弹幕游戏的性能优化

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我自己也在做弹幕游戏，最近看到了一个非常优秀的弹幕游戏开源库 DanmakU，我学习了一下，然后将其加入到了我自己的项目中，在这里就讲一下那个库里一些设计上比较好的地方。

1. 说说开学之后的生活

开学到现在是刚好三周，在这三周里，我自己感觉自己的学习状态有很大进步。

首先体现在作息时间上。开学以来，除了周末，我平时都是 11.30 左右睡觉，早上 7.20 起床，很规律。

然后呢，平时的学习也很好。每天都是在学习，看书。课余时间看书比较多，所以游戏就玩得少了，之后的两周，应该会画比较多的时间在玩游戏上，比较少的时间在看书上。

看书方面的话，看了《雍正王朝 上中下》，花了三周，终于断断续续的看完了这本大部头，其中第三部还读了两遍，还是很有收获的吧。

玩游戏的话，倒是没有玩什么新游戏，平时都是很闲的时候玩玩大型开发世界游戏养老，没什么好说的。

2. 初始设计 – 对象池

弹幕游戏的一个重要的特点是会在同一时刻生成大量的子弹，也会在同一时间销毁大量子弹。就像粒子一样。如果处理不当的话，会一下子造成许多内存碎片。

我最初的实现方法，就是用到了对象池。

  • 每当要生成一个新的子弹的时候，现在池中找，如果没有找到，就 Instance 一个，然后把这个新生成的子弹放入池中；如果找到了，就把池中的那个子弹拿出来，SetActive(true)。
  • 每当要销毁一个子弹时，将这个子弹 SetActive(false) ，然后把这个子弹放入池子中。

这样的池子显然不太好。首先，如果池子里初始是空的话，要一瞬间大量生成子弹的话，就会在一瞬间大量 Instance 很多子弹，会比较卡。其次，因为每个子弹都有其独特的脚本、属性，因此在生成子弹的时候，无法批量生成。

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// 批量生成，这里的 bullet 是 struct 类型
bullets = new bullets[count];
// 单个生成，这里的 bullet 是 class 类型
bullets = new bullets[count];
for(int i = 0; i < count; i++)
{
    bullets[i] = new Bullet();
}

上面展示了批量生成和单个生成的不同。批量生成的话，是在内存中拿出一块连续的空间，因此就会相当快。单个生成的话，相当于在内存中分配 count 次单个子弹的内存空间，就会很慢，同时也会造成不少内存碎片。

3. 初始设计 – 子弹移动脚本

在我之前的设计中，每个子弹由一个协程来控制其运动轨迹。似乎大部分弹幕游戏都是这样设计的（包括但不限于）：

每个子弹一个协程来控制，这样显然就会有性能上的问题。

4. 初始设计 – 子弹渲染

一般来说，每个子弹都是一个 SpriteRenderer 来渲染，如果用的 SpriteRenderer 有一点点不一样的话，那么就是不能在同一个 DrawCall 里处理的。这样，如果子弹多了、复杂了，就会有很多 DrawCall，会对 GPU 造成很大影响。

5. 优化

主要的优化手段就是三个：内存连续的对象池、多线程处理子弹移动、GPU Instance 去进行子弹渲染。

首先，子弹不用使用 GameObject 了，而是将子弹的各个信息拿出来，单独做成一个对象池。例如：

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NativeArray<Vector2> Positions = new NativeArray<Vector2>(capacity);
NativeArray<Vector4> Colors = new NativeArray<Vector4>(capacity);
NativeArray<float> Rotations = new NativeArray<float>(capacity);
NativeArray<float> Speeds = new NativeArray<float>(capacity);
// and more and more ...

这样，使用了值类型的数组，在内存中就一定是连续的了。然后，如果保证前 Active 个数据都是可使用的话，那么添加和删除一个数据都是十分简单的：

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// Add
Positions[Active++] = value;
// Delete
Positions[DeletePos] = Positions[Active--];

完全不产生任何内存碎片，而且时间空间复杂度均为 O(1)！

在渲染的时候，利用子弹的这些数据（位置、旋转、颜色），直接强制 Unity 用 GPU-Instance 去渲染子弹，这样也可以大大减少 DrawCall。

最后，在控制子弹移动的时候，可以利用 Unity 2018.1 的多线程 API，对于同一发射点的子弹用多线程进行统一更新。由于子弹的信息在内存中是连续排布的（对象池），因此更新时，除了能够利用多线程的多核去跑之外，还可以提高 CPU 的缓存命中率，这样，大大提高了运算速度。

我自己在测试的时候，同时跑 400,000 个子弹，帧率大概在30帧左右，CPU 占用率是 50%。

Huge-amout-of-bullets.gif-5526.6kB
Bullets.gif-5827.6kB