【GTMF2018OSAKA】ハードウェアの性能を活かす為の、Unityの新しい3つの機能
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2018/6/27に開催されたGTMF2018OSAKAの講演資料です。 講師：山村 達彦（ユニティ・テクノロジーズ・ジャパン合同会社）
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【GTMF2018OSAKA】ハードウェアの性能を活かす為の、Unityの新しい3つの機能
- 3. 環境にフィットしたエンジン グラフィック エンジンの機能 オブジェクト制御 Vulkan / Metal / DirectX / OpenGL 内部でプラットフォームのAPIを使う 環境毎にある程度最適化 Monobehaviour …どうだろう 最近余り良くない
- 4. スクリプト、基礎から考え直す ECS C# Job System Burstコンパイラ GameObject MonoBehaviour (簡単、様々な用途で使える。だが遅い） (よりHWに寄り添う） （パフォーマンスのために 難しい事をする必要がある）
- 6. ３つの機能 ・C# Job System ・Entity Component System (ECS) ・Burst Compiler 今回はコレの話
- 7. ・C# Job System ・Entity Component System (ECS) ・Burst Compiler
- 9. コンポーネントは状態と処理を持つ GameObjectはコンポーネントのコンテナ GameObject GameObject • ゲーム世界内での物体 • 複数のComponentを持つ Transform Car Component • GameObjectの機能 • フィールドを持つ • ロジックを持つ • 他のComponentを操作する （Transform等）
- 10. EntityはComponentDataのコンテナ ComponentDataは値のみを持つ Entity Entity • ゲーム世界でのモノ • 複数のComponentDataを持つPosition Wheel Engine ComponentData • Entityの持つ概念 • 値を持つ （持たない事もある） • ロジックは持たない
- 15. 通常クラスの場合 乗り物 is a is a is a has a ○○マネージャー
- 18. ECSの場合 Entityに「タイヤ」と「エンジン」があれば「車」の振る舞いを実現する type:乗り物のような、特定のクラスは無くても良い タイヤ タイヤ タイヤ 人力 エンジン エンジン 荷物 荷物 タイヤ 人力
- 24. 手順 1/3 ComponentDataの定義 public struct Engine : IComponentData { public float power; } IComponentData を定義 IComponentDataを継承 フィールドのみ持つ 何もデータを持たない事もある
- 25. 手順 2/3 ComponentDataの組み合わせ定義 var entity_manager = World.Active.GetOrCreateManager<EntityManager>(); arche_type = entity_manager.CreateArchetype( typeof(Position) , typeof(Rotation) , typeof(Engine) , typeof(Wheel) , typeof(Handle) , typeof(MeshInstanceRenderer)); Entityに含める”ComponentDataの組わせを”作成 先程定義したComponentData
- 26. 手順 3/3Entity つくる var entity = entity_manager.CreateEntity(arche_type); var entity = entity_manager.CreateEntity(arche_type); var pos0 = new Position { Value = new float3(0,0,0), }; entity_manager.SetComponentData<Position>(entity, pos0); SetComponentDataで初期化 CreateEntityでEntityを作成
- 28. public class CarSytem: ComponentSystem { } 手順(1/4) Systemを作る ComponentSystemを継承 実行順がある場合は、 UpdateAfter(type)属性で 呼び出しタイミングを制御
- 29. 手順(2/4) グループを作成 public class CarSytem: ComponentSystem { struct Group { public int Length; public ComponentDataArray<Wheel> wheels; [ReadOnly] public ComponentDataArray<Engine> engines; private SubtractiveComponent<Wing> wings; } } タイヤとエンジンを 持つEntity 羽を持つものは除く 条件を フィルタリング
- 30. 手順(3/4) グループを注入 public class CarSytem: ComponentSystem { struct Group { public int Length; public ComponentDataArray<Wheel> wheels; [ReadOnly] public ComponentDataArray<Engine> engines; private SubtractiveComponent<Wing> wings; } [Inject] Group group; } グループの条件に一致した ComponentDataが自動的に登録される 条件を フィルタリング
- 31. 手順(4/4) 処理を追加 public class CarSytem: ComponentSystem { … [Inject] Group group; protected override void OnUpdate() { for(int i=0; i<group.Length; i++){ var engine = group.engines[i]; //何かの処理 group.engines[i] = engine; } } } 毎フレーム呼ばれる処理 グループと一致した 要素の分だけ回す ComponentDataを 取り出して色々と処理 普通のC#
- 37. 「クラシック」の問題（１） データが散在していてキャッシュが使いにくい 必要なデータを集めるのに何度もロードが必要 Transform GameObject 1 Data Renderer Data Data Data Data Monobehavour Data Data TransformRigidbody Data DataData GameObject 2 Data Monobehavour Data GameObject 3 Data Transform Data Data Rigidbody Data Data Data
- 38. 「クラシック」の問題（２） float Speed; Transform transform … Vector3 up; Vector3 right; Vector3 forward; Vector3 position; Vector3 localPosition; Quatrainion rotation; Quatrainion localRotation; … MoveScript Transform 余計なデータが たくさん含まれる 余計なデータで キャッシュがすぐ埋まる 太字：必要なデータ 細字：不要なデータ
- 39. ECSのメモリレイアウト（見た目） Positoin Positoin Positoin Positoin Rotation Rotation Rotation Rotation Speed Speed Speed Speed Entity 0 Entity 1 Entity 2 Entity 3 EntityはComponentDataを持つコンテナのように見えるが…
- 40. ECSのメモリレイアウト（実際に近いイメージ） Positoin Positoin Positoin Positoin Rotation Rotation Rotation Rotation Speed Speed Speed Speed pos Array rot Array spd Array … … … ※実際にはもっと複雑で様々な最適化を含む Entityは唯のID、実態は構造体の配列 0 1 2 3 Entity2
- 41. ECSのシステムがアクセスするデータ Positoin Po Rotation Ro Speed Sp Pos Array Rot Array Spd Array 使用するデータのみ アクセスする 余計なデータで キャッシュがすぐ埋まらない
- 42. 連続するデータは先読み予測が効く POS POS POS POS POS POS POS POS POS POS POS POS 読んだ キャッシュライン 読んだ 多分次はココやろ 先に読んどいたる プリフェッチ
- 43. オブジェクトの増減が低コスト POS POS POS POS POS POS POS POS POS POS POS POS POS POS POS POS POS POS POS POS POS POS 最後の要素で塗り直すだけ ガベージコレクションは発生しない 要素を削除したときは POS
- 44. メモリはNative Containerで確保 •アンマネージドなメモリを提供 ＝ GCは発生しない •利便性を損なわず効率アップ •IL2CPPではインデクサが１命令 •AOSやSOAのなどに対応 （get/setのオーバーヘッドなし） NativeArraySOANativeArray
- 45. NativeArray 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 ジョブ終了時に自動開放させるオプション有 a.Dispose();
- 47. “ ” C# Job System 安全・簡単にマルチコアを活用
- 49. 一つのコアで複数の処理を実行 Core 0 Core 1 Work Work Work Work Work Work index[0] index[1] index[2] index[3] index[4] index[5] ZZZzzz 一つのコアが作業している間、他のコアは仕事が無い
- 50. 複数のコアで複数の処理を実行 複数のコアで分担して作業すれば早くおわる Core 0 Core 1 Work Work Work Work Work Work index[0] index[1] index[2] index[3] index[4] index[5] だからもっとコアを活用しよう！と言いたいが、
- 53. メインスレッド以外もガンガン使う
- 54. C# Job Systemの2つのAPI IJob Main Worker 0 Worker 1 Worker 2 IJobParallelFor 別のコアで処理 複数のコアで一括処理 Main Worker 0 Worker 1 Worker 2 処理 メインスレッドはジョブ発行するマン 処理が追いつかなければメインスレッドも使って一括処理
- 55. C# Job Systemの基本的な流れ（１/3） pos[0] pos[1] pos[2] pos[3] pos[4] pos[5] res[0] res[1] res[2] res[3] res[4] res[5] バッファーを用意する Jobの処理は全て確保したバッファーに対して行う NativeArray <float3> NativeArray <int> 計算に利用するデータ 結果を格納する用 NativeArray <int> 最終的な判断する用 ans[0]
- 56. C# Job Systemの基本的な流れ（2/3） pos[0] pos[1] pos[2] pos[3] pos[4] pos[5] res[0] res[1] res[2] res[3] res[4] res[5] 複数のジョブで担当する要素を処理し 結果をバッファに格納する NativeArray <float3> NativeArray <int> 計算に利用するデータ 結果を格納する Core 1 で処理 Core 3 で処理Core 2 で処理
- 57. C# Job Systemの基本的な流れ（3/3） res[0] res[1] res[2] res[3] res[4] res[5] ans[0] 結果をまとめて最終的な判定を行う NativeArray <int> 最終的な結果 Core 1 で処理 NativeArray <int> 結果を格納する
- 58. IJobParallelForを定義（１/3） struct AJob : IJobParallelFor { public void Execute(int id) { } } IJobParallelForを継承した構造体を定義 継承
- 59. IJobParallelForを定義（２/3） struct AJob : IJobParallelFor { public NativeArray<Vector3> positions; public void Execute(int id) { } } Jobが使用するバッファを定義 入出力のバッファ
- 60. IJobParallelForを定義（3/3） struct AJob : IJobParallelFor { public NativeArray<Vector3> positions; public void Execute(int id) { var pos = positions[id]; pos.y += 1f; positions[id] = pos; } } Jobの処理をExecuteに記述 idは供給される Jobが実行する処理
- 61. IJobParallelForを使う（１/4） struct AJob : IJobParallelFor { public NativeArray<Vector3> positions; public void Execute(int id) { var pos = positions[id]; pos.y += 1f; positions[id] = pos; } } Jobを生成 void Update() { var ajob = new AJob() ; } 生成
- 62. IJobParallelForを使う（２/4） struct AJob : IJobParallelFor { public NativeArray<Vector3> positions; public void Execute(int id) { var pos = positions[id]; pos.y += 1f; positions[id] = pos; } } Jobにバッファを登録 void Update() { var ajob = new AJob() { positions = m_Positions, }; } データ参照
- 63. IJobParallelForを使う（３/4） struct AJob : IJobParallelFor { public NativeArray<Vector3> positions; public void Execute(int id) { var pos = positions[id]; pos.y += 1f; positions[id] = pos; } } void Update() { var ajob = new AJob() { positions = m_Positions, }; var handle = ajob.Schedule(positions.Length, 8); } 実行指令 １ジョブでまとめて 実行する回数 毎フレームScheduleを呼ぶ
- 64. IJobParallelForを使う（4/4） struct AJob : IJobParallelFor { public NativeArray<Vector3> positions; public void Execute(int id) { var pos = positions[id]; pos.y += 1f; positions[id] = pos; } } void Update() { var ajob = new AJob() { positions = m_Positions, }; var handle = ajob.Schedule(positions.Length, 8); JobHandle.ScheduleBatchedJobs(); handle.Complete(); } 即時ジョブ起動 完了まで待つ 以下は必要に応じて
- 65. IJob struct BJob : IJob { public void Execute() { } } 継承
- 66. IJob struct BJob : IJob { public NativeArray<Vector3> positions; public NativeArray<int> result; public void Execute() { } } 入出力
- 67. IJob struct BJob : IJob { public NativeArray<Vector3> positions; public NativeArray<int> result; public void Execute() { for (var i = 0; i < positions.Length; ++i) { var pos = positions[i]; if( pos.x > -0.5f && pos.x < 0.5f){ } } } } ジョブの実行内容
- 68. IJob struct BJob : IJob { public NativeArray<Vector3> positions; public NativeArray<int> result; public void Execute() { for (var i = 0; i < positions.Length; ++i) { var pos = positions[i]; if( pos.x > -0.5f && pos.x < 0.5f){ result[0] = 1; return; } } result[0] = 0; } } 結果を格納
- 69. IJob struct BJob : IJob { public NativeArray<Vector3> positions; public NativeArray<int> result; public void Execute() { for (var i = 0; i < positions.Length; ++i) { var pos = positions[i]; if( pos.x > -0.5f && pos.x < 0.5f){ result[0] = 1; return; } } } } 参照なので危険がつきまとう 読込専用なら兎も角、読み書きするジョブが複数同時に同じ要素を操作するとヤバイ [ReadOnly]や[WriteOnly]属性をつける データの読取専用 データの書込専用
- 70. 問題が起こりそうならエラーを出してくれる InvalidOperationException: The previously scheduled job Job1:AJob writes to the NativeArray AJob.positions. You are trying to schedule a new job Job1:BJob, which writes to the same NativeArray (via BJob.positions). 要約：複数のジョブが同じNativeArrayに同時に書き込むかも
- 71. InvalidOperationException: The native container has been declared as [WriteOnly] in the job, but you are reading from it. 要約：書込専用のNativeArrayを読み込んじゃあかん 問題が起こりそうならエラーを出してくれる ありがたや
- 72. ジョブの依存関係 Scheduleの引数にJobHandleを入れる 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(); } bJobはaJobが 完了したら実行
- 73. Injectで取得したComponentDataArrayをそのまま渡せる struct RigidbodyPositionJob : IJobParallelFor { public ComponentDataArray<Unity.Transforms.Position> positions; public ComponentDataArray<RigidbodyPosition> rigidbodies; public void Execute(int i){ // 処理 } } ECSとのC# Job Systemの連携（1）
- 74. ECSとのC# Job Systemの連携（2） public struct RigidbodyPositionJob : IJobProcessComponentData<Position, RigidbodyPosition> { public void Execute(ref Position pos, ref RigidbodyPosition rot) { // 処理 } } [Inject]記述が不要になる他、若干効率的 [ReadOnly][WriteOnly]は引数に付与 競合しないようジョブの依存をよしなにしてくれる 必要なComponentDataはジェネリックで定義 IJobProcessComponentDataを使う
- 75. High Performance C# （C# Job Systemの制約） Class Type無し Boxing無し GC Allocation無し Exception無し 大丈夫！ まだ （一応） C# All Basic Types Struct Enum Generic Properties Safe Sandbox
- 82. 厳しい条件の上で最適化 High Performance C#前提 Class Type無し Boxing無し GC Allocation無し Exception無し ECSのメモリレイアウト前提 データの入出力が確定してる前提 スレッドで処理が前提 自由に組めると 最適化にも遊びが必要 制約を設ける事で 限界まで最適化
- 83. 実際、かなり速くなる
- 84. 様々な最適化 最適化しやすいMathライブラリも提供 CPU拡張命令を積極的に使う 計算の精度を下げる 厳密な結果が必要ない箇所に使うオプション プロセッサ向けの最適化をUnityで行う avx2, sse4, neon, arrch 下手なC++コードより高速らしい
- 85. [Unity.Burst.BurstCompile] struct AJob : IJobParallelFor { public NativeArray<Vector2> positions; public void Execute(int index) { var pos = positions[index]; pos.x += 0.2f; positions[index] = pos; } } 使い方 IJoｂ系のインターフェースに BurstCompile属性をつける すべての場所で使える訳ではない
- 88. “ ” ECSでメモリレイアウト制御（面倒）をよしなにしてくれる C# Job Systemでマルチコア対応（面倒）をよしなにしてくれる BurstでCPU演算の最適化（面倒）をよしなにしてくれる まとめ