实例化数据管理

Question

我正在尝试使用实例化绘制几千个粒子。它可以工作而且速度很快，但我有一个瓶颈会减慢整个程序的速度。

我的Particle 类是这样的：

public class Particle
{
    public Vector2 Position;

    //More data not used for drawing
    //....
}

现在在我的DrawLoop() 中，我得到了这样的信息：

Vector2[] instanceData = new Vector2[numParticles];

public void Draw()
{
    for(int i = 0; i < numParticles; ++i)
        instanceData[i] = Particles[i].Position; //THAT'S the slow part

    instanceBuffer.SetData(instanceData);

    //Now draw VertexBuffer using instancing
    //...
}

我尝试过使用Parallel.For，但速度不够快，因为我有大约 8000 个粒子。我还查看了来自 MSDN 的 particlesystem 示例。但他们的Particle struct 只包含用于绘制粒子的数据，并且位置是在着色器中计算的。但是，我需要一些算法的额外数据。

想不出类设计，所以不需要每帧都给数组分配粒子位置。

Answer 1

由于这个问题最终是由所使用的数据结构引起的，所以让我为您介绍一种常见的替代链表的方案，例如这种情况。

链接列表通常不是存储粒子的好主意，原因有两个：第一，您无法有效地随机访问它们，正如您在此处发现的那样；第二，链表的locality of reference很差。考虑到粒子系统的性能要求，后一点可能是致命的。

标准列表具有更好的参考局部性，但正如您所发现的，添加和删除项目可能会很慢，这是您在粒子引擎中通常会做的事情。

我们可以改进吗？

让我们从比列表更基本的东西开始，一个简单的数组。为简单起见，让我们对引擎中的粒子数量进行硬性限制（我们稍后会解决这个问题）。

private const Int32 ParticleCount = 8000;
private readonly Particle[] particles = new Particle[ParticleCount];
private Int32 activeParticles = 0;

假设你有空间，你总是可以在恒定时间内将一个粒子添加到数组的末尾：

particles[activeParticles++] = newParticleData;

但是移除一个粒子是O(n)，因为它之后的所有粒子都需要下移：

var indexOfRemovedParticle = 12;
particles.RemoveAt(indexOfRemovedParticle);
activeParticles--;

我们还能在恒定时间内做什么？好吧，我们可以移动粒子：

particles[n] = particles[m];

我们可以用它来提高我们的性能吗？

是的！把remove操作改成move操作，原来的O(n)变成了O(1)：

var indexOfRemovedParticle = 12;
var temp = particles[indexOfRemovedParticle];
particles[indexOfRemovedParticles] = particles[activeParticles - 1];
particles[activeParticles - 1] = temp;
activeParticles--;

我们对数组进行分区：开始的所有粒子都是活动的，而结束的所有粒子都是非活动的。所以要移除一个粒子，我们要做的就是将它与最后一个活跃粒子交换，然后减少活跃粒子的数量。

(请注意，您需要删除粒子数组中的索引。如果您必须去搜索它，您最终会恢复到 O(n) 时间；但是，由于粒子的通常工作流程是“循环遍历整个列表，更新每个粒子，如果它已经死了，就从列表中删除它，“无论如何，你通常会得到“免费”的死粒子索引。）

现在，这一切都假设粒子数量是固定的，但是如果您需要更大的灵活性，您可以像 List<T> 类一样解决这个问题：每当您用完空间时，只需分配一个更大的数组并复制所有内容进入它。

此数据结构提供快速插入和删除、快速随机访问和良好的参考局部性。后者可以通过将您的 Particle 类变成一个结构来进一步改进，这样您的所有粒子数据都将连续存储在内存中。