C++20 协程在游戏开发中性能优化实战！异步加载、动画播放，告别卡顿

C++20 协程在游戏开发中性能优化实战！异步加载、动画播放，告别卡顿

作为一名游戏开发者，我们无时无刻不在追求更高的性能、更流畅的体验。C++ 作为游戏开发领域的主力语言，其性能优化一直是热门话题。C++20 引入的协程（Coroutines）为我们提供了一种新的并发编程模型，它既能保持代码的简洁性，又能充分利用多核 CPU 的性能优势。那么，协程究竟能在游戏开发的哪些场景中发挥作用？又该如何正确使用才能避免踩坑？本文将深入探讨 C++20 协程在游戏开发中的应用，并结合实际案例分析其对游戏性能的影响。

1. 协程是什么？它和线程有什么区别？

要理解协程的优势，首先需要搞清楚它和传统线程的区别。

• 线程（Threads）：由操作系统内核调度，每个线程拥有独立的堆栈和上下文，切换开销较大。线程间的通信通常需要锁机制，容易造成死锁和资源竞争。
• 协程（Coroutines）：由程序员控制调度，在用户态进行切换，开销极小。协程共享线程的堆栈，避免了线程切换的开销。协程间的通信可以通过共享内存或消息传递实现，更加灵活。

简单来说，你可以把协程看作是“轻量级线程”，它避免了线程切换的开销，更加高效。但协程也并非银弹，它需要程序员手动控制调度，如果使用不当，反而会降低性能。

2. 协程在游戏开发中的应用场景

在游戏开发中，协程可以应用于以下几个关键场景：

• 异步资源加载：游戏启动或场景切换时，需要加载大量的资源（贴图、模型、音频等）。如果同步加载，会导致游戏卡顿。使用协程可以异步加载资源，并在加载完成后通知游戏主线程，避免卡顿。
• 动画播放：复杂的动画播放通常需要多个步骤，例如骨骼动画、蒙皮动画、物理模拟等。使用协程可以将这些步骤分解成多个小的任务，并异步执行，提高动画播放的流畅度。
• 网络通信：网络游戏需要频繁地与服务器进行通信。使用协程可以异步处理网络请求和响应，避免阻塞游戏主线程。
• AI 行为：游戏 AI 的行为通常比较复杂，需要进行大量的计算。使用协程可以将 AI 行为分解成多个小的任务，并异步执行，提高 AI 的响应速度。
• 任务调度：游戏中的许多任务都可以使用协程进行调度，例如定时任务、事件处理等。协程可以提高任务调度的效率，并降低 CPU 占用率。

3. C++20 协程基础：快速上手

C++20 引入了 co_await、co_yield 和 co_return 三个关键字，用于定义和控制协程的行为。

• co_await：挂起当前协程，等待 awaitable 对象完成。awaitable 对象可以是 future、task 或自定义类型。
• co_yield：挂起当前协程，并返回一个值。类似于 Python 中的 yield 关键字，可以用于生成器。
• co_return：结束当前协程，并返回一个值。类似于普通函数的 return 语句。

下面是一个简单的协程示例，用于模拟异步加载资源：

#include <iostream>
#include <coroutine>
#include <future>
 
// Awaitable 对象，用于模拟异步操作
struct Task {
    struct promise_type {
        Task get_return_object() {
            return Task{std::coroutine_handle<promise_type>::from_promise(*this)};
        }
        std::suspend_never initial_suspend() noexcept { return {}; }
        std::suspend_never final_suspend() noexcept { return {}; }
        void return_void() {}
        void unhandled_exception() {}
    };
    std::coroutine_handle<promise_type> handle;
};
 
// 模拟异步加载资源
Task loadResourceAsync() {
    std::cout << "开始加载资源...\n";
    // 模拟耗时操作
    std::promise<void> promise;
    std::future<void> future = promise.get_future();
    std::thread([&](std::promise<void> p) {
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));
        std::cout << "资源加载完成！\n";
        p.set_value();
    }, std::move(promise)).detach();
    
    co_await future;
    std::cout << "资源加载后处理...\n";
}
 
int main() {
    Task task = loadResourceAsync();
    std::cout << "主线程继续执行...\n";
    // 等待协程完成
    // task.handle.resume(); // 如果 initial_suspend 返回 suspend_always，则需要手动 resume
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(3)); // 模拟主线程的其他工作
    return 0;
}

在这个例子中，loadResourceAsync 函数是一个协程，它使用 co_await 关键字挂起自身，等待 future 对象完成。在等待期间，主线程可以继续执行其他任务。当 future 对象完成时，协程会恢复执行，并进行后续处理。

4. 游戏开发实战：异步加载资源

在游戏开发中，异步加载资源是一个非常常见的需求。下面我们结合一个简单的例子，演示如何使用协程实现异步加载资源。

假设我们有一个 ResourceManager 类，用于管理游戏资源。我们需要实现一个 loadTextureAsync 函数，用于异步加载纹理。

#include <iostream>
#include <string>
#include <coroutine>
#include <future>
#include <thread>
#include <chrono>
 
class Texture {
public:
    Texture(const std::string& name) : name_(name) {}
    std::string getName() const { return name_; }
private:
    std::string name_;
};
 
class ResourceManager {
public:
    // Awaitable 对象，用于模拟异步操作
    struct Task {
        struct promise_type {
            Task get_return_object() {
                return Task{std::coroutine_handle<promise_type>::from_promise(*this)};
            }
            std::suspend_never initial_suspend() noexcept { return {}; }
            std::suspend_never final_suspend() noexcept { return {}; }
            void return_void() {}
            void unhandled_exception() {}
        };
        std::coroutine_handle<promise_type> handle;
    };
 
    // 异步加载纹理
    Task loadTextureAsync(const std::string& textureName) {
        std::cout << "开始加载纹理：" << textureName << "...\n";
 
        // 模拟耗时操作
        std::promise<Texture> promise;
        std::future<Texture> future = promise.get_future();
        std::thread([&](std::promise<Texture> p, std::string name) {
            std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
            Texture texture(name);
            std::cout << "纹理加载完成：" << name << "\n";
            p.set_value(std::move(texture));
        }, std::move(promise), textureName).detach();
 
        Texture texture = co_await future;
        std::cout << "纹理加载后处理：" << texture.getName() << "\n";
        // 将纹理添加到资源管理器中
        textures_[textureName] = texture;
    }
 
    // 获取纹理
    Texture* getTexture(const std::string& textureName) {
        if (textures_.count(textureName)) {
            return &textures_[textureName];
        } else {
            return nullptr;
        }
    }
 
private:
    std::unordered_map<std::string, Texture> textures_;
};
 
int main() {
    ResourceManager resourceManager;
 
    // 异步加载纹理
    auto task1 = resourceManager.loadTextureAsync("texture1.png");
    auto task2 = resourceManager.loadTextureAsync("texture2.png");
 
    std::cout << "主线程继续执行...\n";
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(3)); // 模拟主线程的其他工作
 
    // 获取纹理
    Texture* texture1 = resourceManager.getTexture("texture1.png");
    if (texture1) {
        std::cout << "成功获取纹理：" << texture1->getName() << "\n";
    } else {
        std::cout << "纹理未加载：texture1.png\n";
    }
 
    return 0;
}

在这个例子中，loadTextureAsync 函数使用 co_await 关键字挂起自身，等待纹理加载完成。在等待期间，主线程可以继续执行其他任务，例如加载其他资源或处理用户输入。当纹理加载完成后，协程会恢复执行，并将纹理添加到资源管理器中。

5. 游戏开发实战：动画播放

除了异步加载资源，协程还可以用于优化动画播放。例如，我们可以使用协程来实现骨骼动画的异步更新。

假设我们有一个 Skeleton 类，用于表示骨骼动画。我们需要实现一个 updateAsync 函数，用于异步更新骨骼动画。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <coroutine>
#include <future>
#include <thread>
#include <chrono>
 
// 骨骼节点
struct Bone {
    std::string name;
    // ... 其他属性
};
 
class Skeleton {
public:
    Skeleton(const std::string& name) : name_(name) {}
 
    // Awaitable 对象，用于模拟异步操作
    struct Task {
        struct promise_type {
            Task get_return_object() {
                return Task{std::coroutine_handle<promise_type>::from_promise(*this)};
            }
            std::suspend_never initial_suspend() noexcept { return {}; }
            std::suspend_never final_suspend() noexcept { return {}; }
            void return_void() {}
            void unhandled_exception() {}
        };
        std::coroutine_handle<promise_type> handle;
    };
 
    // 异步更新骨骼动画
    Task updateAsync() {
        std::cout << "开始更新骨骼动画：" << name_ << "...\n";
 
        // 模拟耗时操作：更新骨骼节点
        for (auto& bone : bones_) {
            std::cout << "更新骨骼节点：" << bone.name << "...\n";
            std::promise<void> promise;
            std::future<void> future = promise.get_future();
            std::thread([&](std::promise<void> p, std::string boneName) {
                std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(50));
                std::cout << "骨骼节点更新完成：" << boneName << "\n";
                p.set_value();
            }, std::move(promise), bone.name).detach();
 
            co_await future;
        }
 
        std::cout << "骨骼动画更新完成：" << name_ << "\n";
    }
 
    void addBone(const Bone& bone) {
        bones_.push_back(bone);
    }
 
private:
    std::string name_;
    std::vector<Bone> bones_;
};
 
int main() {
    Skeleton skeleton("skeleton1");
    skeleton.addBone({"bone1"});
    skeleton.addBone({"bone2"});
    skeleton.addBone({"bone3"});
 
    // 异步更新骨骼动画
    auto task = skeleton.updateAsync();
 
    std::cout << "主线程继续执行...\n";
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(200)); // 模拟主线程的其他工作
 
    return 0;
}

在这个例子中，updateAsync 函数使用 co_await 关键字挂起自身，等待每个骨骼节点的更新完成。在等待期间，主线程可以继续执行其他任务。当所有骨骼节点都更新完成后，协程会恢复执行，并完成骨骼动画的更新。

6. 协程的优势与局限性

优势：

• 更高的性能：协程避免了线程切换的开销，可以提高程序的性能。
• 更简洁的代码：协程可以使用 co_await 关键字简化异步编程的代码。
• 更好的可维护性：协程可以将复杂的任务分解成多个小的任务，提高代码的可维护性。

局限性：

• 需要手动调度：协程需要程序员手动控制调度，如果使用不当，反而会降低性能。
• 调试困难：协程的调试比线程更加困难，需要使用专门的调试工具。
• 并非所有场景都适用：协程只适用于 IO 密集型和计算密集型任务，对于 CPU 密集型任务，使用线程可能更合适。

7. 协程使用的注意事项

• 避免阻塞协程：在协程中进行阻塞操作会导致整个线程阻塞，影响程序的性能。应该使用异步 API 或将阻塞操作放到线程池中执行。
• 注意协程的生命周期：协程的生命周期由程序员控制，需要确保协程在完成任务后被销毁，避免内存泄漏。
• 避免协程嵌套过深：协程嵌套过深会导致代码难以理解和维护，应该尽量避免。
• 选择合适的调度器：协程的调度器负责调度协程的执行，选择合适的调度器可以提高程序的性能。

8. 总结

C++20 协程为游戏开发提供了一种新的并发编程模型，它可以提高程序的性能、简化异步编程的代码，并提高代码的可维护性。但是，协程也并非银弹，需要程序员手动控制调度，并注意一些使用上的限制。只有正确使用协程，才能充分发挥其优势，为游戏带来更好的性能和体验。

希望本文能够帮助你理解 C++20 协程在游戏开发中的应用，并在实际项目中灵活运用。记住，技术是服务于业务的，选择最适合你的工具才是最重要的。