Потокобезопасность в API

Разделы:

Объекты Unigine API гарантированно безопасно используются в основном цикле . Когда дело доходит до нескольких пользовательских потоков, все становится немного сложнее.

Поскольку не все классы API являются потокобезопасными, вы должны учитывать тип поведения члена API, чтобы обеспечить безопасную многопоточность в вашем приложении.

Все типы требуют особых подходов, описанных в этой статье.

Смотрите также#

Класс Thread.

Работа с несколькими потоками#

Потокобезопасные объекты#

Полностью потокобезопасные объекты можно использовать в любом потоке, будь то основной цикл или цикл пользователя. Это обеспечивается за счет того, что механизмы синхронизации потоков делают все критические операции атомарными и защищают структуры данных, они устраняют такие проблемы, как состояние гонки и другие.

Только одному потоку разрешен доступ к данным одновременно, в то время как данные заблокированы для других потоков, поэтому нескольким потокам, возможно, придется ждать друг друга, пока их задачи не будут завершены.

Примечание

Множество запросов к данным из нескольких потоков могут вызвать дополнительную потерю производительности из-за синхронизации.

Следующие члены API считаются поточно-ориентированными:

Асинхронная загрузка узлов#

Запрещается загружать узлы в пользовательских потоках. Для этого рекомендуется использовать класс AsyncQueue .

AppWorldLogic.h

Исходный код (UnigineScript)

#ifndef __APP_WORLD_LOGIC_H__
#define __APP_WORLD_LOGIC_H__

#include <UnigineLogic.h>
#include <UnigineStreams.h>
#include <UnigineThread.h>

using namespace Unigine;
using namespace Math;

class AppWorldLogic : public Unigine::WorldLogic {
	
public:
	AppWorldLogic() {}
	virtual ~AppWorldLogic() {}
	
	virtual int init();
	virtual int shutdown();

private:
	Thread *thread1;
	Thread *thread2;
};

#endif // __APP_WORLD_LOGIC_H__

AppWorldLogic.cpp

Исходный код (UnigineScript)

#include "AppWorldLogic.h"
#include <UnigineAsyncQueue.h>

class MeshProducerThread : public Thread
{
public:
	MeshProducerThread()
	{
		callback = AsyncQueue::addCallback(AsyncQueue::CALLBACK_MESH_LOADED, MakeCallback(this, &MeshProducerThread::mesh_loaded));
	}
	~MeshProducerThread()
	{
		AsyncQueue::removeCallback(AsyncQueue::CALLBACK_MESH_LOADED, callback);
	}

public:
	void process()
	{
		while (isRunning())
		{
			mesh_id = AsyncQueue::loadMesh("core\\meshes\\material_ball.mesh");
			wait();
			Log::message("Thread %d: mesh loaded\n", getID());
			AsyncQueue::takeMesh(mesh_id);
		}
	}

private:
	void mesh_loaded(const char *name, int id)
	{
		if (mesh_id == id)
			signal();
	}

private:
	int mesh_id = 0;
	int callback = 0;
};

int AppWorldLogic::init()
{
	thread1 = new MeshProducerThread();
	thread1->run();
	thread2 = new MeshProducerThread();
	thread2->run();

	return 1;
}

int AppWorldLogic::shutdown()
{
	thread1->stop();
	thread2->stop();

	return 1;
}

Как избежать взаимных блокировок#

Существует возможность взаимной блокировки, также известной как deadlock , при условии, что функция заблокированного объекта выполняет функцию обратного вызова (callback), которая, в свою очередь, вызывает функцию тот же заблокированный объект.

Примечание

Чтобы предотвратить взаимоблокировки, вам следует избегать вызова потенциально заблокированных объектов из их функций обратного вызова.

Операции с ландшафтом#

Классы ObjectLandscapeTerrain содержат набор поточно-ориентированных методов, предназначенных для получения данных ландшафта и обнаружения пересечений.

AppWorldLogic.h

Исходный код (C++)

// Copyright (C), UNIGINE. All rights reserved.

#ifndef __APP_WORLD_LOGIC_H__
#define __APP_WORLD_LOGIC_H__

#include "Unigine.h"

using namespace Unigine;
using namespace Math;

class AppWorldLogic : public Unigine::WorldLogic
{

public:
	AppWorldLogic();
	virtual ~AppWorldLogic();

	int init() override;

	int update() override;

	int shutdown() override;

private:
	Unigine::Vector<Thread*> threads;
};

#endif // __APP_WORLD_LOGIC_H__

AppWorldLogic.cpp

Исходный код (C++)

#include "AppWorldLogic.h"

class TerrainIntersectionThread : public Thread
{
public:
	TerrainIntersectionThread(PlayerPtr m)
	{
		main_player = m;
	}

	void process() override
	{
		if (!main_player)
			return;
		while (isRunning())
		{

			float x = Game::getRandomFloat(-1000.0f, 1000.0f);
			float y = Game::getRandomFloat(-1000.0f, 1000.0f);

			if (!fetch)
			{
				// create fetch
				fetch = LandscapeFetch::create();

				// set mask
				fetch->setUsesHeight(true);
				fetch->setUsesNormal(true);
				fetch->setUsesAlbedo(true);
				fetch->setUsesMask(0, true);
				fetch->setUsesMask(1, true);
				fetch->setUsesMask(2, true);
				fetch->setUsesMask(3, true);

				fetch->intersectionAsync(vec3{ x, y, 10000.0f }, vec3{ x, y, 0.0 }, false);
			}
			else
			{
				if (fetch->isAsyncCompleted())
				{
					if (fetch->isIntersection())
					{
						Vec3 point = fetch->getPosition();
						Visualizer::renderVector(point, point + Vec3::UP * 10, vec4::BLUE);
						Visualizer::renderVector(point, point + Vec3(fetch->getNormal() * 10), vec4::RED);
						Visualizer::renderSolidSphere(1, translate(point), vec4::BLACK);

						String string;
						string += String::format("Height : %f\n", fetch->getHeight());

						string += "Masks: \n";

						auto terrain = Landscape::getActiveTerrain();
						for (int i = 0; i < 4; i++)
						{
							// getName() is not thread-safe,
							// do not change the mask name in other threads when getting
							string += String::format(" - \"%s\": %.2f\n", terrain->getDetailMask(i)->getName(), fetch->getMask(i));
						}
						Visualizer::renderMessage3D(point, vec3(1, 1, 0), string.get(), vec4::GREEN, 1);
					}
					else
					{
						Visualizer::renderMessage3D(vec3(x, y, 0), vec3(1, 1, 0), "Out of terrain", vec4::RED, 1);
					}

					fetch->intersectionAsync(vec3{ x, y, 10000.0f }, vec3{ x, y, 0.0 }, false);
				}
			}
		}
	}

private:
	LandscapeFetchPtr fetch;
	PlayerPtr main_player;
};

AppWorldLogic::AppWorldLogic()
{
}

AppWorldLogic::~AppWorldLogic()
{
}

int AppWorldLogic::init()
{
	PlayerPtr main_player = checked_ptr_cast<Player>(World::getNodeByName("main_player"));

	int num_thread = 4;
	for (int i = 0; i < num_thread; ++i)
	{
		Thread *thread = new TerrainIntersectionThread(main_player);
		thread->run();
		threads.push_back(thread);
	}
	Visualizer::setEnabled(true);

	return 1;
}

int AppWorldLogic::update()
{

	return 1;
}

int AppWorldLogic::shutdown()
{
	for (Thread *thread : threads)
	{
		thread->stop();
		delete thread;
	}

	return 1;
}

Пересечения с Global Terrain#

ObjectTerrainGlobal содержит набор потоковобезопасных методов, предназначенных для некоторых особых случаев использования.

AppWorldLogic.h

Исходный код (C++)

#ifndef __APP_WORLD_LOGIC_H__
#define __APP_WORLD_LOGIC_H__

#include <UnigineLogic.h>
#include <UnigineStreams.h>
#include <UnigineThread.h>
#include <UnigineVector.h>

using namespace Unigine;
using namespace Math;

class AppWorldLogic : public Unigine::WorldLogic {

public:
	AppWorldLogic();
	virtual ~AppWorldLogic();
	
	virtual int init();
	virtual int shutdown();

private:
	Unigine::Vector<Thread*> threads;
};

#endif // __APP_WORLD_LOGIC_H__

AppWorldLogic.cpp

Исходный код (C++)

#include "AppWorldLogic.h"

#include <UnigineEditor.h>
#include <UnigineObjects.h>
#include <UnigineGame.h>

class TerrainIntersectionThread : public Thread
{
public:
	TerrainIntersectionThread(ObjectTerrainGlobalPtr terrain_)
	{
		terrain = terrain_;
		intersection = ObjectIntersection::create();
	}

	void process() override
	{
		while (isRunning())
		{
			float x = Game::getRandomFloat(-1000.0f, 1000.0f);
			float y = Game::getRandomFloat(-1000.0f, 1000.0f);

			int success = terrain->getIntersection(vec3{ x, y, 10000.0f }, vec3{ x, y, 0.0 }, intersection, 0);
			if (success)
			{
				const auto intersection_point = intersection->getPoint();
				Log::message("Thread %d: %f %f %f\n", getID(), intersection_point.x, intersection_point.y, intersection_point.z);
			}
		}
	}

private:
	ObjectTerrainGlobalPtr terrain;
	ObjectIntersectionPtr intersection;
};

AppWorldLogic::AppWorldLogic()
{
}

AppWorldLogic::~AppWorldLogic()
{
}

int AppWorldLogic::init()
{
	const auto terrain = checked_ptr_cast<ObjectTerrainGlobal>(World::getNodeByName("Landscape"));

	int num_thread = 4;
	for (int i = 0; i < num_thread; ++i)
	{
		Thread *thread = new TerrainIntersectionThread(terrain);
		thread->run();
		threads.push_back(thread);
	}

	return 1;
}

int AppWorldLogic::shutdown()
{
	for (Thread *thread : threads)
	{
		thread->stop();
		delete thread;
	}

	return 1;
}

Объекты, зависящие от основного цикла#

Класс Node и классы, связанные с узлом , напрямую участвуют в потоках основного цикла. У них нет механизмов синхронизации.

Чтобы безопасно работать с этими объектами из пользовательских потоков, вы должны сначала приостановить основной цикл, чтобы избежать помех. Затем вы можете запустить необходимое количество заданий для обработки узлов. После того, как все работы будут выполнены, продолжите основной цикл.

Примечание

Методы, связанные с графическим процессором , должны вызываться только в основном цикле.

Безопасность потоков обеспечивается синхронизацией всех потоков Engine, работающих с объектами, зависящими от основного цикла, с Engine::swap(), где выполняется отложенное удаление объектов. Но пользовательские потоки могут выполняться параллельно с Engine::swap() в основном потоке, в таких случаях вам не следует выполнять какие-либо манипуляции с объектами, зависящими от основного цикла (такими как узлы) во время Engine::swap() .

Для некоторых типичных случаев рекомендуется использовать следующие объекты:

Класс AsyncQueue предназначен для асинхронной загрузки ресурсов.
Async Class предназначен для асинхронного выполнения пользовательских задач.

Объекты, не зависящие от основного цикла#

Есть также члены API, которые не задействованы в основном цикле, у них также нет алгоритмов синхронизации.

Вы можете полностью управлять таким объектом в любом потоке, но обратите внимание, что если вам нужно отправить его в другой поток, либо в основной цикл, либо в поток пользователя, вы должны обеспечить ручную синхронизацию для его согласованности данных.

Для этой цели вы можете использовать любые методы и классы, содержащиеся в файле include/UnigineThread.h, или другие механизмы по своему усмотрению.

Следующие члены API считаются независимыми от потоков основного цикла:

См. Thread C++ Sample для реализации C ++ ручной синхронизации с использованием ScopedLock на основе простого мьютекса (Mutex).

Объекты, связанные с GPU#

Некоторые методы-члены взаимодействуют с Graphics API, который доступен только в основном цикле. Как только вам нужно вызвать функцию, связанную с графическим процессором, вы должны передать объект в основной цикл и выполнить в нем вызов.

Классы, связанные с рендерингом (например, MeshDynamic), следует рассматривать как связанные с графическим процессором.

Кроме того, классы, относящиеся к объектам, имеют методы, связанные с отрисовкой, такие как render() и другие.

Примечание

Обратите внимание, что методы, связанные с отрисовкой, должны вызываться только из функций Render/Viewport::callback (см. пример создания функции Render::callback).

Ниже вы найдете исходный код примера dynamic_03, который демонстрирует, как создать динамическую сетку с использованием алгоритма Marching Cubes, выполняемого асинхронно.

dynamic_03.usc

Исходный код (UnigineScript)

#include <core/scripts/samples.h>
#include <samples/objects/dynamic_01.h>

/*
 */
Async async_0;
Async async_1;
int size = 32;
float field_0[size * size * size];
float field_1[size * size * size];
int flags_0[size * size * size];
int flags_1[size * size * size];
ObjectMeshDynamic mesh_0;
ObjectMeshDynamic mesh_1;

using Unigine::Samples;

/*
 */
string mesh_material_names[] = ( "objects_mesh_red", "objects_mesh_green", "objects_mesh_blue", "objects_mesh_orange", "objects_mesh_yellow" );

string get_mesh_material(int material) {
	return mesh_material_names[abs(material) % mesh_material_names.size()];
}

/*
 */
void update_thread() {
	
	while(1) {
		
		float time = engine.game.getTime();
		
		// wait async
		if(async_1 == NULL) async_1 = new Async();
		while(async_1 != NULL && async_1.isRunning()) wait;
		if(async_1 == NULL) continue;
		async_1.clearResult();
		
		// copy mesh
		Mesh mesh = new Mesh();
		mesh_1.getMesh(mesh);
		mesh_0.setMesh(mesh);
		mesh_0.setMaterial(get_mesh_material(1),"*");
		delete mesh;
		
		// wait async
		if(async_0 == NULL) async_0 = new Async();
		while(async_0 != NULL && async_0.isRunning()) wait;
		if(async_0 == NULL) continue;
		async_0.clearResult();
		
		// swap buffers
		field_1.swap(field_0);
		flags_1.swap(flags_0);
		
		// create field
		float angle = sin(time) + 3.0f;
		mat4 transform = rotateZ(time * 25.0f) * scale(vec3(5.0f / size)) * translate(vec3(-size / 2.0f));
		async_0.run(functionid(create_field),field_0.id(),flags_0.id(),size,transform,angle);
		
		// create mesh
		async_1.run(functionid(marching_cubes),mesh_1,field_1.id(),flags_1.id(),size);
		
		wait;
	}
}

/*
 */
int init() {
	
	createInterface("samples/objects/dynamic_03.world");
	engine.render.loadSettings(fullPath("samples/common/world/render.render"));
	createDefaultPlayer(Vec3(30.0f,0.0f,20.0f));
	createDefaultPlane();
	
	mesh_0 = addToEditor(new ObjectMeshDynamic(OBJECT_DYNAMIC_ALL));
	mesh_0.setWorldTransform(Mat4(scale(vec3(16.0f / size)) * translate(-size / 2.0f,-size / 2.0f,0.0f)));
	
	mesh_1 = new ObjectMeshDynamic(1);
	mesh_1.setEnabled(0);
	
	setDescription(format("Async dynamic marching cubes on %dx%dx%d grid",size,size,size));
	
	thread("update_thread");
	
	return 1;
}

/*
 */
void shutdown() {
	
	if(async_0 != NULL) async_0.wait();
	if(async_1 != NULL) async_1.wait();
	return 1;
}

Потоки в UnigineScript#

При использовании рабочего процесса UnigineScript вы также должны помнить, что объекты, зависящие от основного цикла, не должны изменяться напрямую вне основного цикла. Вместо этого предлагается создать двойника для такого объекта, который будет асинхронно изменен, а затем заменен на исходный объект на шаге flush.

Примечание

Функции UnigineScript без повторного входа не подходят для многопоточного использования. Вам нужно будет создать отдельную функцию для каждого потока. Для этого вы можете использовать Шаблоны .

Ниже вы найдете пример UnigineScript по асинхронному управлению несколькими кластерами сетки. Вы можете скопировать и вставить его в файл сценария мира вашего проекта.

cluster_03.usc

Исходный код (UnigineScript)

#include <core/unigine.h>
#include <core/scripts/samples.h>

using Unigine::Samples;

#define NUM_CLUSTERS 4
int size = 60;

// a class for asynchronous mesh cluster
class AsyncCluster
{
	public:
	Mat4 transforms[0];
	// original mesh cluster
	ObjectMeshCluster cluster;
	// a twin for async modification
	ObjectMeshCluster cluster_async;
	Async async;
};
AsyncCluster clusters[NUM_CLUSTERS];

string mesh_material_names[] = ( "stress_mesh_red", "stress_mesh_green", "stress_mesh_blue", "stress_mesh_orange", "stress_mesh_yellow" );

string get_mesh_material(int material) {
	return mesh_material_names[abs(material) % mesh_material_names.size()];
}

// a template to generate a function transforming a cluster in each thread
template async_transforms<NUM, OFFSET_X, OFFSET_Y> void async_transforms_ ## NUM(ObjectMeshCluster cluster_async, float transforms[], float time, int size) {
	
	Vec3 offset = Vec3(OFFSET_X - 0.5f, OFFSET_Y - 0.5f, 0.0f) * (size + 0.5f) * 2;
	
	int num = 0;
	for(int y = -size; y <= size; y++) {
		for(int x = -size; x <= size; x++) {
			float rand = sin(frac(num * 0.333f) + x * y * (NUM + 1));
			
			Vec3 pos = (Vec3(x, y, sin(time * rand * 2.0f) + 1.5f) + offset) * 2.0f;
			transforms[num] = translate(pos) * rotateZ(time * 25 * rand);
			num++;
		}
	}
	
	cluster_async.createMeshes(transforms);
}

async_transforms<0,0,0>;
async_transforms<1,0,1>;
async_transforms<2,1,0>;
async_transforms<3,1,1>;

void update_thread() {
	
	while(1) {
		
		// wait async
		for(int i = 0; i < NUM_CLUSTERS; i++) {
			while(clusters[i].async.isRunning())
				wait;
		}
		
		for(int i = 0; i < NUM_CLUSTERS; i++) {
			AsyncCluster c = clusters[i];
			
			c.async.clearResult();
			c.cluster.swap(c.cluster_async);
			c.cluster.setEnabled(1);
			c.cluster_async.setEnabled(0);
			c.async.run("async_transforms_" + i, c.cluster_async, c.transforms.id(), engine.game.getTime(), size);
		}
		
		wait;
	}
}

int init() {
	// create scene
	PlayerSpectator player = new PlayerSpectator();
	player.setPosition(Vec3(30.0f,0.0f,20.0f));
	player.setDirection(vec3(-1.0f, 0.0f, -0.5f));
	engine.game.setPlayer(player);
	
	for(int i = 0; i < NUM_CLUSTERS; i++) {
		AsyncCluster c = new AsyncCluster();
		c.cluster = new ObjectMeshCluster(fullPath("samples/common/meshes/box.mesh"));
		c.cluster.setMaterial(get_mesh_material(i),"*");
		c.cluster_async = class_append(node_cast(c.cluster.clone()));
		c.async = new Async();
		int num = pow(size * 2 + 1, 2);
		c.transforms.resize(num);
		clusters[i] = c;
	}
	
	thread("update_thread");
	
	int num = pow(size * 2 + 1, 2) * NUM_CLUSTERS;
	log.message("ObjectMeshCluster with %d dynamic instances",num);
	
	return 1;
}

/*
 */
void shutdown() {
	
	for(int i = 0; i < NUM_CLUSTERS; i++) {
		clusters[i].async.wait();
	}
	
	return 1;
}

Последнее обновление: 24.11.2020

Помогите сделать статью лучше

Была ли эта статья полезной?

Сообщить о проблеме в этой статье

(или выберите слово/фразу и нажмите Ctrl+Enter