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Unity C# Job System - 1

由 我们两清 提交于 2020-02-05 01:12:31

How the C# Job System works

    Unity c# Job System 允许用户编写多线程代码，这些代码可以与Unity的其他部分很好地交互，并且使得编写正确的代码更加容易。编写多线程代码可以提供高性能的好处。其中包括帧率的显著提高。在c# Job 中使用 Burst 编译器可以提高代码生成质量，这也可以显著降低移动设备上的电池消耗。c# Job System 的一个重要方面是它集成了Unity内部使用的东西(Unity的 local Job System)。用户编写的代码和Unity共享工作线程。这种协作避免了创建比CPU内核更多的线程，这会导致对CPU资源的争用.

 

What is multithreading?

    在单线程计算系统中，一条指令一次输入，一个结果一次输出。加载和完成程序的时间取决于需要CPU完成的工作量。多线程是一种编程类型，它利用CPU的能力在多个核心之间同时处理多个线程。它们不是一个接一个地执行任务或指令，而是同时运行。默认情况下，一个线程在程序的开始运行。这就是“主线”。主线程创建新线程来处理任务。这些新线程彼此并行运行，并且通常在完成后将其结果与主线程同步。

    如果您有一些任务需要长时间运行，那么这种多线程方法可以很好地工作。然而，游戏开发代码通常包含许多需要同时执行的小指令。如果您为每个线程创建一个线程，您可能会得到许多线程，每个线程的生命周期都很短。这可能会使CPU和操作系统的处理能力达到极限。

    通过拥有一个线程池，可以减轻线程生存期的问题。但是，即使使用线程池，也可能有大量线程同时处于活动状态。拥有比CPU内核更多的线程会导致线程之间争夺CPU资源，从而导致频繁的上下文切换。

    上下文切换是这样一个过程:   通过执行来保存线程的部分状态，然后在另一个线程上工作，然后重新构造第一个线程，然后继续处理它。上下文切换是资源密集型的，所以应该尽可能避免使用它。

 

What is a job system?

     job system 通过创建 job 而不是线程来管理多线程代码。

     job system 管理一组跨多个核心的工作线程。它通常在每个逻辑CPU内核上有一个工作线程，以避免上下文切换(尽管它可能为操作系统或其他专用应用程序保留一些内核)。

     job system将 job 放入要执行的 job 队列中。job system 中的工作线程从 job 队列中获取项并执行它们。job system 管理依赖项并确保 job 以适当的顺序执行。

What is a job?

    job 是完成一项特定任务的小工作单元。作业接收参数并对数据进行操作，类似于方法调用的行为。job 可以是自包含的，也可以在运行之前依赖于其他 job 来完成。

What are job dependencies?

    在复杂的系统中，比如游戏开发所需要的系统，每个任务都不可能是独立的。一项工作通常是为下一项工作准备数据。job 知道并支持使其工作的依赖项。如果 jobA 依赖于 jobB，作业系统将确保 jobA 在 jobB 完成之前不会开始执行。

 

The safety system in the C# Job System

Race conditions

    在编写多线程代码时，总是存在竞争条件的风险。当一个操作的输出依赖于其控制范围之外的另一个进程的时间时，就会出现竞争条件。

    竞态条件并不总是一个bug，但它是不确定性行为的一个来源。当竞态条件确实导致bug时，可能很难找到问题的根源，因为它依赖于时间，所以您只能在很少的情况下重新创建问题。调试它会导致问题消失，因为断点和日志记录会改变各个线程的计时。竞态条件是编写多线程代码的最大挑战。

Safety system

    为了更容易地编写多线程代码，Unity c#  job system检测所有潜在的竞争条件，并保护您免受它们可能造成的bug。

例如: 如果c# job system 将对数据的引用从主线程中的代码发送到 job，它无法验证主线程是否正在读取数据，同时 job 也在向它写入数据。这个场景创建了一个竞态条件。

   c#  job system 通过向每个 job 发送它需要操作的数据的副本来解决这个问题，而不是发送对主线程中数据的引用。该副本隔离数据，消除了竞争条件。

   c# job system 复制数据的方式意味着 job 只能访问blittable数据类型。这些类型在托管代码和本机代码之间传递时不需要转换。

   c# job system 可以使用memcpy复制blittable类型，并在Unity的托管部分和本机部分之间传输数据。它使用memcpy在调度job时将数据放入本机内存，并在执行 job 时让托管端访问该副本。

 

NativeContainer

    安全系统复制数据的过程的缺点是，它也隔离了每个副本中的 job 结果。为了克服这个限制，您需要将结果存储在一种名为NativeContainer的共享内存中。

What is a NativeContainer?

    NativeContainer是一种托管值类型，它为本机内存提供了一个相对安全的c#包装。它包含一个指向非托管分配的指针。当与Unity c# job system一起使用时，NativeContainer允许 job 访问与主线程共享的数据，而不是使用副本。

 

What types of NativeContainer are available?

Unity 使用一个叫做 NativeArray 的 NativeContainer。你还可以通过一个NativeSlice 来操作一个NativeArray，从而获得从某个特定位置开始确定长度的NativeArray子集。

注意：Entity Component System(ECS) 包扩展了 Unity.Collections 命名空间，包括了其他类型的 NativeArray：

  • NativeList - 一个可变长的NativeArray
  • NativeHashMap - 键值对
  • NativeMultiHashMap - 每个Key可以对应多个值
  • NativeQueue - 一个先进先出(FIFO)队列

NativeContainer and the safety system

   安全性系统是所有NativeContainer类型的组成部分。它会追踪所有关于任何NaiveContainer的读写。

注意：所有关于 NativeContainer 类型的安全性检查（包括下标边界检查，内存释放检查和资源竞争检查），只在Unity Editor 和 Play Mode 中生效。（译者:即只在编辑器环境中进行检查）

安全性系统是由DisposeSentinel 和 AtomicSafetyHandle 组成的。DisposeSentinel检测内存泄漏同时在你没有正确释放内存的时候给你一个错误信息。但内存泄漏的错误只有在泄露发生很久之后才会触发。

使用 AtomicSafetyHandle 在代码中进行 NativeContainer 所有权的转移。举例来说，如果两个已经安排的 jobs 向同一个NativeArray写入数据，安全性系统会抛出一个异常，带有明确的错误信息关于为什么以及如何解决这个问题。安全性系统会在你安排一个违规的 job 后抛出一个异常。

在这种情况下，你可以在安排job的时候添加一个依赖。第一个job可以写入到NativeContainer，一旦它执行完毕，下一个job可以安全地读取和写入同一个NativeContainer。读取和写入的限制同样影响在访问主线程中的数据时生效。安全性系统允许多个jobs并行的读取同一份数据。

通常来说，当一个job有 NativeContainer 的访问权限时，它同时拥有读取和写入的权限。这种配置会使性能变差。一个C# Job System不允许你在有 job 正在对一个 NativeContaine r进行读写的时候，安排另一个 job 对该 NaiveContainer 拥有写入权限。

如果某个 job 不需要向某个 NativeContainer 写入，可以将该 NativeContainer 加上[ReadOnly]属性，像这样

[ReadOnly]
public NativeArray<int> input;

在上面的例子中，你可以在其他 jobs 拥有该 NativeContaine r只读权限的时候同时执行该 job。

注意：这边没有针对从一个job中访问静态数据的保护。访问静态数据可以绕过所有的安全性系统并可能导致Unity 崩溃。

 

NativeContainer Allocator

    当创建一个NativeContainer时，你必须指定你需要的内存分配类型。分配的类型由jobs运行的时间来决定。这种情况下你可以在每一种情况下使分配器达到可能的最好性能。

这里对于NativeContainer的内存分配有三个分配器类型。当你初始化你的NativeContainer时你需要指定一个合适的分配器。

  • Allocator.Temp 是最快的分配类型。它适用于分配一个生命周期只有一帧或更短时间的操作。你不应当把一个分配器为Temp类型分配的NativeContainer传递给jobs使用。你同时需要在函数返回之前调用Dispose方法(例如MonoBehaviour.Update，或者其他从原生到托管代码的调用)
  • Allocator.TempJob 是相比于Temp是一个较慢的分配类型但它比Persistent要快。这是一个生命周期为四帧的内存分配而且它是线程安全的。如果你在四帧之内没有调用Dispose，控制台会打印一个由原生代码生成的警告信息。绝大部分小 jobs 使用这种类型的NativeContainer分配器。
  • Allocator.Persistent  是最慢的分配类型，但它可以持续存在到你需要的时间，如果必要的话可以贯穿应用程序的整个生命周期。它是直接调用malloc的一个封装。长时间的jos可以使用这种分配类型。当性能比较紧张的时候你不应当使用Persistent。

使用示例:

NativeArray<float> result = new NativeArray<float>(1, Allocator.TempJob);

注意：上例中的1表明了NativeArray的长度。在这个例子中，它只有一个数组元素（因为它只在result中存储了一块数据）。

 

Creating jobs

   为了在Unity中创建一个job你需要实现IJOb接口。IJob允许你调度一个job，和其他jobs并发执行。

注意：“job”是Unity中所有实现了IJob接口的结构的总称。

为了创建一个job，你需要： 创建一个实现IJob的结构体 添加job需要使用的成员变量（可以是blittable类型或NativeContainer类型） * 在结构体中添加一个叫Execute的方法并将job的具体逻辑实现放在里面

当job执行的时候，Excute方法在单个核心上运行一次

注意：当设计你的job时，记住你是在一份数据的拷贝上进行操作的，除了在使用NativeContainer的情况下。所以，在主线程访问一个job中数据的唯一方法就是将数据写入NativeContainer。

一个简单job定义的例子

// Job adding two floating point values together
public struct MyJob : IJob
{
    public float a;
    public float b;
    public NativeArray<float> result;

    public void Execute()
    {
        result[0] = a + b;
    }
}

 

Scheduling jobs

    为了在主线程中调度一个job，你必须： 实例化一个job 填充job中的数据 * 调用Schedule方法

在合适的时间调用Schedule将job放入到job的执行队列中。一旦job被调度，你不能中途打断一个job的执行。

注意：你只能从主线程中调用Schedule

调度一个job的例子

// Create a native array of a single float to store the result. This example waits for the job to complete for illustration purposes
NativeArray<float> result = new NativeArray<float>(1, Allocator.TempJob);

// Set up 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, you can access the result in "your" copy of the NativeArray
float aPlusB = result[0];

// Free the memory allocated by the result array
result.Dispose();

JobHandle and dependencies

    当你调用Schedule方法时会返回一个JobHandle。你可以在代码中使用JobHandle作为其他jobs的依赖关系。如果一个job依赖于另一个job的结果，你可以将第一个job的JobHandle作为参数传递给第二个job的Schedule方法，像这样：

JobHandle firstJobHandle = firstJob.Schedule();
secondJob.Schedule(firstJobHandle);

Combining dependencies

    如果一个job有多个依赖项，你可以使用JobHandle.CombineDependencies方法来合并他们。CombineDependencies允许你将他们传递给Schedule方法。

NativeArray<JobHandle> handles = new NativeArray<JobHandle>(numJobs, Allocator.TempJob);

// Populate `handles` with `JobHandles` from multiple scheduled jobs...

JobHandle jh = JobHandle.CombineDependencies(handles);

 

Waiting for jobs in the main thread

     使用JobHandle来让你的代码在主线程等待直到你的job执行完毕。为了做到这样，需要在JobHandle上调用Complete方法。这样的话，你就确定主线程可以安全访问job之前使用的NativeContainer。

注意：jobs不是在你调度他们的时候就立刻开始执行。如果你在主线程中等待job，并且你需要访问job正在使用的NativeContainer，你可以调用JobHandle.Complete方法。这个方法会刷新内存缓存中的jobs并开始执行。调用JobHandele的Complete会将job的NativeContainer类型数据的归属权交还给主线程。你需要在JobHandle上调用Complete来在主线程再次安全地访问这些NativeContainer类型。你也可以调用一个由job依赖产生的JobHandle的Complete方法来将数据的归属权交还给主线程。举例来说，你可以调用jobA的Complete方法，或者你可以调用依赖于jobA的jobB的Complete方法。两种方法都可以让你在调用Complete后在主线程安全访问jobA使用的NativeContainer类型。

否则，如果你不需要对数据的访问，但你需要明确地刷新这个批次的job。为了做到这点，调用静态方法JobHandle.ScheduleBatchedJobs。注意这个调用会对性能产生负面的影响。

一个关于多重job和依赖的例子

job的代码：

// Job adding two floating point values together
public struct MyJob : IJob
{
    public float a;
    public float b;
    public NativeArray<float> result;

    public void Execute()
    {
        result[0] = a + b;
    }
}

// Job adding one to a value
public struct AddOneJob : IJob
{
    public NativeArray<float> result;

    public void Execute()
    {
        result[0] = result[0] + 1;
    }
}

主线程代码：

// Create a native array of a single float to store the result in. This example waits for the job to complete
NativeArray<float> result = new NativeArray<float>(1, Allocator.TempJob);

// Setup the data for job #1
MyJob jobData = new MyJob();
jobData.a = 10;
jobData.b = 10;
jobData.result = result;

// Schedule job #1
JobHandle firstHandle = jobData.Schedule();

// Setup the data for job #2
AddOneJob incJobData = new AddOneJob();
incJobData.result = result;

// Schedule job #2
JobHandle secondHandle = incJobData.Schedule(firstHandle);

// Wait for job #2 to complete
secondHandle.Complete();

// All copies of the NativeArray point to the same memory, you can access the result in "your" copy of the NativeArray
float aPlusB = result[0];

// Free the memory allocated by the result array
result.Dispose();

 

ParallelFor jobs

     当调度Jobs时，只能有一个job来进行一项任务。ParallelFor jobs 当调度Jobs时，只能有一个job来进行一项任务。在游戏中，非常常见的情况是在一个庞大数量的对象上执行一个相同的操作。这里有一个独立的job类型叫做IJobParallelFor来处理此类问题。

注意：“ParallelFor”job是Unity中所有实现了IJobParallelFor接口的结构的总称。

一个并行化job使用一个NativeArray存放数据来作为它的数据源。并行化job横跨多个核心执行。每个核心上有一个job，每个job处理一部分工作量。IJobParallelFor的行为很类似于IJob，但是不同于只执行一个Execute方法，它会在数据源的每一项上执行Execute方法。Execute方法中有一个整数型的参数。这个索引是为了在job的具体操作实现中访问和操作数据源上的单个元素。

一个定义并行化Job的例子：

struct IncrementByDeltaTimeJob: IJobParallelFor
{
    public NativeArray<float> values;
    public float deltaTime;

    public void Execute (int index)
    {
        float temp = values[index];
        temp += deltaTime;
        values[index] = temp;
    }
}

Scheduling ParallelFor jobs

 当调度并行化job时，你必须指定你分割NativeArray数据源的长度。在结构中同时存在多个NativeArrayUnity时，C# Job System不知道你要使用哪一个NativeArray作为数据源。这个长度同时会告知C# Job System有多少个Execute方法会被执行。

在这个场景中，并行化job的调度会更复杂。当调度并行化任务时，C# Job System会将工作分成多个批次，分发给不同的核心来处理。每一个批次都包含一部分的Execute方法。随后C# Job System会在每个CPU核心，的Unity原生Job System上调度最多一个job，并传递给这个job一些批次来完成。

一个并行化job划分批次到多个CPU核心

 

    当一个原生job提前完成了分配给它的工作批次后，它会从其他原生job那里获取其剩余的工作批次。它每次只获取那个原生job剩余批次的一半，为了确保缓存局部性(cache locality)。

为了优化这个过程，你需要指定一个每批次数量(batch count)。这个每批次数量控制了你会生成多少job和线程中进行任务分发的粒度。使用一个较低的每批次数量，比如1，会使你在线程之间的工作分配更平均。它会带来一些额外的开销，所以有时增加每批次数量会是更好的选择。从每批次数量为1开始，然后慢慢增加这个数量直到性能不再提升是一个合理的策略。

调度并行化job的例子：

job代码

// 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];
    }
}

主线程代码：

NativeArray<float> a = new NativeArray<float>(2, Allocator.TempJob);

NativeArray<float> b = new NativeArray<float>(2, Allocator.TempJob);

NativeArray<float> result = new NativeArray<float>(2, Allocator.TempJob);

a[0] = 1.1;
b[0] = 2.2;
a[1] = 3.3;
b[1] = 4.4;

MyParallelJob jobData = new MyParallelJob();
jobData.a = a;  
jobData.b = b;
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();

// Free the memory allocated by the arrays
a.Dispose();
b.Dispose();
result.Dispose();

ParallelForTransform jobs

      一个ParallelForTransform job是另一个类型的ParallelFor job；它是专门为了Transforms上的操作设计的。

注意：ParallelForTransform job是Unity中所有实现了IJobParallelForTransform接口的结构的总称。

 

 

C# Job System tips and troubleshooting

当你使用Unity C# Job System时，确保你遵守以下几点：

 

Do not access static data from a job (不要从一个job中访问静态的数据)

在所有的安全性系统中你都应当避免从一个job中访问静态数据。如果你访问了错误的数据，你可能会使Unity崩溃，通常是以意想不到的方式。举例来说，访问一个MonoBehaviour可以导致域重新加载时崩溃。

注意：因为这个风险，未来版本的Unity会通过静态分析来阻止全局变量在job中的访问。如果你确实在job中访问了静态数据，你应当预见到你的代码会在Unity未来的版本中报错。

Flush scheduled batches (刷新已调度的批次)

当你希望你的job开始执行时，你可以通过JobHandle.ScheduleBatchedJobs来刷新已调度的批次。注意调用这个接口时会对性能产生负面的影响。不刷新批次将会延迟调度job，直到主线程开始等待job的结果。在任何其他情况中，你应当调用JobHandle.Complete来开始执行过程。

注意：在Entity Component System(ECS)中批次会暗中为你进行刷新，所以调用JobHandle.ScheduleBatchedJobs是不必要的。

Don’t try to update NativeContainer contents (不要试图去更新NativeContainer的内容)

由于缺乏引用返回值，不可能去直接修改一个NativeContainer的内容。例如，nativeArray[0]++ ;和 var temp = nativeArray[0]; temp++;一样，都没有更新nativeArray中的值。

你必须从一个index将数据拷贝到一个局部临时副本，修改这个副本，并将它保存回去，像这样：

MyStruct temp = myNativeArray[i];
temp.memberVariable = 0;
myNativeArray[i] = temp;

Call JobHandle.Complete to regain ownership (调用JobHandle.Complete来重新获得归属权)

在主线程重新使用数据前，追踪数据的所有权需要依赖项都完成。只检查JobHandle.IsCompleted是不够的。你必须调用JobHandle.Complete来在主线程中重新获取NaitveContainer类型的所有权。调用Complete同时会清理安全性系统中的状态。不这样做的话会造成内存泄漏。这个过程也在你每一帧都调度依赖于上一帧job的新job时被采用。

Use Schedule and Complete in the main thread(在主线程中调用Schedule和Complete)

你只能在主线程中调用Schedule和Complete方法。如果一个job需要依赖于另一个，使用JobHandle来处理依赖关系而不是尝试在job中调度新的job。

Use Schedule and Complete at the right time(在正确的时间调用Schedule和Complete)

一旦你拥有了一个job所需的数据，尽可能快地在job上调用Schedule，在你需要它的执行结果之前不要调用Complete。一个良好的实践是调度一个你不需要等待的job，同时它不会与当前正在运行的其他job产生竞争。举例来说，如果你在一帧结束和下一帧开始之前拥有一段没有其他job在运行的时间，并且可以接受一帧的延迟，你可以在一帧结束的时候调度一个job，在下一帧中使用它的结果。或者，如果这个转换时间已经被其他job占满了，但是在一帧中有一大段未充分利用的时段，在这里调度你的job会更有效率。

Mark NativeContainer types as read-only(将NativeContainer标记为只读的)

记住job在默认情况下拥有NativeContainer的读写权限。在合适的NativeContainer上使用[ReadOnly]属性可以提升性能。

Check for data dependencies(检查数据的依赖)

在Unity的Profiler窗口中，主线程中的"WaitForJobGroup"标签表明了Unity在等待一个工人线程上的job结束。这个标签可能意味着你以某种方式引入了一个资源依赖，你需要去解决它。查找JobHandle.Complete来追踪你在什么地方有资源依赖，导致主线程必须等待。

Debugging jobs(调试job)

job拥有一个Run方法，你可以用它来替代Schedule从而让主线程立刻执行这个job。你可以使用它来达到调试目的。

Do not allocate managed memory in jobs(不要在job中开辟托管内存)

在job中开辟托管内存会难以置信得慢，并且这个job不能利用Unity的Burst编译器来提升性能。Burst是一个新的基于LLVM的后端编译器技术，它会使事情对于你更加简单。它获取C# job并利用你平台的特定功能产生高度优化的机器码。

 

 

标签
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