【CEDEC2018】CPUを使い切れ！ Entity Component System（通称ECS） が切り開く新しいプログラミング
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2018/8/22に開催されたCEDEC2018の講演資料です。 講師：安原 祐二（ユニティ・テクノロジーズ・ジャパン合同会社）
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【CEDEC2018】CPUを使い切れ！ Entity Component System（通称ECS） が切り開く新しいプログラミング
- 3. 本講演の対象バージョン Unity2018.2.2f1 { "dependencies": { "com.unity.entities": "0.0.12-preview.8", "com.unity.package-manager-ui": "2.0.0-preview.3", "com.unity.modules.ai": "1.0.0", "com.unity.modules.animation": "1.0.0", "com.unity.modules.assetbundle": "1.0.0", "com.unity.modules.audio": "1.0.0", "com.unity.modules.cloth": "1.0.0", "com.unity.modules.director": "1.0.0", "com.unity.modules.imageconversion": "1.0.0", "com.unity.modules.imgui": "1.0.0", "com.unity.modules.jsonserialize": "1.0.0", "com.unity.modules.particlesystem": "1.0.0", "com.unity.modules.physics": "1.0.0", "com.unity.modules.physics2d": "1.0.0", "com.unity.modules.screencapture": "1.0.0", "com.unity.modules.terrain": "1.0.0", "com.unity.modules.terrainphysics": "1.0.0", "com.unity.modules.tilemap": "1.0.0", "com.unity.modules.ui": "1.0.0", "com.unity.modules.uielements": "1.0.0", "com.unity.modules.umbra": "1.0.0", "com.unity.modules.unityanalytics": "1.0.0", "com.unity.modules.unitywebrequest": "1.0.0", "com.unity.modules.unitywebrequestassetbundle": "1.0.0", "com.unity.modules.unitywebrequestaudio": "1.0.0", "com.unity.modules.unitywebrequesttexture": "1.0.0", "com.unity.modules.unitywebrequestwww": "1.0.0", "com.unity.modules.vehicles": "1.0.0", "com.unity.modules.video": "1.0.0", "com.unity.modules.vr": "1.0.0", "com.unity.modules.wind": "1.0.0", "com.unity.modules.xr": "1.0.0" }, "registry": "https://packages.unity.com", "testables": [ "com.unity.collections", "com.unity.entities", "com.unity.jobs" ] } Packages/manifest.json→
- 4. 本講演のプロジェクト https://github.com/Unity-Technologies/AnotherThreadECS https://youtu.be/nOeOrJRf5NY デモ動画
- 5. 1. 復習 class と struct 2. Nativeコンテナってなんだ 3. C# Job System 概要 4. CPUキャッシュのおさらい 5. ECSの思想に迫る 6. Entity生成 step by step 7. ザ・Burst 8. マルチスレッドのおさらい 9. 最重要！ ComponentDataArray 10.IComponentDataを見極める 11.デモ 12.JobだってEntityを生成したい 13.Entityを追いかけろ！ 14.実装！ トレイルレンダリング 15.Jobテクをもうひとつだけ 16.コリジョン作ってみた 17.自作せよ！ Nativeコンテナ 18.選ぶのは８個 19.伝えたい Entity間通信 20.ECS & Job が奏でる未来 本日のコース
- 6. “ ” １．復習 class と struct
- 12. • NativeArray • 通常配列 • ポインタからの変換可能(ConvertExistingDataToNativeArray) • NativeSlice • NativeArrayの部分切り出しが可能 • ポインタからの変換可能(ConvertExistingDataToNativeSlice) • NativeList • マルチスレッド書き込み非対応 • NativeArray化にメモリコピーを使用しない • Job中でのサイズ変更後の状態でNativeArray化できる ToDeferredJobArray • NativeQueue • いわゆるFIFO。マルチスレッド書き込み対応 • NativeHashmap, NativeMultiHashmap • Key-Value コンテナ。マルチスレッド書き込み対応 ２．Nativeコンテナってなんだ Unmanaged（GCが起きない）メモリを使用したコンテナ
- 13. ２．Nativeコンテナってなんだ var a = new NativeArray<MyStruct>(32, Allocator.Persistent); 生成 解放 Allocator.Persistent Allocator.Temp Allocator.TempJob 永続的に使用可能 同じフレームで解放しないとエラー ４フレーム以内に解放しないとエラー a.Dispose(); 例：NativeArray フレームの概念が組み込まれている素晴らしさ
- 14. ２．Nativeコンテナってなんだ var a = new NativeArray<MyStruct>(32, Allocator.Persistent); var b = new MyStruct[32]; a.CopyTo(b); 生成 コピー （memcpyのloop） 今後NativeArray対応APIは増えていきます a.CopyFrom(b); とはいえ通常の配列を要求するUnityのAPIは多い・・・
- 15. ２．Nativeコンテナってなんだ Nativeコンテナまとめ • Unityが用意した便利コンテナ • Managedメモリを使用しない • Gabage Collection とは無縁 • 実装はMalloc/Freeを使用してメモリ確保 • structで定義されているが概念は参照型（スマートポインタ）に近い • IL2CPPを想定した効率化が計られている • 性能測定はビルド後のものを • ユーザの自作も設計に組み込まれている（後述）
- 16. “ ” ３．C# Job System 概要
- 17. ３．C# Job System 概要 var th = new System.Threading.Thread(Func); th.Start(); ・これまでもスレッドは自作できた ・Unityが用意したWorkerThreadを使えるように プロファイラで可視化 安全に書ける（エラーがたくさん出てくれる） 使いやすくなったThread
- 18. ３．C# Job System 概要 Worker Thread で動いている
- 19. ３．C# Job System 概要 ・Main Thread 動作中に実行可能 ・メニーコアの有効利用 Camera.Renderなどの不可避な処理の裏はたいてい空いている WorkerThreadのメリット
- 20. ３．C# Job System のおさらい Camera.Render Camera.Renderの裏で動いている
- 21. ３．C# Job System のおさらい struct AJob : IJobParallelFor { public NativeArray<Vector3> positions; public void Execute(int i) { var pos = positions[i]; pos.y += 1f; positions[i] = pos; } } IJobParallelForを実装してExecuteを定義 indexは供給される Jobが実行する Uniform的なもの Jobの書きかた
- 22. ３．C# Job System のおさらい struct AJob : IJobParallelFor { public NativeArray<Vector3> positions; public void Execute(int id) { var pos = positions[id]; pos.y += 1f; positions[id] = pos; } } 毎フレームScheduleを呼ぶ 読んでしまったら ajob は破棄して良い void Update() { var ajob = new AJob() { positions = m_Positions, }; var handle = ajob.Schedule(positions.Length, 8, ); } 生成 実行指令 データ参照 Jobの呼びかた
- 23. ３．C# Job System のおさらい struct AJob : IJobParallelFor { public NativeArray<Vector3> positions; public void Execute(int id) { var pos = positions[id]; pos.y += 1f; positions[id] = pos; } } idは供給される Jobが実行する Uniform的なもの Jobの書きかた 参照なので危険がつきまとう [ReadOnly]や[WriteOnly]属性をつける
- 24. ３．C# Job System のおさらい InvalidOperationException: The native container has been declared as [WriteOnly] in the job, but you are reading from it. Unity.Collections.LowLevel.Unsafe.AtomicSafetyHandle.Check ReadAndThrowNoEarlyOut (Unity.Collections.LowLevel.Unsafe.AtomicSafetyHandle handle) <0x1472e5a80 + 0x00052> 本当にありがとうございます 出してくれるエラーの例
- 25. ３．C# Job System のおさらい Scheduleの引数にJobHandleを渡す void Update() { var ajob = new AJob() { positions = m_Positions, }; var bjob = new BJob() { positions = m_Positions, }; var handle = ajob.Schedule(positions.Length, 8, ); handle = bjob.Schedule(handle); JobHandle.ScheduleBatchedJobs(); handle.Complete(); } ジョブ発行時に依存関係を定義
- 26. ３．C# Job System のおさらい C# Job Systemまとめ • 危険なマルチスレッドを回避 • 属性[ReadOnly][WriteOnly]でランタイムチェック • 依存や同期が簡単に書ける • 命令の発行(Schedule)や同期(Complete)がメインスレッドからしか呼べない • デッドロックを起こせない
- 28. ４．CPUキャッシュのおさらい L2キャッシュ メモリ コア L1 コア L1 コア L1 コア L1 コア L1 コア L1 コア L1 コア L1 遅い 速い メモリ・キャッシュ・メニーコア
- 31. “ ” ５．ECSの思想に迫る
- 37. ５．ECSの思想に迫る ECSまとめ • メモリ配置を考慮 • ECSに従えば効率の良いデータ配置を実現できる • System で同一要素を一括処理
- 38. “ ” ６．Entity生成 step by step
- 39. ６．Entity生成 step by step public struct RigidbodyPosition : IComponentData { public float3 velocity; public float3 acceleration; public float damper; } IComponentData は interface 手順１/３・Componentの定義
- 40. ６．Entity生成 step by step namespace Unity.Entities { public interface IComponentData { } 何も書いてない …/com.unity.entities@0.0.12-preview.8/Unity.Entities/IComponentData.cs
- 41. ６．Entity生成 step by step namespace Unity.Transforms { public struct Position : IComponentData { public float3 Value; } } …/com.unity.entities@0.0.12-preview.8/Unity.Transforms/PositionComponent.cs ところで、なにか違和感を感じませんか？ 例：Positionの定義
- 42. ６．Entity生成 step by step 通常： struct Vector3 struct Position struct Velocity struct AimDirection 様々な意味に使う 構造体が特定の意味ＥＣＳ： Vector3 position; Vector3 velocity; Vector3 aimDirection; 構造体が型ではなく、具体的な意味になる
- 43. ６．Entity生成 step by step var entity_manager = World.Active.GetOrCreateManager<EntityManager>(); arche_type = entity_manager.CreateArchetype(typeof(Unity.Transforms.Position) , typeof(Unity.Transforms.Rotation) , typeof(Unity.Transforms.TransformMatrix) , typeof(RigidbodyPosition) , typeof(RigidbodyRotation) , typeof(SphereCollider) , typeof(HitInfoPlayer) , typeof(Player) , typeof(Unity.Rendering.MeshInstanceRenderer)); ふつうは起動時にやっておく 手順２/３・ArchType（型）を作る
- 44. ６．Entity生成 step by step var entity = entity_manager.CreateEntity(arche_type); var entity = entity_manager.CreateEntity(arche_type); var pos0 = new Unity.Transforms.Position { Value = new float3(0,0,0), }; entity_manager.SetComponentData<Unity.Transforms.Position>(entity, pos0); SetComponentDataで初期化 SetComponentDataがEntityManager経由！ オブジェクト指向との思想の違い 手順３/３・CreateEntityでEntityを作成
- 45. ６．Entity生成 step by step Entity生成まとめ • コンパイル時にComponentDataを定義 • 実行時にArchetypeを定義 • ArchetypeからEntityを生成 • Entityは単なるIDでしかない • すべてを把握するEntityManager経由で操作する
- 46. “ ” ７．ザ・Burst
- 47. ７．ザ・Burst 高速コード(主にSIMD化による)を生成する特殊コンパイラ [BurstCompile] struct AJob : IJobParallelFor { public NativeArray<Vector3> positions; public void Execute(int id) { var pos = positions[id]; pos.y += 1f; positions[id] = pos; } } 何もかも速くなるわけではない ここがBurstCompileされる
- 50. ７．ザ・Burst Burstまとめ • ランタイムに差し替え可能 • 副作用なし • bssセクションなし • 常に[BurstCompile]するよう心がけよう • 自然にプログラムが安全になる • Debug.Logは使えない（Jobでは可能） • [BusrtDiscard]を関数に設置することでBusrt時に消滅させられる（デバッグ用） • e.g. [BurstDiscard] public static void print<T>(T v) { Debug.Log(v); }
- 52. ８．マルチスレッドのおさらい スレッドＡ スレッドのリソース スタック レジスタ スタックとレジスタはスレッド固有 プログラム言語におけるオート変数に相当 スレッドB スタック レジスタ スレッドC スタック レジスタ スレッドD スタック レジスタ
- 53. ８．マルチスレッドのおさらい スレッドＡ CPUひとつでマルチスレッド スタック レジスタ リソースを切り替える（コンテキストスイッチ） スレッド切り替えはカーネルのお仕事 スレッドB スタック レジスタ スレッドＡのレジスタを退避 スレッドＢのレジスタを復帰 いつ行われるのか？
- 54. ８．マルチスレッドのおさらい int add(int a, int b) { return a + b; } .section __TEXT,__text,regular,pure_instructions .macosx_version_min 10, 13 .globl __Z3addii ## -- Begin function _Z3addii .p2align 4, 0x90 __Z3addii: ## @_Z3addii .cfi_startproc ## BB#0: pushq %rbp Lcfi0: .cfi_def_cfa_offset 16 Lcfi1: .cfi_offset %rbp, -16 movq %rsp, %rbp Lcfi2: .cfi_def_cfa_register %rbp movl %edi, -4(%rbp) movl %esi, -8(%rbp) movl -4(%rbp), %esi addl -8(%rbp), %esi movl %esi, %eax popq %rbp retq .cfi_endproc ## -- End function .subsections_via_symbols Ｃ言語のコンパイル結果 オレンジ色は 有効な命令 コンパイル方式のプログラムは 例外なくこの形式で実行される
- 55. ８．マルチスレッドのおさらい .section __TEXT,__text,regular,pure_instructions .macosx_version_min 10, 13 .globl __Z3addii ## -- Begin function _Z3addii .p2align 4, 0x90 __Z3addii: ## @_Z3addii .cfi_startproc ## BB#0: pushq %rbp Lcfi0: .cfi_def_cfa_offset 16 Lcfi1: .cfi_offset %rbp, -16 movq %rsp, %rbp Lcfi2: .cfi_def_cfa_register %rbp movl %edi, -4(%rbp) movl %esi, -8(%rbp) movl -4(%rbp), %esi addl -8(%rbp), %esi movl %esi, %eax popq %rbp retq .cfi_endproc ## -- End function .subsections_via_symbols スレッド切り替えの発生ポイント いつでも発生しうる 大丈夫なように作る スレッドセーフ
- 56. ８．マルチスレッドのおさらい スレッドセーフでない とは？ オート変数以外のメモリにアクセスしているのに マルチスレッドを考慮していない状態 スレッドＡ スタック レジスタ メモリ スレッドＢ スタック レジスタ スレッドＤ スタック レジスタ スレッドＣ スタック レジスタ
- 57. ８．マルチスレッドのおさらい この関数はスレッドセーフか？ int add(int a, int b) { return a + b; }
- 58. ８．マルチスレッドのおさらい この関数はスレッドセーフか？ int add(int a, int b) { return a + b; } セーフ！ オート変数しか使用していない 副作用がない
- 59. ８．マルチスレッドのおさらい スレッドセーフでない関数 int add(int a) { static int p = 0; p += a; return p; } アウト！ static変数はスレッド間で共有されてしまう 副作用がある
- 60. ８．マルチスレッドのおさらい 何が起きるのか？ static int p; p += a; １：pをメモリから読み込む ２：読み込んだ値にaを加える ３：加えた値をpに書き込む
- 62. ８．マルチスレッドのおさらい スレッドセーフまとめ • オート変数を使う • スタックおよびレジスタはスレッドローカル • 副作用が必要ならスレッドセーフ、機構を実装する（後述） • マルチコアも事情は同じ • L1キャッシュの動作に関してはマルチコア特有の事情を考慮する • 学習としてはまずマルチスレッドを押さえよう
- 64. ９．最重要！ ComponentDataArray Systemの記述 public class MySystem : JobComponentSystem { // ここで Inject を受ける記述 protected override void JobHandle OnUpdate(JobHandle inputDep) { // ここで実行 } } ECSの実行機構
- 65. ９．最重要！ ComponentDataArray Systemの記述 MonoBehaviour→JobComponentSystem Update→OnUpdate に対応 ただしインスタンスは見えない public class MySystem : JobComponentSystem { // ここで Inject を受ける記述 protected override void JobHandle OnUpdate(JobHandle inputDep) { // ここで実行 } }
- 66. ９．最重要！ ComponentDataArray Inject する InjectによりComponentDataArrayの準備が整う OnUpdateの前に毎フレーム働く public class MySystem : JobComponentSystem { struct MyGroup { ComponentDataArray<Foo> foos; … } [Inject] MyGroup group; protected override void JobHandle OnUpdate(JobHandle inputDep) { // ここで実行 } }
- 67. ９．最重要！ ComponentDataArray Jobに渡ったComponentDataArray public class MySystem : JobComponentSystem { … struct MyJob : IJobParallelFor { ComponentDataArray<Foo> foos; public void Exec(int i) { // 処理 } } protected override void JobHandle OnUpdate(JobHandle inputDep) { // ここでComponentDataArrayを渡したジョブをスケジュール } }
- 68. ９．最重要！ ComponentDataArray ComponentDataArray は只者ではない 不連続なデータに効率的にアクセス Chunk Chunk Chunk ComponentDataArray<Foo> foos; … Foo f = foos[i] 内部のキャッシュ機構で効率化
- 69. ９．最重要！ ComponentDataArray ComponentDataArray は只者ではない 不連続なデータに効率的にアクセス Chunk Chunk Chunk ComponentDataArray<Foo> foos; … Foo f = foos[i] 内部のキャッシュ機構で効率化 ちょっと待て・・・それはスレッドセーフなのか？
- 70. ９．最重要！ ComponentDataArray 実行スレッドごとにコピーが作られる(!) よって内部キャッシュはスレッドローカル Chunk Chunk Chunk ComponentDataArray<Foo> foos; … Foo f = foos[i] ComponentDataArray<Foo> foos; … Foo f = foos[i] ComponentDataArray<Foo> foos; … Foo f = foos[i] スレッドセーフ! スレッドＡスレッドBスレッドC
- 71. ９．最重要！ ComponentDataArray ReadとWriteの記述 struct MyJob : IJobParallelFor { ComponentDataArray<Foo> foos; public void Exec(int i) { Foo foo = foos[i]; // read // 処理 foos[i] = foo; // write } } foos[i].value = 10; のような書き方は許可されない インデクサは単純なアクセサではない
- 72. ９．最重要！ ComponentDataArray ReadとWriteの記述 struct MyJob : IJobParallelFor { [ReadOnly] ComponentDataArray<Foo> foos; public void Exec(int i) { Foo foo = foos[i]; // read // 処理 foos[i] = foo; // write } } [ReadOnly] の場合は コピーを取り出すのみ
- 73. ９．最重要！ ComponentDataArray ReadとWriteの記述 struct MyJob : IJobParallelFor { [WriteOnly] ComponentDataArray<Foo> foos; public void Exec(int i) { Foo foo = foos[i]; // read // 処理 foos[i] = foo; // write } } [WriteOnly] の場合は 新規生成を書き込むのみ e.g. foos[i] = new Foo();
- 74. ９．最重要！ ComponentDataArray ComponentDataArrayまとめ • Nativeコンテナの一種 • [Inject]されることで利用可能 • 内部のデータは必ずしも連続ではない • とびとびというわけでもなく、時々ギャップがあるぐらい • 内部キャッシュで効率化 • それでもスレッドセーフ • ジョブ構造体ごと実行スレッド用にコピーされており、キャッシュが独立しているため • アクセスは構造体単位。部分的なメンバーへのアクセスはできない • ただし JobComponentSystem を使うと特定箇所のアクセスが可能 • JobComponentSystem が速度的に有利（とドキュメントに書いてある）な理由 • ただしJobComponentSystemは３種類のIComponentDataしか扱えない（現在）
- 76. 10．IComponentDataを見極める IComponentDataに書けるもの/書けないもの public unsafe struct MyComponent : IComponentData { public int i; // OK public string str; // NG （参照型） public byte* ptr; // OK (要unsafe) public bool flg; // NG (non blittable) public NativeArray na; // NG public fixed int fa[256]; // OK (要unsafe) } 要するにblittableかどうか
- 77. 10．IComponentDataを見極める IComponentDataまとめ • blittable なもののみ定義可能 • unsafe にすれば pointerも可能 • unsafe はもう恐れない（基盤側で使いまくっている） • NativeArray は定義不可 • 内部のDisposeSentinelという開発支援機構がReference型 • 自作のNativeContainerはその点に気をつければ定義可能 • 固定サイズバッファ(Fixed Size Buffers)はunsafeで定義可能 • ただし型の制限が厳しい。以下の型のみで float3 などは使用できない（C#の制限) • bool, byte, short, int, long, char, sbyte, ushort, uint, ulong, float or double • fixed bool flg[32]; • C#上は許可されるがnon-blittableなのでIComponentData上はランタイムエラー
- 78. 11．デモ
- 82. 12．JobだってEntityを生成したい BarrierSystem の Inject public class MySystem : ComponentSystem { struct MyGroup { ComponentDataArray<Foo> foos; } [Inject] MyGroup group; class MyBarrier : BarrierSystem {} [Inject] MyBarrier barrier; System内に定義して[Inject]する
- 83. 12．JobだってEntityを生成したい BarrierSystemからEntityCommandBufferを生成 [Inject] MyGroup group; class MyBarrier : BarrierSystem {} [Inject] MyBarrier barrier; protected override JobHandle OnUpdate(JobHandle dep) { var combuf = barrier.CreateCommandBuffer(); var job = new MyJob { commandbuffer = (EntityCommandBuffer.Concurrent)combuf; Concurrent版をJobに渡す
- 84. 12．JobだってEntityを生成したい EntityCommandBufferは遅延実行用のキュー internal enum ECBCommand { CreateEntity, DestroyEntity, AddComponent, RemoveComponent, SetComponent, AddSharedComponentData, SetSharedComponentData } 可能なのはこれだけ
- 85. 12．JobだってEntityを生成したい 遅延実行ということは・・・ public void CreateEntity(EntityArchetype archetype) 返り値は得られないよね public void SetComponent<T>(T component) where T : struct, IComponentData 直前に生成したEntityに対して実行
- 86. 12．JobだってEntityを生成したい EntityCommandBuffer まとめ • 遅延実行であることに留意しよう • EntityManagerと同じインタフェースにはならない • Concurrentによる並列実行が可能（できるようになったのはわりと最近） • Entityの構造変化(Create, Destroy, AddComponent, RemoveComponent, …)は ジョブの完全停止が必要 • BarrierSystemで実行 • Entityが格納されるバッファはCapacityを越えると倍にしてmemcpyする • 起動時に EntityManager.EntityCapacity を想定最大値に設定するとよい EntityManager tips
- 87. 12．JobだってEntityを生成したい BarrierSystem まとめ • Injectすることで定義した場所（System)の直後に実行される • Barrierは継承して使用すべし • 継承したBarrierにはわかりやすい名前をつけておくとよい • プロファイラでBarrierの名前が見える
- 89. 13．Entityを追いかけろ！ ComponentDataFromEntity ロックオンターゲットを追尾したい 追尾レーザーはロックオンターゲットのEntityを保持 public struct LaserData : IComponentData { … public Entity target_entity_; …
- 90. 13．Entityを追いかけろ！ ComponentDataFromEntity ComponentDataFromEntity public class LaserSystem : JobComponentSystem { [Inject] [ReadOnly] public ComponentDataFromEntity<Position> position_list_from_entity_; … … var target_pos = position_list_from_entity_[ld.target_entity_]; Entityを引数にしてComponent取得 Inject で利用可能に
- 91. 13．Entityを追いかけろ！ ComponentDataFromEntity ExistsでEntityの存在確認がジョブからでも可能 ゲームプログラムにおける超重要機能 struct MyJob : IJobParallelFor { … [ReadOnly] public ComponentDataFromEntity<Position> position_list_from_entity_; … public void Execute(int i) { if (!position_list_from_entity_.Exists(ld.target_entity_)) { …
- 92. 13．Entityを追いかけろ！ ComponentDataFromEntity ComponentDataFromEntity まとめ • Nativeコンテナの一種 • Injectして使う • 任意のEntityからComponentを取得できる • ジョブの中でEntityの存在をチェック可能
- 94. 14．実装！ トレイルレンダリング いかにしてIComponentDataで点群を実現するか Fixed Size Buffersは・・・ public fixed float points[256]; IComponentDataはコピーされる宿命にある あまり大きなバッファを起きたくない そもそもfloat3などを書けない
- 95. 14．実装！ トレイルレンダリング そんなときはFixedArrayArray（注） ただの構造体を定義 public struct TrailPoint { public float3 position; public float3 normal; } archetype_ = entity_manager.CreateArchetype( typeof(Destroyable) … , ComponentType.FixedArray(typeof(TrailPoint), 64)); Archetype定義でFixedArrayを使う
- 96. 14．実装！ トレイルレンダリング 〜注意〜 より高機能なDynamicBuffersが登場 FixedArrayArray は廃止されます とにかくEntityにもバッファを配置できますよ、という話
- 97. 14．実装！ トレイルレンダリング FixedArrayArray を Injectして使う public class TrailSystem : JobComponentSystem{ struct Group { public FixedArrayArray<TrailPoint> trail_points_list_; } [Inject] Group group_; 固定長配列がEntityぶんある 二次元配列
- 98. 14．実装！ トレイルレンダリング Jobで使用する例 struct MyJob : IJobParallelFor { public FixedArrayArray<TrailPoint> trail_points_list_; public void Execute(int i) { var trail_points = trail_points_list_[i]; for (var j = 0; j < trail_points.Length; ++j) { var tp = trail_points[j]; … Entity毎に固定長配列を入手できた このとき trail_points はNativeArray
- 99. 14．実装！ トレイルレンダリング FixedArrayArrayまとめ • 複数のコンポーネントを同一Entityに配置したい場合にも使用を検討してよい • インデクサで返されるのはNativeArray • 保持メモリの部分参照をNativeArray化 • 確保されたものではないのでDisposeを呼ぶとクラッシュする（はず） • 部分アクセスが可能 • IComponentData単位でのコピーから逃れられる • Componentと同じくチャンクに格納される • Entityひとつのサイズ上限（現在は16KiBらしい）があるため無茶はできない • 要素数が多ければ固定サイズバッファより利便性も効率も高いはず • FixedArrayArrayは廃止されるが当面使う分には問題ない • あとでDynamicBuffersに置き換えれば良い
- 100. “ ” 15．Jobテクをもうひとつだけ
- 101. 15．Jobテクをもうひとつだけ Jobに参照型(Managedメモリ)は渡せない struct MyJob : IJob { public List<Vector3> vertices; // 実行時エラー … しかし static 関数にはアクセスできる
- 102. 15．Jobテクをもうひとつだけ どこかにオブジェクトを定義しておけば struct MyJob : IJob { public void Execute() { List<Vector3> list = Foo.GetList(); … staticでアクセス可能(!) public static class Foo { static List<Vector3> list; public static GetList() { return list; } …
- 104. WorkerThread 15．Jobテクをもうひとつだけ Job化 メインスレッドからオフロード＆並列化 vertices MainThread WorkerThread normals WorkerThread uvs WorkerThread triangles vertices normals uvs triangles
- 107. 15．Jobテクをもうひとつだけ C# Job System テクニックまとめ • Busrtをあきらめれば意外と制限は緩い • static や Managedメモリを扱う場合は慎重に • なるべくBurstを心がけて安全に • 並列Entity生成において、Material（つまりManagedオブジェクト)を保持する ISharedComponentDataを扱いたい場合はBurstを切ることで可能になる
- 108. “ ” 16．コリジョン作ってみた
- 113. 16．コリジョン作ってみた NativeMultiHashMap Positionからハッシュ値を生成してキーにする 101 231 473 534 343 56 472 354キー 同一ハッシュに属する集団を取得できる
- 115. 16．コリジョン作ってみた コリジョンを取る前にNativeArrayにコピーしてしまうテクニック 並列アクセス用のクラスを別にする var colliders = new NativeArray<SphereCollider>(player_group.Length, Allocator.TempJob, NativeArrayOptions.UninitializedMemory); var job = new CopyComponentData<SphereCollider> { Source = player_group.sphere_collider_list, Results = colliders, }; var handle = job.Schedule(len, 32, handle); ComponentDataArrayの使用が早期に終了するメリット
- 116. 16．コリジョン作ってみた コリジョン実装まとめ • 総当たりコストを軽減する • NativeMultiHashMapは並列処理に対応 • Positionからハッシュ値を生成する • ハッシュ値がぶつかっても問題ない。運悪くコリジョン判定が増えるだけ • コリジョンに大きさがあることに注意 • 周辺セルにも登録する。多重登録は問題ない • 場合によっては総当たりで十分な場合もある • 一時的なNativeArrayにコピーすることで効率を上げられる可能性 • 数が多い場合など • NativeArrayはIL2CPP環境において最大効率（zero-overhead)を実現している
- 119. 17．自作せよ！ Nativeコンテナ Nativeコンテナ典型パターンその１ ポインタでデータを扱う public unsafe struct NativeBucket { byte* m_HeaderBlock; } 基本的にコピーして扱われるので 変動するデータはすべてポインタの先に格納する
- 120. 17．自作せよ！ Nativeコンテナ Nativeコンテナ典型パターンその２ 並列アクセス用のクラスを別にする public unsafe struct NativeBucket { byte* m_HeaderBlock; public unsafe struct Concurrent { byte* m_HeaderBlock; } } 並列アクセス用のインタフェースを Concurrent だけに置く
- 121. 17．自作せよ！ Nativeコンテナ Nativeコンテナ典型パターンその３ 秘技[NativeSetThreadIndex] で実行中のスレッドを特定する public unsafe struct NativeBucket { byte* m_HeaderBlock; public unsafe struct Concurrent { byte* m_HeaderBlock; } [NativeSetThreadIndex] int m_ThreadIndex; }
- 125. 17．自作せよ！ Nativeコンテナ Nativeコンテナ自作まとめ • ポインタの理解は必須 • C言語のポインタを習得すればOK • ジョブの使用に限定することでNativeSetThreadIndexによるスレッドセーフが容易に実現 • 汎用的に作る場合lock-freeアルゴリズム（後述）の理解も必要 • 事実上lockは使えない • メモリをスレッドで分離する実装だとCapacityなどで事前確保するのは難しい • NativeQueueにCapacityがない理由 • DisposeSentinelなどのセーフティ機構は可能な限り取り入れる • 積極的にTestを書こう • レースコンディションを確認するためのtorture testは必須 • Test RunnerのEditModeでもジョブが動作する（！） • 始める際にはサンプルを参照： • https://github.com/Unity-Technologies/EntityComponentSystemSamples/blob/master/Samples/Assets/NativeCounterDemo/NativeCounter.cs •実装が見えているNativeQueue.csなども参考になる •NativeArrayは公開ソースコードで UnityCsReference/Runtime/Export/NativeArray/NativeArray.cs
- 126. “ ” 18．選ぶのは８個
- 130. 18．選ぶのは８個 NativeLimitedCounter を自作 元気よくポインタを定義 public unsafe struct NativeLimitedCounter { [NativeDisableUnsafePtrRestriction] int* m_Counter; [NativeDisable… はジョブに渡すために必要
- 131. 18．選ぶのは８個 NativeLimitedCounter のコンストラクタ UnsafeUtility.Malloc で確保 public unsafe struct NativeLimitedCounter { [NativeDisableUnsafePtrRestriction] int* m_Counter; Allocator m_AllocatorLabel; public NativeLimitedCounter(Allocator label) { m_AllocatorLabel = label; long size = UnsafeUtility.SizeOf<int>(); m_Counter = (int*)UnsafeUtility.Malloc(size, 16, label); UnsafeUtility.MemClear(m_Counter, size); }
- 132. 18．選ぶのは８個 Interlocked.CompareExchange いわゆる CAS(Compare And Swap) public bool TryIncrement(int inclusive_limit) { int current = *m_Counter; while (current < inclusive_limit) { int next = current + 1; int prev = Interlocked.CompareExchange(ref *m_Counter, next, current); if (prev == current) { return true; } else { current = prev; } } return false; }
- 133. 18．選ぶのは８個
- 134. 18．選ぶのは８個 Lock Free アルゴリズム public bool TryIncrement(int inclusive_limit) { int current = *m_Counter; // メモリから読み込み(4byteなのでatomicと想定） while (current < inclusive_limit) { // 引数の制限以下なら int next = current + 1; // 増加後の値 int prev = Interlocked.CompareExchange(ref *m_Counter, next, current); if (prev == current) { // 想定通りだった return true; // 成功、終了 } else { // 想定と異なる。再入が発生している！ current = prev; // 比較するレジスタをメモリの状態で更新してやり直し } } return false; }
- 135. 18．選ぶのは８個 ジョブ実装 TryIncrementが成功したらロックオン成立 [BurstCompile] struct LockonJob : IJobParallelFor { public NativeLimitedCounter lc; … public void Execute(int i) { bool can_lock = … if (can_lock) { if (lc.TryIncrement(8)) { ロックオン処理 …
- 136. 18．選ぶのは８個 Systemで生成してジョブに流す 毎フレーム生成して使用する public class PlayerSystem : JobComponentSystem { NativeLimitedCounter lockon_limit_; protected override JobHandle OnUpdate(JobHandle inputDeps) { if (lockon_limit_.IsCreated) { lockon_limit_.Dispose(); } lockon_limit_ = new NativeLimitedCounter(Allocator.TempJob); var sumup_job = new SumupJob { lockon_limit_ = lockon_limit_, }; handle_ = sumup_job.Schedule(lockon_group_.Length, 32, handle_); var lockon_job = new LockonJob { lockon_limit_ = lockon_limit_,}; handle_ = lockon_job.Schedule(lockon_group_.Length, 32, handle_); 現在の数 を計上 上限まで ロックオン処理
- 137. 18．選ぶのは８個 Lock Freeアルゴリズムまとめ • Nativeコンテナの思想に沿って実装しよう • ポインタ先のメモリを意識しよう • Interlocked.CompareExchange の性質を理解しよう • テストを書こう
- 140. 19．伝えたい Entity間通信 親子関係は仕組みが用意されている（注） TransformSystemが解決してくれる 親 子 子 子 archetype_ = entity_manager.CreateArchetype( typeof(Destroyable) , typeof(LockTarget) , typeof(TransformParent) , typeof(LocalPosition) , typeof(LocalRotation) , typeof(Position) , typeof(Rotation) , typeof(TransformMatrix));
- 143. 19．伝えたい Entity間通信 AtomicFloatの実装 public float add(float value) { float current = UnsafeUtility.ReadArrayElement<float>(m_Data, 0 /* index */); int currenti = math.asint(current); for (;;) { float next = current + value; int nexti = math.asint(next); int prev = Interlocked.CompareExchange(ref *(int*)m_Data, nexti, currenti); if (prev == currenti) { return next; } else { currenti = prev; current = math.asfloat(prev); } } } Interlocked.Add は整数のみなので自作
- 147. 19．伝えたい Entity間通信 AtomicFloatの工夫 AtomicFloatResourceを埋め込む 破棄にAtomicFloatResourceが必要 破棄済みかどうかがわからない
- 149. 19．伝えたい Entity間通信 Entity間通信オブジェクトAtomicFloatResourceまとめ • 小さなメモリ確保をしないことで断片化を抑制 • 破棄済みかを自己判定できる仕組み • スロット再利用との区別もしている • 破棄も任意のタイミングで呼べる • DisposeはDestructor的なタイミングで呼ばれるべき • 現状は明示的にDisposeを呼んでいるため解放もれなどのミスを犯しやすい • ISystemStateComponentData を利用した ReactiveSystem を検討すべき • .NetではCompareExchangeにfloat(Single)版が用意されているが、これの使用をBurstは許 可していない。cmpxchg(x86系)などの命令がfloatレジスタに対応していないので、いずれにせ よ整数レジスタに値を移動する必要があるからだろう。そもそもInterlocked.Addにfloat版が用 意されていないのも同様の理屈と思われる。なおUnity.Mathematicsには整数レジスタと浮動 小数レジスタの相互変換をサポートする math.asfloat および math.asint が用意されている
- 150. “ ” 20．ECS & Job が奏でる未来
- 151. 20．ECS & Job が奏でる未来 •従来の仕組みがなくなるわけではない •作りやすさは正義！ •性能はゲームの商品価値のほんの一部 •パフォーマンスに目をとらわれ過ぎぬよう •「Jobを使用しない単体のECS」は決して難しくはない •ECSだけでも検討の価値あり •高みを目指せば難易度は上がる •Unityを使いながら高みを目指せる •パフォーマンスを理由にエンジンを採用する時代に
- 152. 20．ECS & Job が奏でる未来 4msec 性能例：今回のデモを iPhone X で実行
- 153. おしまい