Как разрабатываются многопоточные компьютерные игры. Приложение B. Схема взаимодействия движка и систем. Жесткий пошаговый режим

Посвящённой исследованию производительности двухъядерных процессоров в трёхмерных играх, прошло более полутора лет. За прошедшее время место топовых CPU заняли четырёхъядерники, а компания AMD выпустила и процессоры с тремя рабочими ядрами (хотя физически их там всё-таки четыре, но включены лишь три). Вместе с увеличением доли мультиплатформенных игр и развитием соответствующего инструментария, это привело к увеличению доли 3D игр, использующих возможности не просто двухпроцессорных систем, а уже многопроцессорных. Ведь консоль Microsoft Xbox 360 основана на трёхъядерном CPU, а Sony PlayStation 3 — на процессоре Cell, состоящем из одного универсального ядра и нескольких вычислительных элементов.

Ранее слабая поддержка многопроцессорных систем в компьютерных играх была обусловлена их слабым распространением в игровых компьютерах. Теперь же найти приличный одноядерный процессор в продаже просто невозможно, минимальными для современных игровых ПК стали двухъядерные процессоры, а нередко и трёхъядерные или четырёхъядерные. Причем, стоят они уже не так уж и много, их цена приемлема для обычного пользователя. Соответственно, пользователям интересно, какая польза есть от второго, третьего, четвёртого ядра CPU в 3D играх. В данной статье мы исследуем эту тему, и покажем прирост производительности в современных играх от каждого дополнительного ядра центрального процессора, вплоть до четырёх.

Напомним, что прирост производительности на многоядерных системах возможен даже в тех случаях, когда само приложение однопоточное, или когда вспомогательные потоки слабо используют мощности имеющихся процессоров. 3D приложения, сами по себе умеющие использовать ресурсы только одного ядра, в некоторых случаях ускоряются на многоядерных процессорах из-за того, что Direct3D API и драйверы видеокарт умеют частично распределять расчёты и использовать возможности более чем одного ядра в своих целях. Помогает и операционная система, распределяющая потоки на физические ядра процессора, кроме случаев, когда этим управляет само приложение. Итак, чтобы перейти от теории к практике, мы протестировали несколько трехмерных игр на четырёхядерном процессоре и сделали анализ полученных результатов. Конфигурация и настройки тестовой системы

Использовалась следующая программно-аппаратная конфигурация:

• Процессор: Intel Core 2 Quad Q6600
• Системная плата: Foxconn X38A (Intel X38)
• Оперативная память: 4096MB DDR2 SDRAM PC6400
• Видеокарта: Nvidia Geforce 9800 GTX 512MB
• Жесткий диск: Seagate Barracuda 7200.10 320GB SATA
• Операционная система: Microsoft Windows Vista Home Premium
• Видеодрайвер: Nvidia Geforce Release 178

В качестве процессора был взят один из популярных четырёхядерных процессоров компании Intel. Отключение отдельных ядер было бы корректнее на процессорах AMD Phenom в силу «склеенности» Core 2 Quad из двух половинок и соответствующих особенностей взаимодействия ядер с кэш-памятью. Зато у него кэш-память L3 общая… В общем, только если в нашем исследовании обнаружатся непонятные моменты с относительной производительностью трёх- и четырёхядерных конфигураций Core 2, связанные с этой проблемой, мы попробуем перепроверить их на AMD Phenom.

Во время предварительной подготовки к тестам было отмечено, что установка использования конкретных ядер CPU при помощи «Set affinity» в Диспетчере задач Windows для конкретного приложения не даёт корректных результатов при тестировании. Многие игры определяют физическое количество ядер процессора, доступное в операционной системе, и при запрете использования некоторых из ядер процессора системой, это приводит к тому, что на одном ядре запускаются сразу несколько требовательных потоков приложения. В результате производительность получается ещё ниже, чем в реальности показывает система на основе одноядерного CPU.

Поэтому, для отключения процессорных ядер использовался встроенный в операционную систему метод изменения количества доступных ОС и приложениям процессоров при помощи утилиты bcdedit (аналог файла boot.ini в Windows XP, отсутствующий в Windows Vista). Так, чтобы использовать в Vista лишь два процессора, нужно выполнить в командной строке:

bcdedit /set {current} numproc 2

Тогда после перезагрузки система и приложения будут видеть только заданное число ядер, что почти аналогично физическому наличию, за исключением некоторых различий, в т.ч. описанных выше специфичных для четырёхъядерных процессоров на основе ядер Intel Core 2.

Настройки видеодрайвера использовались устанавливаемые по умолчанию, качество текстурной фильтрации было выставлено в значение «High quality». Использовались три тестовых разрешения, все широкоформатные: 1280x720(800), 1680x1050 и 1920х1200 — это стандартные режимы для распространенных ЖК-мониторов.

Тесты проводились с использованием анизотропной текстурной фильтрации уровня 16х и антиалиасинга MSAA 4x из игровых настроек, если такие поддерживаются самим приложением. Влияние процессорной мощи было бы заметней в случае отключенных анизотропной фильтрации и антиалиасинга, но это противоречит самой цели тестирования в реальных условиях, ведь на мощных системах все играют с высокими настройками качества изображения.

Набор игр, использовавшихся в данной статье, включает и приложения со встроенными стандартными бенчмарками, часто используемых в статьях, и некоторые игры, не предоставляющие стандартных средств для измерения производительности. В части игр использовался метод измерения производительности при помощи программы FRAPS, имеющий некоторые недостатки, отмеченные в . Для единовременного тестирования такой метод подходит, хотя погрешность тестирования и возрастает.

Помимо средней частоты кадров в трёх разрешениях и с разным количеством включенных ядер процессора, измерялась средняя и максимальная загрузка каждого из ядер четырёхъядерника. Эти цифры полезны для определения того, насколько эффективно используют предоставленные им ресурсы приложение, графический API, видеодрайвер и операционная система. Для сокращения объёма табличной информации было использовано только разрешение 1280х720(800), в нём нагрузка на CPU должна быть максимальной. Анизотропная фильтрация и мультисэмплинг остаются включенными.

Для этих тестов использовалась утилита PIX for Windows из DirectX SDK, а в случае приложений, по тем или иным причинам не работающим под PIX (а это Crysis, ETQW, Lost Planet, DMC4, GRID), использовались универсальные возможности мониторинга утилиты RivaTuner. Результаты тестирования

Crysis

Эта игра является вершиной технического прогресса во многих областях, в том числе и использовании многопроцессорных систем. К сожалению для данного тестирования, в Crysis производительность рендеринга ограничена, прежде всего, мощностью видеокарты. И даже представленная в нашем тесте сцена на открытом пространстве, с большим количеством геометрии и наличием активных физических расчётов, упирается в мощность видеокарты, а не центрального процессора.

Но посмотрим, что дают нам многопроцессорные системы в таких условиях. Мы включили игровые настройки на «High», а не на максимально возможный уровень, чтобы производительность хотя бы оставалась в рамках приличий. С той же целью был отключен и мультисэмплинг.

Как видим, хотя Crysis хорошо нагружает в том числе и центральный процессор системы, двух ядер ему вполне достаточно. Разница между 2, 3 и 4 доступными ядрами у CPU не превышает погрешности измерений. Ну а два ядра действительно прилично увеличивают производительность во всех режимах, даже в разрешении 1920х1200 есть разница.

Причём, по двум низким разрешениям явно виден упор в производительность одного ядра процессора. Видимо, ускорение получается за счёт переноса физических вычислений а также обработки вызовов D3D API на второе ядро CPU. Посмотрим, насколько сильно были загружены ядра CPU в процессе тестирования:

	Core 1	Core 2	Core 3	Core 4
Average	6.7	9.5	35.9	92.4
Maximum	12.5	21.9	62.5	100

И сразу же нашли интересное — даже с учётом неплохой загрузки второго ядра процессора, а также небольшой работы и для третьего с четвертым, общую производительность ограничивает производительность одного ядра. Вот посмотрите, средняя загрузка Core 4 была под 100%, а это значит, что почти всё время он работал на полную мощность. То есть, общая скорость игры, скорее всего, была ограничена процессором.

Впрочем, в случае игровых приложений зачастую бывает так, что производительность упирается в то процессорное ядро, которое обрабатывает вызовы функций отрисовки Direct3D API. И в его версиях до Direct3D 10 включительно, просто нет возможности распараллеливания этих расчётов. Остаётся ждать выхода DirectX 11 и соответствующих оптимизаций в будущих играх. Ну а пока подтвердить то, что для Crysis лучшим выбором будет быстрый двухъядерный процессор.

Если за 100% принять мощность одного ядра Core 2 Quad Q6600, то средняя его загрузка в этой игре в нашем тесте составила около 145%. То есть, налицо ещё одно косвенное подтверждение тому, что одноядерника игре не хватит, а вот двухъядерный CPU будет в самый раз.

Call of Duty 4

Это мультиплатформенная игра, корни движка которой идут ещё от Quake 3 Engine. Правда, от него, скорее всего, ничего уже не осталось. Зато что уж точно есть — так это неплохая поддержка мультипроцессорных систем, ведь на консолях без этого нелегко. Игра по современным меркам не особенно требовательна к мощности видеокарт, поэтому есть большая вероятность того, что она упирается в скорость CPU. Несмотря на то, что вышла уже следующая часть игры, никаких особенных изменений в её движке нет, по причине всё той же мультиплатформенности. Смотрим на результаты:

Видим в них почти ту же самую ситуацию, что и в предыдущем случае с Crysis, разве что разница между одноядерной и двухъядерной конфигурациями тут больше. Сильный рост производительности наблюдается только при сравнении одноядерного и двухъядерного процессоров, в самом лёгком режиме (но с анизотропной фильтрацией и антиалиасингом) разница ближе к двукратной, но и в тяжёлых режимах она ощутима — более 20%. Небольшая разница есть и для трёх рабочих ядер против двух, но уж очень она небольшая, меньше 3%. Ясно видно, что одного ядра CPU игре также недостаточно, но и больше двух вряд ли необходимо. Посмотрим на загрузку всех ядер процессора:

	Core 1	Core 2	Core 3	Core 4
Average	53.4	57.4	25.7	59.4
Maximum	87.5	87.5	57.2	100

Хорошо видно, что игра, драйверы и система в этом случае лучше распределяют работу по имеющимся ядрам — равномерно загружены три из четырёх ядер, да и последнему работа достаётся. Хотя, в этой игре не так велики затраты на обработку вызовов функций отрисовки Direct3D, по сравнению с Crysis, видимо поэтому и нет явного упора в производительность одного ядра.

Приведём требуемую мощность центрального процессора в переводе на одно ядро. Средняя загрузка CPU в этой игре в нашем случае составляет около 195%. Это близко к мощности двухъядерника, и вместе с 100% максимумом загрузки одного из ядер объясняет небольшой прирост от включения третьего ядра в разрешении 1280х720. В целом же, для Call of Duty 4 также не хватит процессора мощностью равной одному ядру Core 2 Quad Q6600, а соответствующий двухъядерный CPU вполне справится с игрой в использованных нами настройках.

Enemy Territory: Quake Wars

А эта многопользовательская игра основана на движке DOOM 3 Engine от id Software, который всегда отличался неплохой поддержкой многопроцессорных конфигураций. Движок довольно сильно процессорозависим, так как центральный процессор системы используется в алгоритмах расчета и наложения теней. Также на процессор возложен расчёт и физических взаимодействий.

Очень важно, что в отличие от DOOM 3, Quake 4 и Prey, в Enemy Territory: Quake Wars бои идут на открытом пространстве. Это также может серьёзно повлиять на результат, так как рендеринг открытых пространств традиционно зависит больше от мощности процессора, чем от видеокарты. Проверим вышесказанное на практике:

Но в этом случае мы видим даже меньшее влияние мощности процессора на производительность, чем в ранее протестированных играх. Результаты для многоядерников не такие впечатляющие, по сравнению с предыдущими приложениями. Хотя 45% прибавки от второго ядра в «легком» режиме наблюдаются, в более «тяжёлых» они испарились. И если в среднем разрешении какая-то разница ещё есть, то в самом высоком она уже в пределах погрешности. Смотрим, как были загружены ядра:

	Core 1	Core 2	Core 3	Core 4
Average	19.7	29.8	31.8	44.4
Maximum	37.5	59.4	54.7	67.2

Операционная система разделила нагрузку на все ядра процессора примерно на равные части, хотя трём из ядер досталось больше работы. Но всё равно, работы для CPU явно слишком мало, чтобы получать прирост производительности от более чем двух ядер процессора. Посчитаем требуемую мощность — около 125%, то есть, в разрешении 1280x720 с анизотропной фильтрацией и антиалиасингом игре требуется чуть больше одного ядра процессора Core 2, работающего на частоте 2.4 ГГц. Это хорошо объясняет результаты — толк есть только от второго дополнительного ядра CPU, и не более того.

Race Driver: GRID

Ещё одна игра, основанная на мультиплатформенном движке. Его корни идут от Colin McRae Rally: DiRT, и данный движок отличается тем, что очень хорошо использует возможности многопроцессорных систем. В зависимости от количества процессоров, доступных системе, создаются несколько отдельных потоков для 3D рендеринга, физических расчётов, AI, звуковых данных, подгрузки данных с носителя, Force Feedback и т.д. В конфигурационных файлах есть настройки распределения потоков вплоть до восьмипроцессорных систем.

Естественно, все возможности восьми процессоров игра не в состоянии использовать, но путь разработчики избрали правильный. Игра не особенно требовательна к мощности видеосистемы, и можно ожидать, что её производительность упрётся в скорость CPU, и мы наконец увидим смысл от третьего и/или четвёртого ядер тестового процессора. К сожалению, в игре нет нормальных возможностей, пришлось воспользоваться методом тестирования с использованием FRAPS:

Итак, действительно, некая небольшая разница между конфигурациями с тремя/четырьмя и двумя ядрами есть, не говоря уже об однопроцессорной. Но разница невелика, игре явно хватает и двух процессоров в тестовых разрешениях. Но вот одноядерные CPU для игры совершенно точно не подходят, отставая от двухъядерной конфигурации в полтора-два раза. Вот что значит настоящее многопоточное приложение, сделанное таким изначально, и не особенно требовательное к GPU. Даже от третьего ядра в низких разрешениях толк есть. Смотрим нагрузку по ядрам:

	Core 1	Core 2	Core 3	Core 4
Average	66.5	87.2	53.0	58.6
Maximum	85.9	96.9	82.8	75.0

Ну вот, сразу все четыре ядра нагружены более чем наполовину в среднем, и до 80-95% в пике. Это явно говорит об ограничении производительности игры маломощными процессорами в разрешениях 1280х720 и ниже (максимальные игровые настройки, MSAA 4x и AF 16x, напомню). А что получается в пересчёте на одно ядро? 265%! Вот она — первая игра в наших тестах, которой в разрешении 1280х720 явно недостаточно двух ядер Core 2, работающих на частоте 2.4 ГГц. Значит, приросты от третьего ядра всё-таки не случайность и не погрешности тестирования (FRAPS, всё-таки, мало ли что…).

Call of Juarez DX10

Эта уже не новая игра, получившая поддержку Direct3D 10, интересна тем, что совсем не использует возможности многоядерных процессоров, как выяснилось в нашем предыдущем исследовании (впрочем, там были D3D9 версия). Если где и есть упор в CPU, то в производительность одного из вычислительных ядер центрального процессора, из-за сравнительно большого количества вызовов отрисовки. Но в основном, производительность в Call of Juarez ограничена видеокартой, на неё ложится большая нагрузка, а процессору остаются несложные физические и AI расчеты.

Как видим, ничего не изменилось со времени нашего предыдущего тестирования в этой игре — никакой существенной разницы между конфигурациями с одним, двумя, тремя и четырьмя ядрами просто нет. Если где и есть очень маленькая разница, то её можно объяснить снижением небольшой нагрузки на процессор со стороны системных и фоновых процессов. А в остальном, игра подтверждает высказанное ранее предположение, что скорость рендеринга в ней почти полностью зависит от мощности видеокарты.

Но посмотрим на загрузку по ядрам отдельно, чтобы убедиться в предположениях окончательно:

	Core 1	Core 2	Core 3	Core 4
Average	60.6	2.9	2.7	5.0
Maximum	87.9	16.4	19.5	35.0

Цифры говорят сами за себя — мало того, что в процессе тестирования работой реально было нагружено лишь одно из ядер процессора (средние 3-5% у других ядер это почти ничто), так ещё и то единственное в среднем работало лишь на две трети своих сил в среднем, и до максимальных 100% загрузка не доходила никогда. А значит, что упора скорости ни в несколько ядер CPU, ни даже в одно в данной игре не наблюдается, и приложение однопоточное по своей природе, поэтому ему хватит одноядерного процессора. Об этом же говорит и суммарная загрузка ядер, которая не доходит и до 75%.

Company of Heroes: Opposing Fronts

Возможно, в играх других жанров (стратегиях) от многопроцессорных конфигураций будет больше толка и мы увидим большие приросты. Рассмотрим давно известный бенчмарк в Company of Heroes, также получивший поддержку Direct3D 10 в дополнении Opposing Fronts. К сожалению, встроенный бенчмарк в игре не отражает игровую производительность, так как показывает лишь скриптовый ролик, не относящийся к игровому процессу, но всё равно будет интересно посмотреть на разницу в производительности между разными конфигурациями.

Ну вот, одного ядра Core 2 на частоте 2.4 ГГц тут явно не хватает, и прирост от второго ядра явно присутствует, хоть и небольшой — от 15 до 30%. Делаем вывод, что производительность скриптовых роликов в игре Company of Heroes: Opposing Fronts ускоряется на двухпроцессорных конфигурациях. Вероятно, даже если приложение многопоточное само по себе, часть прироста получается из-за оптимизации драйвера и более эффективного распределения нагрузки от фоновых и системных процессов. Рассмотрим нагрузку на ядра нашего тестового процессора:

	Core 1	Core 2	Core 3	Core 4
Average	18.3	21.0	57.1	35.4
Maximum	42.1	50.6	100	72.5

По этим цифрам убеждаемся, что приложение само по себе многопоточное — загружены работой все четыре ядра. Пусть и в разной мере, так как два из них выполняют больше работы, чем оставшиеся. В целом, игре достаточно двух ядер нашего тестового процессора, загрузка в пересчёте на одно ядро Core 2 составила чуть более 130%. То есть, от второго ядра приложение действительно получает некоторый прирост в частоте кадров, а вот дальнейшее увеличение количества процессоров в системе для рассмотренной игры бессмысленно.

Need for Speed: ProStreet

Need for Speed: ProStreet — это одна из игр известной серии, движок которой мультиплатформенный в своей основе. Он отличается хорошей распараллеленностью, что важно для игровых консолей. К сожалению, в игре также нет никаких возможностей по измерению производительности, отсутствуют и возможности записи и проигрывания повторов гонок, поэтому приходится использовать FRAPS метод с большей чем обычно погрешностью. Однако, игра весьма интересна с точки зрения основной темы статьи, она мультиплатформенная, и должна получать преимущество на многопроцессорных системах, поэтому пропустить мы её не могли.

Даже в самом тяжёлом разрешении видна разница между одноядерной и остальными конфигурациями. А в двух остальных так и вовсе — даже три ядра оказались быстрее двух. Впрочем, разница там уже не столь явная и из-за погрешностей тестирования к ней нужно относиться осторожно.

Преимущество у трёхъядерного и четырёхъядерного процессоров перед одноядерным в меньшем разрешении получилось почти двукратное. В остальных случаях также видна приличная разница — 20-40%, что явно говорит об использовании игрой нескольких потоков, которые распределяются системой между ядрами CPU. Посмотрим в таблице, насколько эффективно было это распределение:

	Core 1	Core 2	Core 3	Core 4
Average	89.4	66.3	57.2	68.9
Maximum	100	84.8	81.6	90.8

Ну что же, вот и ещё одна игра, которой явно не хватает двух ядер Core 2 на частоте 2.4 ГГц, и даже в тяжёлых графических настройках. Работой были довольно сильно загружены все четыре ядра тестового процессора, одно из которых порой до 100%, а ещё одно — до 90%. Остальным досталось меньше, но средняя загрузка всё равно была выше 50%, что очень много.

В пересчёте на одно ядро получается более 280%, то есть, игра почти полностью использовала возможности трёх из четырёх ядер нашего тестового Core 2 Quad. Получается, что для Need for Speed: ProStreet очень желательны трёх- и четырёхъядерные процессоры, причем разница прослеживается далеко не в самых простых игровых и графических настройках.

Lost Planet

Очередная мультиплатформенная игра, движок которой умеет использовать возможности многопроцессорных игровых систем. Игра отличается неплохой технологичной графикой, и основная нагрузка приходится на видеокарту. Но, в случаях большого количества динамических объектов в кадре, количество вызовов функций отрисовки Direct3D растёт, и вместе с этим резко увеличивается нагрузка на центральный процессор системы. Игра предлагает встроенный бенчмарк, разделённый на два теста. Рассмотрим цифры, полученные в обоих подтестах:

Хорошо видно, что первая часть бенчмарка под названием Snow, почти полностью ограничена скоростью видеокарты — мы не наблюдаем никакой разницы в зависимости от используемой конфигурации с разным количеством включенных процессорных ядер. Зато второй тест, отличающийся большим количеством объектов в кадре, очень сильно ограничен скоростью процессора, и одного его ядра явно не хватает для приемлемой производительности хотя бы на уровне 30 кадров в секунду. В этом случае преимущество от двух ядер приличное, и что особенно интересно — оно даже больше, чем два раза. Возможно, сказываются дополнительные расходы, связанные с исполнением нескольких потоков на одном ядре.

Возможно, разобраться в этом нам помогут цифры средней и максимальной загрузки ядер при тестировании в разрешении 1280x720 с включенными антиалиасингом и анизотропной текстурной фильтрацией:

Snow	Core 1	Core 2	Core 3	Core 4
Average	9.6	44.6	12.2	22.4
Maximum	25.0	82.8	31.3	48.4
Cave	Core 1	Core 2	Core 3	Core 4
Average	18.5	66.1	15.7	20.7
Maximum	65.6	90.6	43.8	68.8

Итак, для подтеста Snow мы получили очень низкую загрузку процессора. Хотя, что интересно, работу выполняет не единственное ядро, а все помаленьку. Значит, движок всё-таки хорошо распараллелен, и в первой части бенчмарка CPU банально простаивает, общая загрузка была бы около 90%, то есть, теоретически с подтестом Snow справляется и одно ядро, что мы и видели на диаграмме.

В случае второй части под названием Cave, складывается несколько иная ситуация. Хотя загрузка трёх из четырёх ядер примерно такая же, основное ядро загружено в полтора раза больше. В целом, по второму подтесту получается более 120% требуемых ресурсов, в пересчёте на одно ядро тестового CPU. То есть, одно ядро Core 2 на частоте 2.4 ГГц с Cave уже не справляется, и нужен хотя бы двухъядерник.

Тем не менее, так и не прояснилась ситуация с более чем двукратным отставанием одноядерного CPU от остальных конфигураций. Мы склонны предположить, что это результат выполнения нескольких потоков на одном физическом ядре, что даёт дополнительное снижение производительности из-за переключения потоков.

Devil May Cry 4

Вторая игра на том же самом движке, который использовался в предыдущем тесте. То есть, мультиплатформенном и распараллеленном движке производства компании Capcom. Впрочем, игра отличается от предыдущей и в игровом плане, и по нагрузке на систему. DMC4 предлагает встроенный бенчмарк, состоящий уже из четырёх частей. Впрочем, мы взяли результаты только двух из них, так как остальные мало от них отличаются, и забивать бессмысленными цифрами уже и так наполненную ими статью смысла нет.

Рассматриваем второй и четвёртый подтесты, которые также отличаются по типу нагрузки. Второй подтест (как и первый и третий, кстати), прежде всего, требователен к скорости GPU, а вот четвёртый содержит меньше работы для видеокарты и большое количество объектов, которые грузят больше уже центральный процессор.

Сразу видно, что движок у Lost Planet и Devil May Cry 4 одинаковый, да и подтесты показывают практически одно и то же. Так что все выводы по предыдущей игре можно смело отнести и к этой — в случае первых трёх подтестов основным ограничителем служит видеокарта, а в четвёртом — CPU. Последний отличается большим количеством объектов в кадре и ограничен скоростью процессора. Так, что одного ядра снова не хватает для приемлемой производительности.

И снова мы видим более чем двукратный прирост от второго ядра… Что, как минимум, подтверждает то, что в предыдущем случае мы не ошиблись при тестировании. Наверное, на одноядерном процессоре все потоки выполняются вместе, и при переключении между ними расходуются дополнительные ресурсы, что приводит к такому поведению. Рассмотрим цифры загрузки ядер в разрешении 1280х720:

Scene 2	Core 1	Core 2	Core 3	Core 4
Average	24.5	33.3	4.4	5.1
Maximum	48.4	64.1	68.8	73.4
Scene 4	Core 1	Core 2	Core 3	Core 4
Average	29.4	44.4	3.9	5.4
Maximum	67.2	79.7	65.6	59.4

Выводы повторяют сделанные в случае Lost Planet, разве что разница в загрузке ядер CPU между двумя сценами встроенного бенчмарка не такая большая, как в прошлой игре. Соответственно, получаем менее 70% загрузки во втором, и лишь 83% в четвёртом подтесте, в пересчёте на одно ядро тестового процессора.

Вторая цифра интересна тем, что если судить исключительно по ней, то одного ядра должно хватать в теории, но на практике его не хватает. И в этом «виновата» именно многопоточная природа мультиплатформенного движка Capcom. Вообще же, игре вполне хватит двухъядерного процессора.

World in Conflict

Вторая стратегическая игра в нашем обзоре, которая может показать необходимость в многоядерных процессорах для этого жанра. В ней также есть встроенный бенчмарк, но, в отличие от Company of Heroes, он вполне отражает игровую производительность, хоть и не так кинематографичен.

С точки зрения технологий это одна из самых интересных и технически продвинутых стратегических игр, она очень сильно нагружает как CPU, так и видеокарту, вы убедитесь в этом, когда посмотрите на диаграмму — частота кадров на максимальных настройках весьма низка для довольно мощной тестовой системы. Жаль, что встроенный бенчмарк не показывает десятые доли среднего FPS, хотелось бы определять производительность несколько точнее.

Впрочем, даже так видно, что игра очень хорошо относится к многопроцессорным системам, и приросты производительности получаются при переходах с одноядерного на двухъядерный и с двухъядерного на трёхъядерный процессоры, как минимум. Причём, однопроцессорная система отстаёт от двухпроцессорной в полтора-два раза, в зависимости от тестового разрешения, что очень и очень много. Значит, наблюдается явный упор в производительность универсального процессора. Посмотрим, как сильно загружены работой ядра CPU:

	Core 1	Core 2	Core 3	Core 4
Average	41.3	35.8	38.1	48.3
Maximum	84.8	56.6	67.7	84.4

Хорошо видно, что все ядра заняты работой почти в равной степени, что говорит о хорошем распараллеливании. Ни одно из ядер не было загружено на 100% на протяжении всего теста, так что ограничением частота процессора (и одного ядра в частности) не является.

В целом, игра требует не менее 160% мощности в переводе на одно ядро Core 2 на частоте 2.4 ГГц, то есть, минимум два ядра, а лучше три, с учётом хорошей многопоточности приложения. Большая производительность в случае четырёхпроцессорной конфигурации, которая у нас получилась, связана скорее с тем, что системные процессы используют незанятые ресурсы и не мешают игре.

S.T.A.L.K.E.R.: Shadow of Chernobyl

Эта игра была в нашем предыдущем исследовании полуторагодичной давности, оставили мы её и для текущего. Правда, в этот раз использовали не записанную разработчиками демку, а свою, сделанную под собственные нужны, поэтому результат может и должен отличаться. Впрочем, мы знаем, что игра нагружает сильнее GPU, а упор в скорость CPU есть разве что в низких разрешениях, причём, большее значение имеет только одно ядро, хотя игра многопоточная, основной поток, ограничивающий производительность — один. Посмотрим, что получается в разных конфигурациях:

Видно, что оригинальный S.T.A.L.K.E.R. получает неплохое преимущество от второго ядра процессора в самом простом режиме экрана — 1280x720. В более тяжелых разница становится почти незаметной. Интересно, что для двух тяжёлых режимов средняя частота кадров отличается несильно. Это говорит об упоре производительности в скорость одного из ядер процессора, и многоядерные процессоры тут ничем не помогут.

Полученное преимущество от второго ядра CPU достигло 10-30%, что в общем, хоть и не мало, но и не много. Оптимизации под многопроцессорные системы игре явно не достаёт. Или не игре, а графическому API, который пока не способен распараллеливать вызовы функций отрисовки на разные процессоры. Посмотрим, как сильно были загружены ядра Core 2 Duo Q6600 при тестировании:

	Core 1	Core 2	Core 3	Core 4
Average	97.8	1.9	17.3	40.6
Maximum	100	10.4	38.6	72.3

Ну вот и практическое подтверждение нашим предположениям. Несмотря на то, что приложение явно не однопоточное (активно используются три ядра) основной упор был явно в скорость основного ядра, которое почти всегда загружено на 100%!

В теории получается, что для S.T.A.L.K.E.R. необходимо около 160% мощности одного ядра Core 2 на частоте 2.4 ГГц, то есть, двухъядерника вполне достаточно. Но так как производительность больше зависит от скорости одного ядра, то частота CPU также должна быть высокой. И быстрый двухъядерный процессор вполне может быть быстрее слабого четырёх- или трёхъядерного.

S.T.A.L.K.E.R.: Clear Sky

Это продолжение (точнее — предыстория) оригинального S.T.A.L.K.E.R. Естественно, игровой движок получил дальнейшие усовершенствования, и его характеристики могли измениться. Именно для проверки этого мы и включили в тесты Clear Sky. Посмотрим, изменилось ли что в плане поддержки приложением многопроцессорных систем, и продолжает ли движок упираться в скорость единственного ядра центрального процессора. Смотрим сначала на диаграммы:

Судя по диаграмме, создаётся такое впечатление, что это тот же S.T.A.L.K.E.R., но в два раза медленней. Наблюдается примерно такой же прирост производительности от второго ядра, почти такой же упор разрешений 1680x1050 и 1920х1200 в некий невидимый потолок…

Игра явно многопоточная, и второе ядро даёт до трети прироста в средней частоте кадров в секунду, но это только в низком разрешении, в высоких ситуация меняется, и мы снова видим упор в единственное ядро CPU. Сейчас проверим:

	Core 1	Core 2	Core 3	Core 4
Average	99.1	1.5	12.8	1.2
Maximum	100	6.3	23.4	9.4

Всё ровно то же самое — первое ядро загружено работой под завязку (в среднем 99.1% — это явно чистый упор производительности), а остальные выполняют какие-то мелкие задачи, то ли системные, то ли вторичные игровые. Тут даже нет смысла считать необходимую скорость в пересчёте на одно ядро, так как всё равно скорость зависит только от частоты процессора.

В любом случае, одного ядра не хватает (потребляется более 115% его ресурсов даже в случае с упором в одно из ядер), но и более двух процессоров игра не способна эффективно использовать. Следовательно, для неё лучше подойдет быстрый двухъядерник.

Unreal Tournament 3

Ещё одной мультиплатформенной игрой, в отличие от множества протестированных выше ПК-эксклюзивов, стала Unreal Tournament 3 на основе известного движка Unreal Engine третьего поколения. Он также неплохо распараллелен и использует возможности многопроцессорных систем. Мы проверим, так ли это на самом деле.

Единственное, в чём сложность — снова нет нормальных тестовых инструментов во всех играх на основе этого движка. Есть так называемые flyby демки, которые слабо грузят CPU, а есть botmatch, которые хорошо подходят для CPU тестов, но дают слишком большой разброс в результатах. Но проверяем так, уж как получается:

А получилось не очень хорошо. Налицо явный упор в скорость одного ядра CPU, ещё хуже, чем у обоих Сталкеров… Хотя польза от дополнительных ядер также есть, её просто не видно на фоне упора в единственное ядро. Видимо, нужно было форсировать антиалиасинг, который из игры не поддерживается, поэтому настройки получаются не такими тяжелыми. Впрочем, упор в CPU это вряд ли бы полностью убрало. Посмотрим, как были загружены ядра в процессе тестирования:

	Core 1	Core 2	Core 3	Core 4
Average	91.0	40.3	39.1	52.3
Maximum	100	75.0	75.1	78.3

Ну вот такая весьма процессорозависимая игра Unreal Tournament 3 получилась. Все ядра четырёхъядерника загружены, и одно из них почти полностью, в него всё и упирается. Остальным тоже достаётся до половины возможной нагрузки. Ясно, что игра съест и трёхъядерные и четырёхъядерные процессоры, но как и в случае с обоими S.T.A.L.K.E.R., важна и тактовая частота процессора. То есть, CPU должен быть и многоядерный и высокочастотный.

В пересчёте на одно ядро игра использует более 220% его возможностей. То есть, даже двухъядерник её не устроит полностью. Но всё же ещё более важна частота CPU, в которую производительность игры и упирается.

Far Cry 2

Ну а последней игрой нашего исследования, в котором вы увидели и старые и новые игры, будет новейшая Far Cry 2. Она не имеет ничего общего с игрой Far Cry, кроме названия, и основана на совершенно ином мультиплатформенном движке производства Ubisoft, которое грозится активно использовать возможности мультипроцессорных систем, и на ПК и на консолях.

Игра весьма хороша технологически, несмотря на свою мультиплатформенность, и требовательна как к мощности видеокарты, так и к центральному процессору. Посмотрим, что получается в сравнении конфигураций с разным количеством активных процессорных ядер:

В общем, можно сказать, что основной упор в тестах был явно в GPU. Но от второго ядра универсального процессора толк тоже был — около 20% во всех разрешениях. А вот между двух-, трёх- и четырёхъядерниками разницы не отмечено никакой. Вероятно, Far Cry 2 хватает мощности двух ядер Core 2, работающих на частоте 2.4 ГГц. Сейчас мы это проверим:

	Core 1	Core 2	Core 3	Core 4
Average	29.2	24.4	57.5	39.3
Maximum	51.6	37.5	70.3	62.5

Так и есть, загрузка четырёх ядер Core 2 Quad Q6600 невелика, два ядра загружены примерно наполовину, а остальные — на четверть. В целом получается около 150% от мощности одного ядра. То есть, мы видим ещё одно подтверждение того, что двухъядерного процессора игре хватает за глаза, и толку от дальнейшего увеличения количества процессоров в системе для неё нет.

Впрочем, и в мощности одного ядра игра не упирается, ни одно ядро не было загружено более чем на 70% в любой момент теста. То есть, налицо основной ограничитель скорости в виде тестовой видеокарты Geforce 9800 GTX, а вот от CPU скорость зависит разве что только в случае одноядерной конфигурации нашего Core 2 Quad. Выводы

Подведём основные выводы, полученные при анализе результатов тестирования:

• Наблюдается явная зависимость от времени выхода игр, когда более новые приложения эффективнее используют возможности многопроцессорных систем, получая на них большую производительность. Если раньше основная часть увеличения производительности относилась к оптимизации видеодрайверов под многопроцессорные системы и выполнение потока графического API на ядре, отличном от основного для игрового приложения, то теперь большинство игр специально оптимизируются для многопроцессорных конфигураций. Игры используют несколько потоков, исполняющихся на разных ядрах процессора, обычно выделяют потоки для расчётов AI, физических эффектов, динамической подгрузки, рендеринга и т.п. Всё это явно указывает на необходимость использования многоядерных CPU для современных игр.
• Немудрено, что именно мультиплатформенные игры, движки которых предназначены и оптимизируются в том числе и под игровые консоли нынешнего поколения (Microsoft Xbox 360 и Sony PlayStation 3), показывают большие приросты на многопроцессорных конфигурациях. Ведь в этих консолях также используются многоядерные центральные процессоры, и такие игры получают преимущества от многоядерных CPU и на ПК. Ведь если движок использует несколько потоков на консолях, то ничего не мешает делать также и на настольных компьютерах.
• Сейчас среднее увеличение производительности (частоты кадров в секунду) от второго ядра CPU, составляет 20-40% в играх, которые используют один требовательный поток и несколько менее требовательных, и до двух раз и даже более — для игр, лучше оптимизированных под многопроцессорные системы. Лишь в малом количестве игр прирост от второго ядра крайне невелик, и он достигается оптимизацией видеодрайверов и более эффективным распределением нагрузки от фоновых и системных процессов. Большинство современных игр — это специально написанные многопоточные приложения, обеспечивающие увеличение производительности на двухъядерных процессорах, а некоторые — и на трёх- и четырёхъядерных.
• На данный момент, и минимально допустимым игровым CPU и оптимальным для игр является именно двухъядерный процессор (собственно, одноядерные уже и не купить). Смысла в трёх- и четырёхъядерных процессорах для игр до сих пор немного, и именно быстрые двухъядерники можно считать оптимальным выбором для игровых ПК. Ведь большая часть игр использует одно из ядер активнее всего, и очень часто скорость упирается именно в его производительность. Иными словами, для игр лучше приобрести двухъядерный процессор, работающий на частоте 3.0 ГГц, чем четырёхъядерный с частотой 2.4 ГГц (речь об одном и том же семействе процессоров). В большинстве современных игр первый будет быстрее. Правда, в играх будущего ситуация может измениться, ведь наблюдается явная тенденция увеличения количества потоков в игровых приложениях. Для примера можно посмотреть на протестированные игры Race Driver: GRID и NFS: ProStreet.

• Перевод

С появлением многоядерных процессоров возникла необходимость в создании игрового движка на основе параллельной архитектуры. Использование всех процессоров системы - как графического (ГП), так и центрального (ЦП) - открывает гораздо больше возможностей по сравнению с однопоточным движком на базе только ГП. Например, используя больше ядер ЦП, можно улучшить визуальные эффекты, увеличив количество физических объектов, используемых в игре, а также добиться более реалистичного поведения персонажей за счет реализации продвинутого искусственного интеллекта (ИИ).
Рассмотрим особенности реализации многопоточной архитектуры игрового движка.

1. Введение

1.1. Обзор

Многопоточная архитектура игрового движка позволяет использовать возможности всех процессоров платформы по максимуму. Она предполагает параллельное выполнение различных функциональных блоков на всех доступных процессорах. Однако реализовать подобную схему, оказывается, не так просто. Отдельные элементы игрового движка часто взаимодействуют между собой, что может привести к появлению ошибок при одновременном их выполнении. Для обработки подобных сценариев в движке предусмотрены специальные механизмы синхронизации данных, исключающие возможные блокировки. В нем также реализованы методы одновременной синхронизации данных, за счет чего время выполнения удается свести к минимуму.

Для понимания представленных материалов нужно хорошо разбираться в современных методах создания компьютерных игр, поддержки многопоточности для игровых движков или для улучшения производительности приложений в целом.

2. Состояние параллельного выполнения

Состояние параллельного выполнения - это ключевое понятие многопоточности. Только разделив игровой движок на отдельные системы, работающие каждая в своем режиме и практически не взаимодействующие с остальной частью движка, можно добиться наибольшей эффективности параллельных вычислений и сократить время, необходимое на синхронизацию. Полностью изолировать отдельные части движка, исключив все общие ресурсы, не представляется возможным. Однако для таких операций, как получение данных о положении или ориентации объектов, отдельные системы могут использовать локальные копии данных, а не общие ресурсы. Это позволяет свести к минимуму зависимость данных в различных частях движка. Уведомления об изменениях общих данных, выполненных отдельной системой, передаются менеджеру состояний, который помещает их в очередь. Это называется режимом обмена сообщениями. Данный режим предполагает, что, завершив выполнение задач, системы движка получают уведомления об изменениях и соответствующим образом обновляют свои внутренние данные. Такой механизм позволяет значительно сократить время синхронизации и зависимости систем друг от друга.

2.1 Состояния выполнения

Чтобы менеджер состояний выполнения работал эффективно, рекомендуется синхронизировать операции по определенному тактовому импульсу. Это позволяет всем системам работать одновременно. При этом частота тактов не обязательно должна соответствовать частоте передачи кадров. Да и длительность тактов может не зависеть от частоты. Ее можно выбрать таким образом, чтобы один такт соответствовал времени, необходимому на передачу одного кадра (вне зависимости от его размера). Иными словами, частоту или длительность тактов определяет конкретная реализация менеджера состояний. На рисунке 1 показан «свободный» пошаговый режим работы, в котором не требуется, чтобы все системы завершали выполнение операции за один и тот же такт. Режим, при котором все системы завершают выполнение операций за один такт, называется «жестким» пошаговым режимом. Он схематично изображен на рисунке 2.

Рисунок 1. Состояние выполнения в свободном пошаговом режиме

2.1.1. Свободный пошаговый режим

В свободном пошаговом режиме все системы работают непрерывно в течение заранее заданного промежутка времени, необходимого для завершения очередной порции вычислений. Однако название «свободный» не следует понимать буквально: системы синхронизируются не в произвольный момент времени, они лишь «свободны» в выборе числа тактов, необходимого на выполнение очередного этапа.
Как правило, в этом режиме недостаточно отправить менеджеру состояний простое уведомление об изменении состояния. Необходимо также передать обновленные данные. Это вызвано тем, что система, которая изменила общие данные, может находиться в состоянии выполнения, в то время как другая система, ожидающая эти данные, уже готова выполнить обновление. В этом случае требуется больше памяти, так как нужно создавать больше копий данных. Поэтому «свободный» режим нельзя считать универсальным решением на все случаи жизни.

2.1.2. Жесткий пошаговый режим

В этом режиме выполнение задач всех систем завершается за один такт. Такой механизм проще в реализации и не требует передачи обновленных данных вместе с уведомлением. Действительно, при необходимости одна система может просто запросить новые значения у другой системы (разумеется, в конце цикла выполнения).
В жестком режиме можно реализовать псевдосвободный пошаговый режим работы, распределяя вычисления между различными шагами. В частности, это может потребоваться для расчетов ИИ, где за первый такт вычисляется начальная «общая цель», которая постепенно уточняется на следующих этапах.

Рисунок 2. Состояние выполнения в жестком пошаговом режиме

2.2. Синхронизация данных

Изменение общих данных несколькими системами может привести к конфликту изменений. На этот случай в системе обмена сообщениями необходимо предусмотреть алгоритм выбора правильного итогового значения. Существует два основных подхода, основанных на следующих критериях.

• Время: итоговым значением становится последнее внесенное изменение.
• Приоритет: итоговым значением становится изменение, выполненное системой с наибольшим приоритетом. Если приоритет систем совпадает, можно также учитывать время внесения изменений.

Все устаревшие данные (по любому из критериев) можно просто перезаписать или исключить из очереди уведомлений.
Поскольку итоговое значение может зависеть от порядка внесения изменений, использовать относительные значения общих данных может оказаться очень сложно. В таких случаях следует использовать абсолютные значения. Тогда при обновлении локальных данных системы могут просто заменить старые значения новыми. Оптимальное решение - выбирать абсолютные или относительные значения в зависимости от конкретной ситуации. Например, общие данные, такие как положение и ориентация, должны иметь абсолютные значения, поскольку для них важен порядок внесения изменений. Относительные значения можно использовать, к примеру, для системы генерации частиц, поскольку вся информация о частицах хранится только в ней самой.

3. Движок

При разработке движка основное внимание уделяется гибкости, необходимой для дальнейшего расширения его функциональности. Это позволит оптимизировать его для использования в условиях определенных ограничений (например, по памяти).
Движок можно условно разделить на две части: фреймворк и менеджеры. Фреймворк (см. раздел 3.1) включает в себя части игры, которые тиражируются в процессе выполнения, то есть существуют в нескольких экземплярах. В него также входят элементы, участвующие в выполнении основного цикла игры. Менеджеры (см. раздел 3.2) представляют собой Singleton-объекты, отвечающие за выполнение логической составляющей игры.
Ниже представлена схема игрового движка.

Рисунок 3. Общая архитектура движка

Обратите внимание, что функциональные игровые модули, или системы, не являются частью движка. Движок лишь объединяет их между собой, выступая в роли связующего элемента. Подобная модульная организация дает возможность загружать и выгружать системы по мере необходимости.

Взаимодействие движка и систем осуществляется при помощи интерфейсов. Они реализованы таким образом, чтобы предоставить движку доступ к функциям систем, а системам - к менеджерам движка.
Подробная схема движка представлена в приложении A, «Схема движка».

Фактически все системы независимы друг от друга (см. раздел 2, «Состояние одновременного выполнения»), то есть они могут выполнять действия параллельно, не влияя на работу других систем. Однако любое изменение данных повлечет за собой определенные сложности, поскольку системам придется взаимодействовать между собой. Обмен информацией между системами необходим в следующих случаях:

• чтобы сообщить другой системе об изменении общих данных (например, положения или ориентации объектов);
• чтобы выполнить функции, недоступные для данной системы (например, система ИИ обращается к системе расчета геометрических или физических свойств объекта, чтобы выполнить тест на пересечение лучей).

В первом случае для управления обменом информацией можно использовать менеджер состояний, описанный в предыдущем разделе. (Подробнее о менеджере состояний см. в разделе 3.2.2, «Менеджер состояний».)
Во втором случае необходимо реализовать специальный механизм, который позволит предоставить службы одной системы для использования другой. Полное описание этого механизма приведено в разделе 3.2.3, «Менеджер служб».

3.1. Фреймворк

Фреймворк служит для объединения всех элементов движка. В нем происходит инициализация движка, за исключением менеджеров, экземпляры которых создаются глобально. В нем также хранится информация о сцене. Чтобы добиться большей гибкости, сцена реализуется в виде так называемой универсальной сцены, которая содержит универсальные объекты. Они представляют собой контейнеры, объединяющие различные функциональные части сцены. Подробная информация приведена в разделе 3.1.2.
Основной цикл игры также реализован во фреймворке. Схематично его можно представить следующим образом.

Рисунок 4. Основной цикл игры

Движок работает в оконной среде, поэтому на первом шаге цикла игры необходимо обработать все незавершенные сообщения окон ОС. Если этого не сделать, движок не будет реагировать на сообщения ОС. На втором шаге планировщик назначает задачи с помощью менеджера задач. Этот процесс подробно описан в разделе 3.1.1 ниже. После этого менеджер состояний (см. раздел 3.2.2) рассылает информацию о выполненных изменениях системам движка, на работу которых она может повлиять. На последнем шаге, в зависимости от статуса выполнения, фреймворк определяет, следует ли завершить или продолжить работу движка, например, для перехода к следующей сцене. Информация о состоянии движка хранится у менеджера среды. Подробнее см. в разделе 3.2.4.

3.1.1. Планировщик

Планировщик генерирует опорный тактовый сигнал выполнения с заданной частотой. Если в режиме эталонного тестирования требуется, чтобы следующая операция начиналась сразу после завершения предыдущей, не дожидаясь окончания такта, частота может быть неограниченной.
По тактовому сигналу планировщик с помощью менеджера задач переводит системы в режим выполнения. В свободном пошаговом режиме (раздел 2.1.1) планировщик опрашивает системы, чтобы определить, сколько тактов им понадобится на завершение задачи. По результатам опроса планировщик определяет, какие системы готовы к выполнению, а какие завершат работу в конкретный такт. Планировщик может изменить количество тактов, если какой-либо системе требуется больше времени на выполнение. В жестком пошаговом режиме (раздел 2.1.2) все системы начинают и заканчивают выполнение в один и тот же такт, поэтому планировщик ждет, когда завершится выполнение всех систем.

3.1.2. Универсальная сцена и объекты

Универсальная сцена и объекты являются контейнерами для функциональности, реализованной в других системах. Они предназначены исключительно для взаимодействия с движком и не выполняют никаких других функций. Однако их можно расширить, чтобы использовать функции, доступные другим системам. Это позволяет добиться слабой связанности. Действительно, универсальная сцена и объекты могут использовать свойства других систем, не будучи привязанными к ним. Именно это свойство исключает зависимость систем друг от друга и дает им возможность работать одновременно.
На схеме ниже изображено расширение универсальной сцены и объекта.

Рисунок 5. Расширение универсальной сцены и объекта

Рассмотрим принцип работы расширений на следующем примере. Допустим, выполнено расширение универсальной универсальная сцены сцена расширена на для использование использования графических, физических и других свойств. В этом случае за инициализацию дисплея будет отвечать «графическая» часть расширения, а за реализацию физических законов для твердых тел, например силы тяжести, - его «физическая» часть. Сцены содержат объекты, поэтому универсальная сцена тоже будет включать в себя несколько универсальных объектов. Универсальные объекты также можно расширить намогут быть расширены для использование использования графических, физических и других свойств. Например, прорисовка объекта на экране будет реализована графическими функциями расширения, а расчет взаимодействия твердых тел - физическими.

Подробная схема взаимодействия движка и систем приведена в приложении B, «Схема взаимодействия движка и систем».
Следует заметить, что универсальная сцена и универсальный объект отвечают за регистрацию всех своих «расширений» в менеджере состояний, для того, чтобы все расширения могли получать уведомления об изменениях, внесенных другими расширениями (то есть другими системами). В качестве примера можно привести графическое расширение, зарегистрированное для получения уведомлений об изменениях положения и ориентации, выполненных физическим расширением.
Подробную информацию о компонентах системы см. в разделе 5.2, «Компоненты системы».

3.2. Менеджеры

Менеджеры управляют работой движка. Они являются Singleton-объектами, то есть менеджер каждого типа доступен только в одном экземпляре. Это необходимо, поскольку дублирование ресурсов менеджеров неизбежно приведет к избыточности и отрицательно скажется на производительности. Кроме того, менеджеры отвечают за реализацию общих функций для всех систем.

3.2.1. Менеджер задач

Менеджер задач отвечает за управление системными задачами в пуле потоков. Чтобы обеспечить оптимальное n-кратное масштабирование и предотвратить назначение лишних потоков, исключая неоправданные издержки на переключение задач в операционной системе, пул потоков создает по одному потоку на каждый процессор.

Планировщик передает менеджеру задач список задач для выполнения, а также информацию о том, завершения каких задач необходимо дождаться. Он получает эти данные от различных систем. Каждая система получает только одну задачу для выполнения. Такой метод называют функциональной декомпозицией. Однако для обработки данных каждую такую задачу можно разделить на произвольное количество подзадач (декомпозиция данных).
Ниже приведен пример распределения задач между потоками для четырехъядерной системы.

Рисунок 6. Пример пула потоков, используемого менеджером задач

Помимо обработки запросов планировщика по доступу к основным задачам менеджер задач может работать в режиме инициализации. Он последовательно опрашивает системы от каждого потока, чтобы они могли инициализировать локальные хранилища данных, необходимые для работы.
Советы по реализации менеджера задач даны в приложении D, «Советы по реализации задач».

3.2.2. Менеджер состояний

Менеджер состояний является частью механизма обмена сообщениями. Он отслеживает изменения и рассылает уведомления о них всем системам, которых эти изменения могут затронуть. Чтобы не рассылать ненужных уведомлений, менеджер состояний хранит информацию о том, какие системы оповещать в том или ином случае. Этот механизм реализован на основе шаблона «Наблюдатель» (см. приложение C, «Наблюдатель (шаблон проектирования)»). Если говорить вкратце, данный шаблон предполагает использование «наблюдателя», который следит за любыми изменениями субъекта, при этом роль посредника между ними выполняет контроллер изменений.

Механизм работает следующим образом. 1. Наблюдатель сообщает контроллеру изменений (или менеджеру состояний), изменения каких субъектов он хочет отслеживать. 2. Субъект уведомляет контроллер обо всех своих изменениях. 3. По сигналу фреймворка контроллер оповещает наблюдателя об изменениях субъекта. 4. Наблюдатель отправляет субъекту запрос на получение обновленных данных.

В режиме свободного пошагового выполнения (см. раздел 2.1.1) реализация этого механизма несколько усложняется. Во-первых, обновленные данные придется отправлять вместе с уведомлением об изменении. В этом режиме отправка по запросу неприменима. Действительно, если на момент получения запроса система, ответственная за изменения, еще не закончит выполнение, она не сможет предоставить обновленные данные. Во-вторых, если какая-то система еще не готова получить изменения в конце такта, менеджер состояний должен будет удерживать измененные данные до тех пор, пока все зарегистрированные для их получения системы не придут в состояние готовности.

Во фреймворке для этого предусмотрено два менеджера состояний: для обработки изменений на уровне сцены и на уровне объекта. Обычно сообщения, касающиеся сцен и объектов, независимы друг от друга, поэтому использование двух отдельных менеджеров исключает необходимость обработки ненужных данных. Но если в сцене необходимо учитывать состояние какого-либо объекта, ее можно зарегистрировать на для получение получения уведомлений о его изменениях.

Чтобы не выполнять лишней синхронизации, менеджер состояний формирует очередь уведомлений об изменениях отдельно для каждого потока, создаваемого менеджером задач. Поэтому при доступе к очереди никакой синхронизации не требуется. В разделе 2.2 описан метод, который можно использовать для объединения очередей после выполнения.

Рисунок 7. Уведомление о внутренних изменениях универсального объекта

Уведомления об изменениях не обязательно рассылать последовательно. Существует способ их параллельной рассылки. Выполняя задачу, система работает со всеми своими объектами. Например, по мере того как физические объекты взаимодействуют друг с другом, физическая система управляет их перемещением, расчетом столкновений, новых действующих сил и т. п. При получении уведомлений объект системы не взаимодействует с другими объектами своей системы. Он взаимодействует со связанными с ним расширениями универсального объекта. Это означает, что универсальные объекты теперь независимы друг от друга и их можно обновить одновременно. Такой подход не исключает крайних случаев, которые следует учитывать в процессе синхронизации. Однако он позволяет использовать режим параллельного выполнения, когда казалось, что действовать можно только последовательно.

3.2.3. Менеджер служб

Менеджер служб предоставляет системам доступ к функциям других систем, которые иначе были бы им недоступны. Важно понимать, что доступ к функциям осуществляется с помощью интерфейсов, а не напрямую. Информация об интерфейсах систем также хранится в менеджере служб.
Чтобы исключить зависимости систем друг от друга, каждая из них обладает лишь небольшим набором служб. Кроме того, возможность использования той или иной службы определяется не самой системой, а менеджером служб.

Рисунок 8. Пример менеджера служб

У менеджера служб есть и другая функция. Он предоставляет системам доступ к свойствам других систем. Свойствами называются специфичные значения конкретных систем, которые не передаются в системе обмена сообщениями. Это может быть расширение разрешение экрана в графической системе или величина силы тяжести в физической. Менеджер служб открывает системам доступ к таким данным, но не позволяет напрямую их контролировать. Он помещает изменения свойств в специальную очередь и публикует их только после последовательного выполнения. Обратите внимание, что доступ к свойствам другой системы требуется достаточно редко и не стоит им злоупотреблять. Например, он может понадобиться для включения и отключения режима каркасной сетки в графической системе из окна консоли или для изменения разрешения экрана по запросу игрока из интерфейса пользователя. Данную возможность преимущественно используют для установки параметров, которые не изменяются от кадра к кадру.

3.2.4. Менеджер среды

• Менеджер среды обеспечивает работу среды выполнения движка. Его функции условно можно разделить на следующие группы.
• Переменные: имена и значения общих переменных, используемых всеми частями движка. Обычно значения переменных определяются при загрузке сцены или определенных пользовательских настроек. Движок и различные системы могут получить к ним доступ, отправив соответствующий запрос.
• Выполнение: данные о выполнении, например о завершении выполнения сцены или программы. Эти параметры могут устанавливать и запрашивать как сами системы, так и движок.

3.2.5. Менеджер платформы

Менеджер платформы реализует абстракцию для вызовов операционной системы, а также обеспечивает дополнительную функциональность помимо простой абстракции. Преимуществом такого подхода является инкапсуляция нескольких типичных функций в рамках одного вызова. То есть их не придется реализовывать отдельно для каждого вызывающего элемента, перегружая его подробностями о вызовах ОС.
Рассмотрим в качестве примера вызов менеджера платформы для загрузки динамической библиотеки системы. Он не только загружает систему, но также получает точки входа функции и вызывает функцию инициализации библиотеки. Менеджер также хранит дескриптор библиотеки и выгружает его после завершения работы движка.

Менеджер платформы также отвечает за предоставление информации о процессоре, например о поддерживаемых SIMD-инструкциях, и за инициализацию определенного режима работы процессов. Других функций формирования запросов системы использовать не могут.

4. Интерфейсы

Интерфейсы являются средствами взаимодействия между фреймворком, менеджерами и системами. Фреймворк и менеджеры являются частью движка, поэтому они могут взаимодействовать друг с другом напрямую. Системы к движку не относятся. Более того, все они выполняют разные функции, что приводит к необходимости создания единого метода взаимодействия с ними. Поскольку системы не могут взаимодействовать с менеджерами напрямую, для них необходимо предусмотреть другой способ доступа. При этом не все функции менеджеров должны быть открыты для систем. Некоторые из них доступны только фреймворку.

Интерфейсы определяют набор функций, необходимых для использования стандартного метода доступа. Это избавляет фреймворк от необходимости знать детали реализации конкретных систем, поскольку он может взаимодействовать с ними только посредством определенного набора вызовов.

4.1. Интерфейсы субъекта и наблюдателя

Основное назначение интерфейсов субъекта и наблюдателя - регистрация того, каким наблюдателям оправлять уведомления о каких субъектах, а также отправка таких уведомлений. Регистрация и разрыв связи с наблюдателем являются стандартными функциями для всех субъектов, включенными в реализацию их интерфейса.

4.2. Интерфейсы менеджеров

Менеджеры, несмотря на то что они являются Singleton-объектами, напрямую доступны только для фреймворка. Другие системы могут получить доступ к менеджерам только через интерфейсы, которые представляют лишь часть их общей функциональности. После инициализации интерфейс передается системе, которая использует его для работы с определенными функциями менеджера.
Не существует единого интерфейса для всех менеджеров. Каждый из них имеет свой отдельный интерфейс.

4.3. Интерфейсы системы

Чтобы фреймворк мог получить доступ к компонентам системы, ей необходимы интерфейсы. Без них поддержку каждой новой системы движка пришлось бы реализовывать отдельно.
Каждая система включает в себя четыре компонента, поэтому и интерфейсов должно быть четыре. А именно: система, сцена, объект и задача. Подробное описание см. в разделе 5, «Системы». Интерфейсы - это средства получения доступа к компонентам. Интерфейсы системы позволяют создавать и удалять сцены. Интерфейсы сцены, в свою очередь, позволяют создавать и уничтожать объекты, а также запрашивать информацию об основной задаче системы. Интерфейс задач в основном используется менеджером задач при постановке задач в пул потоков.
Поскольку сцена и объект, как части системы, должны взаимодействовать друг с другом и с универсальной сценой и объектом, к которым они привязаны, их интерфейсы также создают на основе интерфейсов субъекта и наблюдателя.

4.4. Интерфейсы изменений

Эти интерфейсы служат для передачи данных между системами. Все системы, выполняющие изменения определенного типа, должны реализовать такой интерфейс. В качестве примера можно привести геометрию. Интерфейс геометрии включает в себя методы определения положения, ориентации и масштаба элемента. Любая система, вносящая изменения в геометрию, должна реализовать такой интерфейс, чтобы для доступа к измененным данным не требовалась информация о других системах.

5. Системы

Системы являются частью движка, которая отвечает за реализацию игровой функциональности. Они выполняют все основные задачи, без которых движок не имел бы смысла. Взаимодействие между движком и системами осуществляется при помощи интерфейсов (см. раздел 4.3, «Интерфейсы системы»). Это необходимо, чтобы не перегружать движок информацией о различных типах систем. Благодаря интерфейсам процесс добавления новой системы становится гораздо проще, поскольку в движке не требуется учитывать все детали реализации.

5.1. Типы

Системы движка можно условно разделить на несколько заранее определенных категорий, соответствующих стандартным компонентам игры. Например: геометрия, графика, физика (столкновение твердых тел), звук, обработка входных данных, ИИ и анимация.
Системы с нестандартными функциями относятся к отдельной категории. Важно понимать, что любая система, которая изменяет данные конкретной категории, должна знать об интерфейсе этой категории, поскольку движок не предоставляет такую информацию.

5.2. Компоненты системы

Для каждой системы необходимо реализовать несколько компонентов. Вот некоторые из них: система, сцена, объект и задача. Все эти компоненты служат для взаимодействия с различными частями движка.
На схеме ниже изображены взаимодействия между различными компонентами.

Рисунок 9. Компоненты системы

Подробная схема связей между системами движка приведена в приложении B, «Схема взаимодействия движка и систем».

5.2.1. Система

Компонент «система», или просто система, отвечает за инициализацию системных ресурсов, которые практически не будут меняться в процессе работы движка. Например, графическая система анализирует адреса ресурсов для определения места их нахождения и ускорения загрузки при использовании ресурса. Она также задает разрешение экрана.
Система является основной входной точкой для фреймворка. Она предоставляет информацию о себе (например, тип системы), а также методы создания и удаления сцен.

5.2.2. Сцена

Компонент «сцена», или системная сцена, отвечает за управление ресурсами, которые относятся к текущей сцене. Универсальная сцена использует системные сцены для расширения функциональности за счет использования их функций. В качестве примера можно привести физическую сцену, которая используется при создании нового игрового мира и при инициализации сцены определяет в нем силы гравитации.
В сценах предусмотрены методы создания и уничтожения объектов, а также компонент «задача» для обработки сцены и метод доступа к нему.

5.2.3. Объект

Компонент «объект», или системный объект, принадлежит сцене и обычно связан с тем, что пользователь видит на экране. Универсальный объект использует системный объект для расширения функциональности, предоставляя его свойства как свои собственные.
Примером может послужить геометрическое, графическое и физическое расширение универсального объекта для отображения деревянной балки на экране. Геометрические свойства будут включать в себя положение, ориентацию и масштаб объекта. Для его отображения графическая система будет использовать специальную сетку. А физическая система наделит его свойствами твердого тела для расчета взаимодействий с другими телами и действующих сил гравитации.

В определенных случаях в системном объекте необходимо учитывать изменения универсального объекта или одного из его расширений. Для этой цели можно создать специальную связь, которая позволит отслеживать выполненные изменения.

5.2.4. Задача

Компонент «задача», или системная задача, используется для обработки сцены. Задача получает команду на обновление сцены от менеджера задач. Это сигнал для запуска системных функций на объектах сцены.
Выполнение задачи можно разбить на подзадачи, распределяя их также с помощью менеджера задач на еще большее число потоков. Это удобный способ масштабирования движка на несколько процессоров. Такой метод называют декомпозицией данных.
Информация об изменении объектов в процессе обновления задач сцены передается менеджеру состояний. Подробную информацию о менеджере состояний см. в разделе 3.2.2.

6. Объединяя все компоненты

Все описанные выше элементы связаны между собой и являются частью одного целого. Работу движка можно условно разделить на несколько этапов, описанных в следующих разделах.

6.1. Этап инициализации

Работа движка начинается с инициализации менеджеров и фреймворка.

• Фреймворк вызывает загрузчик сцены.
• Определив, какие системы сцена будет использовать, загрузчик вызывает менеджера платформы для загрузки соответствующих модулей.
• Менеджер платформы загружает соответствующие модули и передает их менеджеру интерфейсов, затем вызывает их для создания новой системы.
• Модуль возвращает загрузчику указатель на экземпляр системы, которая реализует системный интерфейс.
• Менеджер служб регистрирует все службы, которые предоставляет системный модуль.

Рисунок 10. Инициализация менеджеров и систем движка

6.2. Этап загрузки сцены

Управление возвращается загрузчику, который загружает сцену.

• Загрузчик создает универсальную сцену. Чтобы создать экземпляры системных сцен, он вызывает интерфейсы систем, расширяя функциональность универсальной сцены.
• Универсальная сцена определяет, какие данные может изменить каждая системная сцена и оповещения о каких изменениях она должна получать.
• Сопоставив сцены, выполняющие определенные изменения и желающие получать о них оповещения, универсальная сцена передает эту информацию в менеджер состояний.
• Для каждого объекта сцены загрузчик создает универсальный объект, затем определяет, какие системы будут расширять универсальный объект. Соответствие между системными объектами определяется по той же схеме, которая используется для сцен. Оно также передается менеджеру состояний.
• С помощью полученных интерфейсов сцен загрузчик создает экземпляры системных объектов и использует их для расширения универсальных объектов.
• Планировщик запрашивает у интерфейсов сцен данные об их основных задачах, чтобы в процессе выполнения передать эту информацию менеджеру задач.

Рисунок 11. Инициализация универсальной сцены и объекта

6.3. Этап цикла игры

• Менеджер платформы используется для обработки сообщений окон и других элементов, необходимых для работы текущей платформы.
• Затем управление переходит планировщику, который ждет окончания такта, чтобы продолжить работу.
• В конце такта в свободном пошаговом режиме планировщик проверяет, какие задачи были завершены. Все завершенные задачи (то есть готовые к выполнению) передаются менеджеру задач.
• Планировщик определяет, какие задачи будут завершены за текущий такт, и ждет их выполнения.
• В режиме жесткого пошагового выполнения эти операции повторяются каждый такт. Планировщик передает менеджеру все задачи и ожидает их выполнения.

6.3.1. Выполнение задачи

Управление переходит менеджеру задач.

• Он формирует очередь из всех полученных задач, затем, по мере появления свободных потоков, начинает их выполнение. (Процесс выполнения задач различается в зависимости от систем. Системы могут работать только с одной задачей или обрабатывать одновременно несколько задач из очереди, реализуя таким образом параллельное выполнение.)
• В процессе выполнения задачи могут работать со всей сценой или только с определенными объектами, изменяя их внутренние данные.
• Системы должны получать уведомления о любых изменениях общих данных (например, позиции или ориентации). Поэтому при выполнении задачи системная сцена или объект информируют наблюдателя о любых изменениях. В этом случае наблюдатель фактически выполняет роль контроллера изменений, который является частью менеджера состояний.
• Контроллер изменений формирует очередь уведомлений об изменениях для последующей обработки. Он игнорирует изменения, которые не касаются данного наблюдателя.
• Чтобы воспользоваться определенными службами, задача обращается к менеджеру служб. Менеджер служб также позволяет менять свойства других систем, недоступные для передачи в механизме обмена сообщениями (например, система ввода данных меняет расширение экрана - свойство графической системы).
• Задачи также могут обращаться к менеджеру среды для получения переменных среды и для изменения состояния исполнения (приостановка исполнения, переход к следующей сцене и др.).

Рисунок 12. Менеджер задач и задачи

6.3.2. Обновление данных

После выполнения всех задач текущего такта основной цикл игры обращается к менеджеру состояний, чтобы запустить этап обновления данных.

• Менеджер состояний поочередно вызывает каждый из своих контроллеров изменений для рассылки накопленных уведомлений. Контроллер проверяет, каким наблюдателям отправлять уведомления об изменениях для каждого из субъектов.
• Затем он вызывает нужного наблюдателя и сообщает ему об изменении (уведомление также включает в себя указатель на интерфейс субъекта). В режиме свободного пошагового выполнения наблюдатель получает измененные данные от контроллера изменений, но в режиме жесткого пошагового выполнения он должен запрашивать их у самого субъекта.
• Обычно наблюдателями, заинтересованными в получении уведомлений об изменениях системного объекта, являются другие системные объекты, связанные с одним и тем же универсальным объектом. Это позволяет разделить процесс внесения изменений на несколько задач, которые можно выполнять параллельно. Чтобы упростить процесс синхронизации, можно объединить в одной задаче все связанные расширения универсального объекта.

6.3.3. Проверка выполнения и выход

Итоговый этап цикла игры представляет собой проверку состояния среды выполнения. Существует несколько таких состояний: работа, пауза, следующая сцена и т. п. Если выбрано состояние «работа», будет запущена следующая итерация цикла. Состояние «выход» означает завершение работы цикла, освобождение ресурсов и выход из приложения. Можно реализовать и другие состояния, например «пауза», «следующая сцена» и др.

7. Заключение

Основная идея данной статьи изложена в разделе 2, «Состояние параллельного выполнения». Благодаря функциональной декомпозиции и декомпозиции данных можно реализовать не только многопоточность движка, но и его масштабируемость на еще большее количество ядер в будущем. Чтобы исключить издержки на синхронизацию, продолжая поддерживать данные в актуальном состоянии, используйте менеджеры состояния в дополнение к механизму обмена сообщениями.

Шаблон «Наблюдатель» - это функция механизма обмена сообщениями. Важно хорошо понимать принцип ее работы, чтобы выбрать оптимальный способ ее реализации для движка. Фактически это механизм взаимодействия между различными системами, который обеспечивает синхронизацию общих данных.

Важную роль в распределении нагрузок играет управление задачами. В приложении D приведены советы по созданию эффективного менеджера задач для игрового движка.

Как видите, многопоточность игрового движка удается реализовать благодаря четко определенной структуре и механизму обмена сообщениями. С ее помощью можно значительно повысить производительность современных и будущих процессоров.

Приложение A. Схема движка

Запуск обработки выполняется из основного цикла игры (см. рис. 4, «Основной цикл игры»).

 

Приложение B. Схема взаимодействия движка и систем

 

Приложение C. Наблюдатель (шаблон проектирования)

Шаблон «Наблюдатель» подробно описан в книге «Приемы объектно-ориентированного проектирования. Паттерны проектирования», Э. Гамма, Р. Хельм, Р. Джонсон, Дж. Влиссидес («Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software», Gamma E., Helm R., Johnson R., Vlissides J.). На английском языке она впервые была издана в 1995 году издательством Addison-Wesley.

Основная идея данной модели заключается в следующем: если каким-то элементам необходимо получать уведомления об изменениях других элементов, они не обязаны просматривать список всех возможных изменений, пытаясь найти в нем нужные данные. Модель подразумевает наличие субъекта и наблюдателя, которые используются для отправки уведомлений об изменениях. Наблюдатель отслеживает любые изменения субъекта. Контроллер изменений выступает в роли посредника между этими двумя данными компонентами. Следующая схема иллюстрирует данную связь.

Рисунок 13. Шаблон «Наблюдатель»

Ниже описан процесс использования данной модели.

1. Контроллер изменений регистрирует наблюдателя и субъекта, уведомления о котором он хочет получать.
2. Контроллер изменений фактически является наблюдателем. Вместо наблюдателя вместе с субъектом он регистрирует самого себя. Контроллер изменений также хранит свой список наблюдателей и зарегистрированных с ними субъектов.
3. Субъект вносит наблюдателя (то есть контроллера изменений) в свой список наблюдателей, которые хотят получать уведомления о его изменениях. Иногда дополнительно указывается тип изменений, который определяет, в каких именно изменениях заинтересован наблюдатель. Это позволяет оптимизировать процесс рассылки уведомлений об изменениях.
4. Меняя данные или состояние, субъект уведомляет наблюдателя посредством механизма обратного вызова и передает информацию об измененных типах.
5. Контроллер изменений формирует очередь уведомлений об изменениях и ждет сигнала для их распределения по объектам и системам.
6. Во время распределения контроллер изменений обращается к реальным наблюдателям.
7. Наблюдатели запрашивают информацию об измененных данных или состоянии у субъекта (или получают их вместе с уведомлениями).
8. Перед удалением наблюдателя или если ему больше не требуется получать уведомления о субъекте, он удаляет подписку на данный субъект в контроллере изменений. 

Существует множество разных способов реализовать распределение задач. Однако лучше всего поддерживать количество рабочих потоков равным количеству доступных логических процессоров платформы. Старайтесь не привязывать задачи к определенному потоку. Время выполнения задач различных систем не всегда совпадает. Это может привести к неравномерному распределению нагрузки между рабочими потоками и сказаться на эффективности. Чтобы упростить этот процесс, используйте библиотеки управления задачами, например

Intel желает, чтобы вы играли в играх на HT 3,06 ГГц Pentium 4. Причина заключается в том, что игры, в отличие от тривиальных приложений MS Office, могут показать вам реальные преимущества технологии Intel HyperThreading (HT).

HT позволяет многопоточному коду выполняться на одном процессоре Pentium 4, как будто в системе существует два независимых Pentium 4 процессора. Однако преимущество новая технология дает лишь при параллельной работе нескольких потоков и их конкуренции за ресурсы процессора - что мы и наблюдаем в случае игр. В качестве примера можно привести высокую нагрузку на двигатель автомобиля: в Porsche 911 режим "турбо" включается только лишь при достижении двигателем определенного числа оборотов. Режим "турбо" имеет смысл при ускорении до 100 километров в час менее чем за шесть секунд, но абсолютно бесполезен при движении со скоростью 60 километров в час между светофорами.

К примеру, если вы играете в Quake III с его многочисленными потоками на системе, оснащенной видеокартой последнего поколения от ATi или nVidia и разогнанном Pentium 4, Intel утверждает, что HT позволит вам получить 20% прирост в частоте кадров.

Но сегодня мы не можем оценить достоверность мнения Intel, ведь игры, специально написанные с поддержкой HT, еще не появились на рынке. Однако факты говорят в поддержку Intel, поскольку HT действительно увеличивает производительность сегодняшних многопоточных игр. С точки зрения перспективы, рациональное использование потоков в игре позволит разработчикам повысить уровень "интеллекта" компьютерных персонажей, что вдохнет новую порцию жизни в ваши любимые игры. Большее число потоков означает присутствие более разумных и самостоятельных игровых персонажей, а также большее число online игроков.

HT обеспечивает более реалистичный Unreal, хотя в мире электронных таблиц новая технология мало что дает.

"Умные" игровые потоки

Разработчики игр смогут добавлять комплексные потоки в будущие игровые приложения, если технология HT получит широкое развитие. Поскольку с повышением числа потоков игра может тормозить процессорные ресурсы, то HT дает разработчикам жизненное пространство для включения большего числа потоков в свои игры без замедления процессора. К примеру, стратегические игры для Pentium 4 с HT смогут обеспечить большее фоновое действие, типа хорошо просчитанной травки, облаков, падающих звезд или колышущейся на поле пшеницы.

В играх, которые сегодня присутствуют в продаже, уже используется несколько потоков, однако не в самой хорошей реализации, считает Бред Ворделл, создать Galactic Civilization. "Мы уже использовали многопоточность в новой версии Galactic Civilization, поскольку наша игра по своей природе многозадачная. Когда вы погружаетесь в компьютерные игры, игровые персонажи должны обладать таким же разумом, что и люди. Для этого вам необходимо использовать несколько потоков, которые позволят компьютерным персонажам думать, в то время как вы будете двигаться".

Galactic Civilization уже используют несколько потоков.

По словам Ворделла, в однопоточной программе код, заполняющий экран графикой, просит подумать AI, что персонаж будет делать дальше. "Игровые разработчики должны удостовериться, что AI быстро завершит свои вычисления, иначе игра потеряет необходимую частоту кадров. Или пойти более разумным путем: создать фоновый поток, в результате чего заполнение экрана и просчет AI будут выполняться одновременно".

Ниже показан пример игрового кода без использования многопоточности:

void main()
{
while(true)
{
PaintScreen();
UpdateAI();
}
}

А теперь напишем тот же код с использованием многопоточности: void main()
{
CreateThread(NULL,0,UpdateAI,NULL, 0, &dThreadID);
while(true)
{
PaintScreen();
}
}

DWORD WINAPI UpdateAI(LPVOID lpParam)
{
//поместите сюда что-либо, сильно нагружающее процессор;
//и пусть данный объект обновляется по мере необходимости
}

На одном процессоре преимущества многопоточности не так заметны, поскольку в один момент времени может выполняться лишь один поток. "Тогда ОС должна отвечать за переключение между AI и заполнением экрана", считает Вордбелл. "Единственная проблема заключается в том, что диспетчер Windows не славится оптимизацией для многопоточных мультимедиа приложений".

Однако при включении технологии HT, Windows XP распознает физический процессор как два логических, и ОС должна более эффективно работать с несколькими процессорами, по сравнению с переключением потоков на одном процессоре, утверждает Вордбелл. Конечный результат заключается в том, что фоновый поток AI и заполнение экрана работают более гладко. Время выполнения задания может быть теоретически уменьшено на 25%. "При этом вы убиваете двух зайцев: ваша игра работает плавно, и немного быстрее", сказал Вордбелл.

Galactic Civilizations и HT

По словам Вордбелла, преимущество HT в Galactic Civilization налицо: в фоне работает поток компьютерного AI, в то время как человек делает свой ход. "Когда вы делаете свой ход, GalCiv прекрасно работает даже на довольно слабой машине".

"Но преимущества HT выявляются, когда вы владеете, к примеру, тысячей кораблей, все из которых просчитывают свое следующее действие. Когда игрок нажмет кнопку завершения хода, задержка между следующим ходом будет меньше, а игровая анимация будет идти более гладко".

Вордбелл отметил еще одно преимущество, которое HT дает в GalCiv: в ситуации, когда игра загружается в первый раз и в фоне грузится игровая графика. "Вы заметите, что во время просмотра заставки к вашему жесткому диску идет множество обращений. На слабой машине по этой причине заставка будет дергаться, поскольку игре придется переключаться между демонстрацией видео и загрузкой графики в фоне. Но на компьютере с HT все прекрасно и гладко работает".

Благодаря усложнению потоков, компьютерные игроки, которыми эти потоки управляют, станут более самостоятельными и умными, что в свою очередь привнесет дополнительные элементы реализма в ход игры. С точки зрения программирования, добавление или улучшение работы с потоками не сложно, утверждает Вордбелл. Но разработчики колеблются, поскольку сложно добавить несколько потоков без потери производительности в виде кадров в секунду, хотя технология HT должна уменьшить риск падение производительности.

Воздержание от создания "умных" потоков приводит к тому, что компьютерным игрокам в стратегии часто недостает даже простейшего интеллекта. "Вспомните картину: ваши крестьяне собирают ягоды (или что там они еще могут собирать), в то время как приходят плохие парни и начинают рубить ваших подопечных, причем остальные крестьяне вокруг продолжают собирать ягоды, как ни в чем не бывало", пояснил Вордбелл.

"Вы остаетесь? Да что вы творите! Убегайте". С большим количеством потоков ваши крестьяне смогут осмотреться и сказать "пришли плохие парни, пытающиеся нас убить, поэтому давайте разбежимся".

HT может сделать ваших любимых персонажей более самостоятельными, посмотрите на эту сцену в "The Sims".

Грустный факт: некоторые пользователи под мощным ПК понимают ту машину, которая позволила бы играть в многопользовательский Doom III online во время прослушивания тяжелой музыки, проверки почты и просмотра CNN. В таких ситуациях даже high-end ПК покажет падение частоты кадров. По нашему опыту, подобная многозадачная утечка ресурсов приводит к "празднику фрагов" у ваших соперников.

Выживаемость можно обеспечить при закрытии всех остальных приложений и сосредоточении ресурсов на одной задаче. Возможно, тогда вы сможете осуществить свою месть над другими игроками.

Отражение близкой опасности при одновременной работе трех программ может стать эффективным.

Но с использованием HT подобная утечка многозадачных ресурсов отнюдь не обязательно скажется на частоте кадров вашей игры. Хотя мы еще не успели проверить в тестах, но Intel утверждает, что кодирование MP3 во время игры в Nascar или Unreal не приводит к искажениям звука или потере частоты кадров. Раньше серьезным игрокам в Nascar или Unreal приходилось закрывать все приложения для получения максимальной игровой производительности процессора.

Что касается будущих игр, которые смогут задействовать потенциал технологии HT, Intel рекомендует разработчикам использовать недавно выпущенный компилятор OpenMP. Если не вдаваться в подробности, компилятор Intel просматривает исходный код для определения места размещения инструкций. "Компилятор определяет, где необходимо разделить код на потоки, равно как обеспечивает необходимую семантику", говорит Ким Паллистер, ответственный за отношения с разработчиками в Intel. "Компилятор говорит программисту "эй, здесь в коде есть цикл, в котором происходит умножение множества чисел с плавающей запятой, почему бы не перевести цикл на код ассемблера и не попробовать обрабатывать четыре числа за раз?""

Компилятор Intel облегчит жизнь программистам многопоточных приложений, как в случае в указанным кодом - считает Intel.

Заключение

HT позволит играм выполняться более гладко при работе других приложений в фоне. Сегодня уже существуют многопоточные игры, в которых мы увидим улучшения производительности. Но действительно поддерживающие HT игры мы встретим лишь в будущем, когда разработчики включат соответствующие элементы в код.

По мере изучения разработчиками возможностей HyperThreading, Intel надеется создать дополнительную шумиху вокруг последнего Pentium 4 с HT, поскольку он нацелен на рынок высокопроизводительных персональных компьютеров. С помощью HT Pentium 4 Intel пытается компенсировать маржу прибыли в не очень прибыльном микропроцессорном секторе. Так что Intel придется немало давить на психологию игроков, особенно тех, кто забывает мытья и спать, и живет только на пиве с орешками во время всенощных праздников Unreal. Это те потребители, которые готовы продать свою электрическую бас-гитару для того, чтобы заплатить $2000 или больше за самым мощный игровой компьютер в мире. Как надеется Intel, эти игроки выберут связку Pentium 4 плюс HT, в результате чего компания будет чувствовать себя богатой и процветающей во время будущих финансовых кварталов.

Конкурент Intel - AMD, без сомнения, будет объяснять, почему технология HyperThreading бесполезна, особенно при продвижении новой архитектуры процессоров Hammer. Разработчики игр весьма сдержанно относятся к увеличению числа потоков в своих проектах, ведь даже по мнению самой Intel, подобный шаг приведет к уменьшению частоты кадров на компьютерах с процессором AMD.

В общем, нам следует запастись терпением и посмотреть, насколько эффективной окажется многопоточная многозадачность во время вашей межгалактической битвы или ночного турнира по Unreal. Будущее покажет, насколько быстро игровые разработчики откликнутся на многопоточные возможности, предлагаемые HT.

К аникулы и отпуска в самом разгаре, но погода за окном не очень. Чем бы таким заняться? Предлагаю провести время с удовольствием: поиграть в компьютерные игры. Ваш «старичок» не тянет современные игрушки? Возможно, . Но какой?

Сегодняшняя статья призвана помочь вам определиться с выбором «камушка» для игрового ПК. В рейтинг лучших процессоров на середину лета 2017 года вошли модели, показавшие оптимальное равновесие в плане производительности и цены. Для вашего удобства мы разделили их на 3 группы: стоимостью примерно $100, примерно $200 и примерно $300. Дабы никто не почувствовал себя обделенным, в каждую группу составляет пара процессоров – один Intel и один AMD.

Около $100: Intel Core i3-7100 и AMD FX-8320

Intel Core i3-7100

Д есктопный процессор Intel Core i3-7100 наиболее сбалансирован по стоимости и производительности в ценовом сегменте $100-120. В комбинации с топовой видеокартой выпуска 2016-2017 годов и материнской платой на базе чипсетов H270 или Z270 позволяет комфортно играть в абсолютное большинство современных игр. Кроме, пожалуй, самых требовательных.

Да, в нем всего лишь 2 ядра, но этот недостаток компенсирует высокая тактовая частота (3900 Mhz), поддержка памяти DDR4-2400 и в какой-то мере технология Hyper Threading, которая позволяет операционной системе использовать каждое физическое ядро как 2 логических. Кроме того, «камушек» имеет неплохую встроенную графику с поддержкой разрешения 4k на частоте 60 Hz. За счет нее вы сможете обходиться без дискретной видеокарты, если по каким-то причинам откладываете ее покупку.

Технические характеристики

• Микроархитектура: Kaby Lake (7 поколение).
• Количество ядер: 2.
• Тактовая частота: 3900 Mhz.
• Сокет: LGA1151.
• Техпроцесс: 14 nm.
• Множитель: 34, неразблокированный.
• Кэш L1: 64 Kb (инструкций + данных).
• Кэш L2: 512 Kb.
• Кэш L3: 3072 Kb.
• Контроллер PCI Express: есть.
• Технологии: Hyper Threading (гиперпоточность), EM64T (поддержка x64), Virtualization Technology (виртуализация), Enhanced SpeedStep (энергосбережение), аппаратное шифрование, XD Bit, SSE, SSE2, SSE3, SSE4, SSE4.1, SSE4.2, SSSE3, VT-x,MMX.
• Тепловая мощность (TDP): 51 W.
• : 100 °C

Самые привлекательные качества Core i3-7100: высокое быстродействие, умеренная цена, наличие интегрированной графики и низкий TDP – для охлаждения процессора даже при максимальной нагрузке достаточно входящего в комплект небольшого кулера.

Недостаток – работает только в Windows 10 (а также в Linux и Mac OS). Тем, кто никак не может расстаться с «семеркой» и «восьмеркой» придется выбирать – или система, или новый процессор. Кстати, этот недостаток касается не только Intel Core i3-7100, а всей линейки Kaby Lake и AMD Ryzen.

AMD FX-8320

A MD FX-8320 хоть и старенькая, но на редкость удачная модель игрового «камня». В середине 2017 года баланс его производительности и цены достиг оптимальных показателей, что и дало нам повод включить его в сегодняшний рейтинг и поставить на одну ступень с Intel Core i3-7100.

8 ядер, 4000 Mhz частоты с возможностью увеличения до 4600 Mhz и больше за счет разгона по множителю (здесь он, в отличие от конкурента Intel, свободный), а также поддержка памяти DDR3-1866 отлично проявляют себя в многопоточных играх, вроде Battlefield.

Технические характеристики

• Микроархитектура: Vishera.
• Количество ядер: 8.
• Тактовая частота: 3500-4000
• Сокет: AM3+.
• Техпроцесс: 32 nm.
• Множитель: 17,5, свободный.
• Встроенная графика: нет.
• Кэш L1: 96 Kb.
• Кэш L2: 2048 Kb.
• Кэш L3: 8192 Kb.
• Контроллер PCI Express: нет.
• Максимально поддерживаемый объем памяти: 128 Gb.
• Стандарты поддерживаемой памяти: DDR3-800/1066/1333/1600/1866. Есть поддержка ECC.
• Технологии: AMD64 (поддержка x64), Virtualization Technology, AMD PowerNow (уменьшение шума), Turbo Core 3.0 (повышение частоты при пиковых нагрузках), NX Bit, SSE, SSE2, SSE3, SSE4, SSE1, SSE4.2, SSSE3, MMX, VT, XOP, TBM.
• Тепловая мощность (TDP): 125 W.

Достоинства AMD FX-8320: высокая производительность, приятная цена ($115-120), по множителю дают возможность собрать недорогой игровой компьютер, который останется актуальным 3-4 последующих года.

Недостатки: очень горячий – требует мощной системы охлаждения, потребляет много энергии, не имеет графического ядра.

Около $200: Intel Core i5-7500 и AMD Ryzen 5 1600

Intel Core i5-7500

I ntel Core i5-7500 продается в розничных магазинах по цене $200-210, то есть примерно на сотню дороже i3-7100. Однако за эти деньги вы получите 4 полноценных физических ядра, что в игровых системах гораздо предпочтительнее виртуальных, а также целых 6 Mb L3-кэша.

Тактовая частота этого процессора достигает при динамическом разгоне 3800 Mhz (или чуть больше), есть встроенное видео – такое же, как у i3-7100, и поддержка памяти DDR4-2400.

Технические характеристики

• Микроархитектура: Kaby Lake.
• Количество ядер: 4.
• Тактовая частота: 3400-3800
• Сокет: LGA1151.
• Техпроцесс: 14 nm.
• Множитель: 39, неразблокированный.
• Встроенная графика: HD Graphics 630.
• Частота графического ядра: 1100 Mhz.
• Кэш L2: 1024 Kb.
• Кэш L3: 6144 Kb.
• Контроллер PCI Express: есть.
• Число линий PCI Express 3.0: 16.
• Максимально поддерживаемый объем памяти: 64 Gb.
• Стандарты поддерживаемой памяти: DDR3L-1333/1600, DDR4-2133/2400.
• Технологии: Turbo Boost0 (повышение частоты при пиковых нагрузках), EM64T, Virtualization Technology, Enhanced SpeedStep, Intel vPro (удаленное управление компьютером вне ОС), аппаратное шифрование, SSE, SSE2, SSE3, SSE4, SSE4.1, SSE4.2, SSE4a, SSSE3, MMX, TBT 2.0, VT-x , XD Bit.
• Максимальная температура: 80 °C

Достоинства Intel Core i5-7500: быстрый, холодный (TDP 65 W), поддерживает динамический разгон (Turbo Boost 2.0), есть встроенная графика, реализована функция Intel vPro. Последняя позволяет удаленно редактировать BIOS и запускать диагностические тесты вне операционной системы, подключившись к компьютеру по сети.

Недостатки – нет поддержки всенародно любимой Windows 7, нет гиперпоточности, заблокированный множитель (за эту цену, как считают многие, могли бы реализовать Hyper Threading и сделать умножение свободным).

AMD Ryzen 5 1600

R yzen 5 1600 – еще один представитель AMD, на этот раз современный и тоже весьма удачный. На борту 6 физических и 12 виртуальных ядер (поддерживает многопоточность), свободный множитель и 16 Mb кэша L3. Бонусом – поддержка памяти DDR4-2666 (у конкурента Intel предельная частота DDR4 – 2400 MHz). Стандартные такты ядер – 3200 MHz, при динамическом разгоне – 3600 MHz, после разгона по множителю – до 4200 MHz.

Процессоры на основе микроархитектуры Zen, одним из которых и является Ryzen 5 1600, отличаются низким энергопотреблением и TDP (что несвойственно основной массе продукции AMD). Кроме того, в комплект боксовой поставки модели входит компактный, эффективный и тихий кулер, мощности которого достаточно даже при некотором разгоне.

Технические характеристики

• Количество ядер: 6.
• Тактовая частота: 3200-3600 Mhz.
• Сокет: AM4.
• Техпроцесс: 14 nm.
• Множитель: 32, свободный.
• Встроенная графика: нет.
• Кэш L1: 96 Kb.
• Кэш L2: 3072 Kb.
• Кэш L3: 16384 Kb.
• Контроллер PCI Express: есть.
• Число линий PCI Express 3.0: 16.
• Максимально поддерживаемый объем памяти: 64 Gb.
• Стандарты поддерживаемой памяти: DDR4-1866/2666.
• Поддержка технологий: многопоточность, AMD64, виртуализция, аппаратное шифрование, Precision Boost (увеличение тактов при пиковых нагрузках), Pure Power (энергосбережение), инструкции SSE, SSE2, SSE3, SSE4, SSE4.1, SSE4.2, SSE4a, SSSE3, MMX.
• Тепловая мощность (TDP): 65 W.

Плюсы AMD Ryzen 5 1600: великолепная производительность при умеренной цене ($200-210), незначительный нагрев, малое потребление энергии, разгон по множителю, возможность раскрыть потенциал любой современной видеокарты.

Минусы: нет встроенной графики, нет поддержки Windows 7.

Около $300: Intel Core i7-7700K и AMD Ryzen 7 1700

Intel Core i7-7700K

I ntel Core i7-7700K – лучший на сегодняшний день в соотношении цена/производительность среди топовых процессоров. Вот, что в нем есть: 4 физических и 8 виртуальных ядер, свободный множитель, 8 Mb L3, частота каждого ядра – 4500 MHz в режиме Turbo Boost и 5000 MHz в разгоне. По-моему, прекрасные возможности для самых ресурсоемких игрушек. Также в наличии прочий джентльменский набор – поддержка DDR4-2400 и встроенное графическое ядро HD Graphics 630 с более высокими тактами, чем у младших братьев семейства Kaby Lake.

Технические характеристики

• Микроархитектура: Kaby Lake.
• Количество ядер: 4.
• Тактовая частота: 4200-4500
• Сокет: LGA1151.
• Техпроцесс: 14 nm.
• Множитель: 42, свободный.
• Встроенная графика: HD Graphics 630.
• Частота графического ядра: 1150 Mhz.
• Кэш L1: 128 Kb (инструкций + данных).
• Кэш L2: 1024 Kb.
• Кэш L3: 8192 Kb.
• Контроллер PCI Express: есть.
• Число линий PCI Express 3.0: 16.
• Максимально поддерживаемый объем памяти: 64 Gb.
• Стандарты поддерживаемой памяти: DDR3L-1333-1600, DDR4-2133-2400.
• Поддержка технологий: Hyper-Threading,Turbo Boost0, EM64T, Virtualization Technology, Enhanced SpeedStep, аппаратное шифрование, SSE, SSE2, SSE3, SSE4, SSE4.1, SSE4.2, SSSE3, MMX, XD Bit.
• Тепловая мощность (TDP): 91 W.
• Максимальная температура: 100 °C

Сильные стороны Intel Core i7-7700K: наилучшее соотношение быстродействия в играх и затрат на покупку ($300-315), разблокированный множитель, производительное видеоядро. Словом, хороший задел на будущее.

Слабые стороны: в случае разгона требует мощной дорогостоящей системы охлаждения, не поддерживает Windows 7.

AMD Ryzen 7 1700

A MD Ryzen 7 1700 – лучший из лучших для многопоточных игр и массы разнообразных ресурсоемких неигровых задач, в частности, рендеринга 3D-графики, монтажа видео и т. д. Отличное вложение на перспективу.

«Под капотом» этого процессора: 8 физических и 16 виртуальных ядер, свободный множитель, 16 Mb L3, поддержка DDR4-2933, 24 линии PCI Express (у конкурентов 16), частота каждого ядра в динамическом разгоне – 3700 MHz, в разгоне по множителю – примерно до 4100 MHz. Встроенной видеокарты нет, но системам, для которых предназначен Ryzen 7 1700, она не нужна. А кроме того, он холодный. Даже при интенсивной нагрузке (кстати, его крайне трудно загрузить на 100%) не нагревается выше 50 °C.

Стоимость модели сопоставима с Core i7-7700K.

Технические характеристики

• Микроархитектура: Summit Ridge (Zen).
• Количество ядер: 8.
• Тактовая частота: 3000-3700 MHz.
• Сокет: AM4.
• Техпроцесс: 14 nm.
• Множитель: 30, свободный.
• Встроенная графика: нет.
• Кэш L1: 256 Kb (инструкций + данных).
• Кэш L2: 4096 Kb.
• Кэш L3: 16384 Kb.
• Контроллер PCI Express: есть.
• Число линий PCI Express 3.0: 24.
• Максимально поддерживаемый объем памяти: 64 Gb.
• Стандарты поддерживаемой памяти: DDR4-1866/2933.
• Поддержка технологий: многопоточность, AMD64, виртуализция, аппаратное шифрование, Precision Boost, Pure Power, инструкции SSE, SSE2, SSE3, SSE4, SSE4.1, SSE4.2, SSE4a, SSSE3, MMX.
• Тепловая мощность (TDP): 65 W.
• Максимальная температура: 90 °C

Достоинства AMD Ryzen 7 1700: потрясающая мощь, многозадачность, универсальность, энергоэффективность. Недостаток – нет поддержки старых версий Windows.

По мнению многих владельцев и экспертов, Ryzen 7 1700 – это громадный рывок AMD вперед. Выпуск этого процессора показал, что «красные» далеко не так безнадежно отсталы, как о них думают, и еще способны задать жару «синим». Как говорится, долго запрягают, но быстро едут.

Недавно разработчики WoT анонсировали выход в свет нового графического движка Core Engine с долгожданной для всех функцией многопоточной отрисовке графики. Несомненно, данная новость заинтриговала многих игроков. Давайте же рассмотрим более детально, что даст пользователям многопоточная отрисовка.

При выходе прошлой миллионы игроков смогли оценить качество новой графики, игра стала на порядок лучше выглядеть и быстрее работать благодаря улучшенной оптимизации.

Как и было анонсировано, улучшения графики и оптимизация не коснулись , они остались прежними без каких-то изменений. Главная роль была отведена , а именно достижению 100% нагрузки. В многопоточной отрисовке эта роль отводиться процессору. Ранее разработчикам не было смысла вводить так званую многопоточность, так как большинство пользователей имели в своем распоряжении более слабые компьютеры на одном или двух ядрах. Сейчас же эти два ядра используются практически на 100% для самых различных моментов, помимо отрисовки, к примеру, для обработки звуковых эффектов, общего геймплея, физики разрушений и передвижений, непосредственно самому процессу рендеринга и обработки графики.

Данная тенденция улучшения в сфере производительности различных систем, включая графические адаптеры и компьютерные процессоры, с каждым днем начинает улучшаться – многие компании-производители выпускают новые, более мощные процессоры с различным количеством ядер. И все это по вполне доступной ценовой политике.

В процессе тестирования графического движка WoT 1.0 было выявлено, что многие игроки перешли на многоядерные системы, и было принято решение для ввода изменений, которые игроки теперь смогут действительно оценить и почувствовать, в отличие от одноядерных компьютеров. Настало время изменений как в графической части, так и в части производительности.

В чем же ключевая особенность будущей многопоточности?

Ранее двухъядерные процессоры просчитывали графические данные по степенно, по очереди. То есть одно ядро посчитывает все необходимые вычисления, касающиеся интерфейса, освещения, теней и других данных, другой процессор отправляет эти данные на видеокарту 30, 60 и даже 120 раз в секунду. В многопоточной отрисовке важно синхронизировать эту работу так, чтобы она проводилась в один и тот же момент времени на всех существующих ядрах без каких-либо задержек и ожиданий. Это позволит получить тот самый искомый баланс между улучшенной графикой и производительностью. Но достигнуть этой синхронизации достаточно сложно, ведь одно дело, когда пользователь играет на минимальный настройках, другое же, когда эти настройки выставлены на режим «ультра». Здесь одни задачи могут быть вычислены более медленно, другие же на оборот – в считаные секунды. Конфигурация компьютера здесь является решающим фактором, ведь именно от типа операционной системы, самого процессора и графического адаптера, количества и типа оперативной памяти зависит общая скорость выполнения поставленных задач . Оптимальный баланс графики, производительности и оптимизации будет достигаться лишь при наличие многоядерного процессора и хорошей видеокарты – здесь и вступает в дело многопоточная отрисовка, заметную даже невооруженным глазом.

Разработчики обещают, что многопоточная отрисовка также будет полезна игрокам, стационарные компьютеры которых заменены на ноутбуки – благодаря равномерной нагрузки на все ядра