【GTMF2018TOKYO】ハードウェアの性能を活かす為の、Unityの新しい3つの機能
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2018/7/13に開催されたGTMF2018TOKYOの講演資料です。 講師：山村 達彦（ユニティ・テクノロジーズ・ジャパン合同会社）
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- 3. スクリプト、基礎から考え直す ECS C# Job System Burstコンパイラ GameObject MonoBehaviour (簡単、様々な用途で使える。だが遅い） (よりHWに寄り添う） （パフォーマンスのために 難しい事をする必要がある）
- 5. ３つの機能 ・C# Job System ・Entity Component System (ECS) ・Burst Compiler 今回はコレの話
- 7. コンポーネントは状態と処理を持つ GameObjectはコンポーネントのコンテナ GameObject GameObject • ゲーム世界内での物体 • 複数のComponentを持つTransform Component Component • 単体で動作 • フィールドを持つ • ロジックを持つ • 他のComponentを操作する （Transform等） Data Data Data Logic Logic
- 8. GameObject / Componentの場合 動作はオブジェクトごとに独立 動作を決める為に他のオブジェクトへの参照が必要 ハンドル タイヤ エンジン ハンドルの入力処理 曲がる動作の処理 加速する動作 Data Data Data DataData
- 10. GameObject / Componentの場合 依存関係が面倒な場合、Singletonが活躍 ハンドル タイヤ エンジン ドルの入力処理 がる動作の処理 加速する動作 神 Super Special Awesome ultra Game Manager
- 12. ECSではオブジェクト毎にロジックを持たせず、 ComponentSystemが一括制御する Component A Data Data Data Component A Data Data Data Component A Data Data Data Component A ComponentSystem処理 処理 処理 毎フレーム呼ばれるイベントを持つ
- 21. ECS上では、保有するComponentの組み合わせで動作が変わる タイヤ 人力 タイヤ 人力 荷物 荷物 タイヤ タイヤ エンジン エンジン エンジンで 移動 荷物を 運ぶ 人力で 移動
- 22. Groupが要求できる組み合わせ ComponentSystem Group Entityに登録した • Component • ComponentData • SharedComponentData • … を含む 及び を含まない 要求できるもの なにこれ Entity / GameObject
- 23. Entityは超軽量なGameObject ComponentDataはロジックを持たないコンポーネント Entity • ゲーム世界でのモノ • 複数のComponentDataを持つPosition Wheel Engine ComponentData • Entityに含まれる • 値を持つ • 参照型を持たない • ロジックは持たない
- 25. public struct Engine : IComponentData { public float power; } IComponentDataを継承 値のみ持つ 何もデータを持たない事もある public class Engine : MonoBehaviour { public float power; } MonoBehaviour ComponentData 定義の違い 構造体
- 26. var entity_manager = World.Active.GetOrCreateManager<EntityManager>(); var entity = entity_manager.CreateEntity(typeof(Engine)); EntityManagerで生成 var obj = new GameObject(“obj”, typeof(Engine)); MonoBehaviour ComponentData 生成の違い
- 27. ComponentDataArrayや EntityArrayで取得 struct Group{ GameObjectArray objs; ComponentArray<Monobehaviour> comps; } MonoBehaviourを要求 ComponentDataを要求 Systemが要求する時の違い struct Group{ EntityArray entities; ComponentArray<ComponentData> comps; }
- 33. 「クラシック」の問題（１） データが散在していてキャッシュが使いにくい 必要なデータを集めるのに何度もロードが必要 Transform GameObject 1 Data Renderer Data Data Data Data Monobehavour Data Data TransformRigidbody Data DataData GameObject 2 Data Monobehavour Data GameObject 3 Data Transform Data Data Rigidbody Data Data Data
- 34. 「クラシック」の問題（２） float Speed; Transform transform … Vector3 up; Vector3 right; Vector3 forward; Vector3 position; Vector3 localPosition; Quatrainion rotation; Quatrainion localRotation; … MoveScript Transform 余計なデータが たくさん含まれる 余計なデータで キャッシュがすぐ埋まる 太字：必要なデータ 細字：不要なデータ
- 35. ECSのメモリレイアウト（見た目） Positoin Positoin Positoin Positoin Rotation Rotation Rotation Rotation Speed Speed Speed Speed Entity 0 Entity 1 Entity 2 Entity 3 EntityはComponentDataを持つコンテナのように見えるが…
- 36. ECSのメモリレイアウト（実際に近いイメージ） Positoin Positoin Positoin Positoin Rotation Rotation Rotation Rotation Speed Speed Speed Speed pos Array rot Array spd Array … … … ※実際にはもっと複雑で様々な最適化を含む Entityは唯のID、実態は構造体の配列 0 1 2 3 Entity2
- 37. ECSのシステムがアクセスするデータ Positoin Po Rotation Ro Speed Sp Pos Array Rot Array Spd Array 使用するデータのみ アクセスする 余計なデータで キャッシュがすぐ埋まらない
- 38. 連続するデータは先読み予測が効く POS POS POS POS POS POS POS POS POS POS POS POS 読んだ キャッシュライン 読んだ 多分次はココやろ 先に読んどいたる プリフェッチ
- 39. メモリはNative Containerで確保 •アンマネージドなメモリを提供 ＝ GCは発生しない •利便性を損なわず効率アップ •IL2CPPではインデクサが１命令 •AOSやSOAのなどに対応 （get/setのオーバーヘッドなし） NativeArraySOANativeArray
- 40. NativeArray var a = new NativeArray<MyStruct>(32, Allocator.Persistent); 生成 解放 Allocator.Persistent Allocator.Temp Allocator.TempJob 永続的に使用可能 同じフレームで解放しないとエラー ４フレーム以内に解放しないとエラー ジョブ終了時に自動開放させるオプション有 a.Dispose();
- 41. オブジェクトの増減が低コスト POS POS POS POS POS POS POS POS POS POS POS POS POS POS POS POS POS POS POS POS POS POS 最後の要素で塗り直すだけ ガベージコレクションは発生しない 要素を削除したときは POS
- 42. GameObject 1 Data Renderer Data Data Data Data Data Data Data Data Data Data Data Data Data Data Data Data 手続き的な手法を踏まずにオブジェクトをロード Entity Entity Entity Entity Entity Data Data Data Data レイアウトが確定しているので、 ロードしたデータをそのまま メモリに展開 Data Entity Entity Data Data Data Data Entity Entity ちょっと未来話 File
- 44. “ ” C# Job System 安全・簡単にマルチコアを活用
- 46. 一つのコアで複数の処理を実行 Core 0 Core 1 Work Work Work Work Work Work index[0] index[1] index[2] index[3] index[4] index[5] ZZZzzz 一つのコアが作業している間、他のコアは仕事が無い
- 47. 複数のコアで複数の処理を実行 複数のコアで分担して作業すれば早くおわる Core 0 Core 1 Work Work Work Work Work Work index[0] index[1] index[2] index[3] index[4] index[5] だからもっとコアを活用しよう！と言いたいが、
- 49. C# Job Systemでしんどくないマルチコア対応 ルールに従えば簡単・安心にマルチコア活用 ECSとも簡単に連携できる Burstを通すと、もっと高速化 並列処理で処理が完了するまでの時間を短縮
- 50. High Performance C# （C# Job Systemの制約） Class Type無し Boxing無し GC Allocation無し Exception無し 大丈夫！ まだ （一応） C# All Basic Types Struct Enum Generic Properties Safe Sandbox 高速なC#を組む為のルール
- 52. C# Job Systemの2つのAPI IJob Main Worker 0 Worker 1 Worker 2 IJobParallelFor 別のコアで処理 複数のコアで一括処理 Main Worker 0 Worker 1 Worker 2 処理 メインスレッドはジョブ発行するマン 処理が追いつかなければメインスレッドも使って一括処理
- 54. C# Job Systemの基本的な流れ（１/3） pos[0] pos[1] pos[2] pos[3] pos[4] pos[5] res[0] res[1] res[2] res[3] res[4] res[5] ３つのバッファーを用意する Jobの処理は全て確保したバッファーに対して行う NativeArray <float3> NativeArray <int> 座標データとか 座標的に接触したか NativeArray <int> 結局、接触したのか ans[0]
- 55. C# Job Systemの基本的な流れ（2/3） pos[0] pos[1] pos[2] pos[3] pos[4] pos[5] res[0] res[1] res[2] res[3] res[4] res[5] 複数のコアで担当する要素を処理し 結果をバッファに格納する NativeArray <float3> NativeArray <int> 計算に利用するデータ 結果を格納する Core 1 で処理 Core 3 で処理Core 2 で処理
- 56. C# Job Systemの基本的な流れ（3/3） res[0] res[1] res[2] res[3] res[4] res[5] ans[0] 結果をまとめて最終的な判定を行う NativeArray <int> 最終的な結果 Core 1 で処理 NativeArray <int> 結果を格納する ココを見て接触したか判定
- 57. pos[0] pos[1] pos[2] pos[3] pos[4] pos[5] res[0] res[1] res[2] res[3] res[4] res[5] Core 1 で処理 Core 3 で処理Core 2 で処理 ans[0] Core 1 で処理 IJob IJobParallelFor 弾が特定の場所に接触したかを 全てのコアを使って並列処理 やってみる並列処理（１）
- 58. IJobParallelForを定義（１/3） struct 弾の判定ジョブ : { public void Execute(int id) { } } IJobParallelForを継承した構造体を定義 継承 IJobParallelFor
- 59. IJobParallelForを定義（２/3） struct 弾の判定ジョブ : IJobParallelFor { public void Execute(int id) { } } Jobが使用するバッファを定義 入出力のバッファ public NativeArray<Vector3> pos; public NativeArray<int> res; C# Job Systemは 入出力を明確にする
- 60. IJobParallelForを定義（3/3） struct 弾の判定ジョブ : IJobParallelFor { public NativeArray<Vector3>pos; public NativeArray<int> res; public void Execute(int id) { } } Jobの処理をExecuteに記述 idは供給される Jobが実行する処理 res[id] = (Vector3.Distance( Vector3.zero, pos[id]) < 1) ? 0 : 1;
- 61. IJobParallelForを使う（１/4） struct 弾の判定 : IJobParallelFor { public NativeArray<Vector3>pos; public NativeArray<int> res; public void Execute(int id) { pos[id] = (Vector3.Distance( Vector3.zero, res[id]) < 1) ? 0 : 1; } } Jobを生成 void Update() { } 生成 var ajob = new 弾の判定ジョブ()｛｝ ;
- 62. IJobParallelForを使う（２/4） struct 弾の判定 : IJobParallelFor { public NativeArray<Vector3>pos; public NativeArray<int> res; public void Execute(int id) { pos[id] = (Vector3.Distance( Vector3.zero, res[id]) < 1) ? 0 : 1; } } Jobにバッファを登録 void Update() { var ajob = new 弾の判定ジョブ(){ } } データ参照 pos = positions, res = results1
- 63. IJobParallelForを使う（３/4） struct 弾の判定 : IJobParallelFor { public NativeArray<Vector3>pos; public NativeArray<int> res; public void Execute(int id) { pos[id] = (Vector3.Distance( Vector3.zero, res[id]) < 1) ? 0 : 1; } } void Update() { var ajob = new 弾の判定ジョブ(){ pos = positions, res = results1 } } 実行指令 １ジョブでまとめて 実行する回数 毎フレームScheduleを呼ぶ var handle = ajob.Schedule(positions.Length, 8);
- 64. IJobParallelForを使う（4/4） struct 弾の判定 : IJobParallelFor { public NativeArray<Vector3>pos; public NativeArray<int> res; public void Execute(int id) { pos[id] = (Vector3.Distance( Vector3.zero, res[id]) < 1) ? 0 : 1; } } void Update() { var ajob = new 弾の判定ジョブ(){ pos = positions, res = results1 } var handle = ajob.Schedule(positions.Length, 8); } 即時ジョブ起動 完了まで待つ 以下は必要に応じて JobHandle.ScheduleBatchedJobs(); handle.Complete();
- 65. 動かしてみる
- 67. pos[0] pos[1] pos[2] pos[3] pos[4] pos[5] res[0] res[1] res[2] res[3] res[4] res[5] Core 1 で処理 Core 3 で処理Core 2 で処理 ans[0] Core 1 で処理 IJob IJobParallelFor やってみる並列処理（2）
- 68. IJob struct 結果を受け取るジョブ : { public void Execute() { } } 継承 IJob
- 69. IJob struct 結果を受け取るジョブ : IJob { public void Execute() { } } 入出力 public NativeArray<int> res; public NativeArray<int> ans;
- 70. IJob struct 結果を受け取るジョブ : IJob { public NativeArray<int> res; public NativeArray<int> ans; public void Execute() { } } ジョブの実行内容 var length = res.Length; for(var i=0; i<length; i++){ if( res[i] == 1){} }
- 71. IJob struct 結果を受け取るジョブ : IJob { public NativeArray<int> res; public NativeArray<int> ans; public void Execute() { var length = res.Length; for(var i=0; i<length; i++){ if( res[i] == 1){ return ;} } } } 結果を格納 ans[0] = 1; ans[0] = 0;
- 72. IJob struct BJob : IJob { public NativeArray<int> res; public NativeArray<int> result; public void Execute() { for (var i = 0; i < positions.Length; ++i) { var pos = positions[i]; if( pos.x > -0.5f && pos.x < 0.5f){ result[0] = 1; return; } } } } 要素への参照なので危険がつきまとう 読込専用なら兎も角、読み書きするジョブが複数同時に同じ要素を操作するとヤバイ [ReadOnly]や[WriteOnly]属性をつける データの読取専用 データの書込専用
- 73. IJob struct 結果を受け取るジョブ : IJob { public NativeArray<int> res; public NativeArray<int> ans; public void Execute() { var length = res.Length; for(var i=0; i<length; i++){ if( res[i] == 1){ans[0] = 1; return ;} } ans[0] = 0; } } 読取専用・書込専用の 属性を付ける [ReadOnly] [WriteOnly]
- 74. 問題が起こりそうならエラーを出してくれる InvalidOperationException: The previously scheduled job Job1:AJob writes to the NativeArray AJob.positions. You are trying to schedule a new job Job1:BJob, which writes to the same NativeArray (via BJob.positions). 要約：複数のジョブが同じNativeArrayに同時に書き込むかも
- 75. InvalidOperationException: The native container has been declared as [WriteOnly] in the job, but you are reading from it. 要約：書込専用のNativeArrayを読み込んじゃあかん 問題が起こりそうならエラーを出してくれる ありがたや
- 76. ジョブの依存関係 Scheduleの引数にJobHandleを入れる void Update() { var ajob = new 弾の判定ジョブ() { …}; var bjob = new 結果を受け取るジョブ() { … }; var handle = ajob.Schedule(positions.Length, 8); handle = bjob.Schedule(handle); } bJobはaJobが 完了したら実行
- 77. 動かしてみる
- 78. 集計処理 メインスレッド
- 79. ECSとのC# Job Systemの連携（１） public struct RigidbodyPositionJob : { } [Inject]無しにComponentData注入、若干効率的 Injectの代わりにジェネリックでComponentDataを要求 IJobProcessComponentDataを使う IJobProcessComponentData<Position, RigidbodyPosition>
- 80. ECSとのC# Job Systemの連携（２） public struct RigidbodyPositionJob : IJobProcessComponentData<Position, RigidbodyPosition> { } [Inject]無しにComponentData注入、若干効率的 [ReadOnly][WriteOnly]属性で、 競合しないように、ジョブの実行順を 自動調整してくれる機能付 IJobProcessComponentDataを使う public void Execute(ref Position pos, ref RigidbodyPosition rot) { // 処理 }
- 87. 厳しい前提条件の上で最適化 High Performance C#前提 Class Type無し Boxing無し GC Allocation無し Exception無し 連続したメモリレイアウト前提 データの入出力がハッキリしてる前提 制約を設ける事で 限界まで最適化 ECSやC# JobSystemで 組めばOK
- 88. struct 弾の判定 : IJobParallelFor { public NativeArray<Vector3>pos; public NativeArray<int> res; public void Execute(int id) { pos[id] = (Vector3.Distance( Vector3.zero, res[id]) < 1) ? 0 : 1; } } 使い方 IJoｂ系のインターフェースに BurstCompile属性をつける [Unity.Burst.BurstCompile]
- 89. Burst OFF Burst ON だいたい0.2msだいたい 7ms （IL2CPPで4倍くらい高速化）
- 90. 様々な最適化 最適化しやすいMathライブラリも提供 CPU拡張命令を積極的に使う 計算の精度を下げる（オプション） 厳密な結果が必要ない箇所に使うオプション プロセッサ向けの最適化をUnityで行う avx2, sse4, neon, arrch その他、様々な最適化
- 93. “ ” ECSでメモリレイアウト制御（難しい）をよしなにしてくれる C# Job Systemでマルチコア対応（難しい）をよしなにしてくれる BurstでCPU演算向け最適化（難しい）をよしなにしてくれる まとめ