 无法访问static数据，这个功能后续应该会有。

参考

# Unity3D
Unity ECS：基本组件和功能
Unity ECS：概述
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