【UE】UE的架构

jquave · 发表于 2022-3-31 15:11

不要过于在意他人的成败得失，也无需过于计较风与水的顺逆，那都是我们无法控制且对于我们自身的强大毫无帮助的无关扰动，我们真正应该关注的是如何才能让自己得到更快更好的成长，凡事以此为依归，才能更快体会到绝巅众山小的风光，Stay hungry, Stay foolish.

这里尝试根据平时学习过程中了解到的只鳞片羽来对UE的架构进行总结，以备不时之需。
1. 线程模型（UE4）

先来看下UE4的线程模型的概览图：

出于叙述方便，我们先来看下Game线程与Render线程：

从时序上来说，是Game线程先行，Render线程拿到的是之前的Game线程数据（比如延迟一帧之类，不过从图中绘制的对齐结果来看，并没有差到一帧这么大），Game线程到Render线程的跨线程调用是通过ENQEUE_RENDER_COMMAND实现的。

关于Render线程，我们还可以再深入一下：

Render线程中，相关的绘制逻辑是通过Rendering Command实现的，而Rendering Command最终要转化为D3D11等API的Command才能真正完成绘制，D3D11 Command的执行顺序是保序的，且与Rendering Command是交织进行的，参考上图中的蓝绿色块，蓝色表示Rendering Command，绿色表示D3D11 Command。

实际上，上面给出的是简化模型，在UE中还有一个RHI线程，负责完成Rendering Command到D3D11 Command的衔接与适配，具体的实现逻辑应该如下图所示：

Rendering Command进入到RHICmdList，经过RHI转换成对应API的调用指令，虽然上面绘制的示意图中看起来D3D11 Command的A（绿色A）绘制在Rendering Command的D（蓝色D）指令之后，但实际上并不是这样，两者应该是有重叠的，即RHICmdList并不是将所有的Rendering Command都搜集起来，之后串行转换为D3D11的Command，而是边搜集边转换的，如下图所示，有点类似于生产消费者模型（这个图看起来怪怪的，其实如果将RHICmdList放在Rendering Thread之下RHI Thread之上会好一些）：

因为RHICmdList专门用于负责Rendering Command到图形API Command的转换，因此自然就有一种是否可以将这个功能单独分拆到一个线程的想法，如下图所示，分拆的好处是什么呢？

文献[2]中给出的理由是：

游戏线程负责场景的更新，比如物理、动画等计算（如果场景中蒙皮物件较多，或者物理计算较为复杂，那么游戏线程就会承压）；原始的渲染线程负责对场景进行遍历，计算每个物件的可见性，并将可见的物件的渲染指令提交到GPU上，后面UE增加了Task System，就将渲染线程中的遍历部分扔给了异步Task，剩下的两项还放在渲染线程中，不过实际上渲染线程也可以设置成多线程并行完成的。

D3D11在多Render线程Command提交在效率上不如将所有Command交给一个线程来提交（而OpenGL ES则限定了Graphic API跟GLContext必须处在同一个线程上，直接杜绝了多Render线程的提交[3]），为了应对这种问题将Render线程一分为二，分为Render线程跟RHI线程，拆分后的Render线程负责拆分前的Render线程的Visibility计算逻辑部分，而RHI线程则负责拆分前的Render线程的Command Submit逻辑，拆分开来之后，新的Render线程可以同时开启多个，通过多核CPU的并行能力来减少CPU计算的时间消耗。

因为D3D11渲染线程提交能力提升不上去，因此导致的一个直接结果就是GPU长期处于低负载运行状态，相当于硬件能力没有较好发挥出来。因此一些较为新颖的特性比如RTX或者VRS等，通常都建议在DX12上才能开启。

不过这种做法是一个临时方案，因为更新版本的API（比如Vulkan或者D3D12），已经能够很好的支持多线程的提交，其效率不再如D3D11一样不如单线程提交了，因此后面RHI线程的作用会逐渐废弃，转为使用此前的Game-Render线程模型，不过Render线程通常会包含众多的线程，每个线程的功能也重新恢复原有的Visibility计算与Command Submit两部分。

我的理解，应该是还有其他的考虑，比如将渲染指令从CPU提交到GPU，可能会有阻塞，在这种情况下，如果执意使用Render Thread进行提交，就会导致Render Thread的阻塞，但实际上，我们可将阻塞放到RHI Thread上，Render Thread可以继续干自己想干的事情，可以实现部分工作的并行化，这样执行效率应该会高一些。

在多个Render线程提交的情况下，线程模型示意图给出如下：

转换到RHI线程模型，大概如下图所示：

参考文献

[1] Scalability for All: Unreal Engine* 4 with Intel
[2] Unreal Engine中的RHI线程
[3] Epic Games 王祢：UE4制作多人大地型游戏的优化

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