UWA学堂上新｜虚幻引擎源码解析——基础容器篇

文章简介

文章主要介绍了虚幻引擎的基础容器的内部数据结构和实现原理，以及在实践中的应用，性能优化等方面。包括：TArray、TSparseArray、TSet、TMap等基础容器，TQueue、TTripleBuffer、TLockFreeList等多线程容器，以及 TSharedPtr、TWeakObjectPtr等智能指针。

除了基本原理外，文中还分享了作者对这些容器在实际项目中的使用经验，以及针对手游提升性能而做出的各种修改和优化的手段。

适合读者

1）从事UE4/UE5或Unity 3D的客户端开发者

2）3D游戏项目的客户端开发者

3）希望了解虚幻引擎实现原理的开发者

4）对游戏引擎内部机制感兴趣的开发者

你将获得

1）了解游戏中的高性能容器的数据结构和实现原理

2）了解常见容器在项目中的实际应用

3）了解一些C++ 11、多线程的基础知识以及在虚幻引擎中的应用

文章试读

1｜UE4的TArray（一）

TArray，是UE4的可动态扩容数组容器，是UE4里最常见，也是用的最多的一种容器，类似于STL中的Vector，除了数组的基本功能外，还有一些从性能上来考虑的设计很有亮点，我觉得可能更适合游戏使用。下面会具体介绍。

定义：

TArray的定义

首先看数组的定义，本身是一个模板Class，模板需要两个参数，第一个是元素的类型，第二个是内存分配器，分配器会在后面说。

成员变量

再看成员变量，其中ArrayNum是数组元素的实际个数，ArrayMax是数组最大可容纳元素的数量，而AllocatorInstance是数组的内存分配器，分配器的类型可以从上一张图看到，是模板第二个参数Allocator中的ElementType类型。数组实际占用的内存，只有这3个成员变量的内存（最少是16字节，一个指针+两个int，不同Allocator实际占用内存不同，最少的是一个指针），而实际元素的内存是由Allocator分配，具体大小就是ArrayMax * sizeof(ElementType)，加一些Allocator内的额外的变量。

初始化：

默认的构造函数，元素数量是0，数组的容量根据Allocator不同来预分配。除了默认的以外，还提供了很多拷贝构造和移动构造的方式，包括指针+数量、TArrayView、初始化列表和另一个TArray来构造等。

数组内部的内存扩容方式和STL的Vector是差不多的，当容量满了之后，会额外分配一个更大的内存，将整个数组的数据拷到新内存上，之后再释放旧的内存（InlineAllocator不会释放Inline部分）。

其中指针加数量和TArrayView本质是一样的，都是从指针开始拷贝连续的内存到数组内。TArrayView类似于动态Span，而Span使用默认STL需要开启C++20，UE4默认是C++14的，这里也是UE4比较有优势的一点。个人更推荐使用TArrayView，因为TArrayView让指针和数量保存在同一个变量内，从语义上来说更合理，而且只要是连续的内存，TArrayView都支持包装，包括默认静态数组、TStaticArray和TArray，这样不需要额外提供很多兼容其它数组类型的拷贝构造函数。

其中这个拷贝构造函数还支持在数组尾部额外分配内存，这样可以做到一次性就分配好所需要的内存大小，对于性能会更友好。

在提供这么多拷贝构造函数的同时，也对等重载了operator =，具体实现和拷贝构造函数差不多。

其中初始化列表的拷贝构造函数和等号重载运算符，具体是这样使用的：

除了拷贝构造函数外，还提供了C++11新增的移动构造函数：

可以看到内部实现，移动构造函数只是把传入TArray的Allocator的指针和数组容量拷贝到当前数组，而传入的数组直接恢复到无分配的默认状态，因此使用移动构造函数可以让数组作为函数的参数和返回值，以及Lambda时需要传入数组性能更好。但有一点，对于左值（可以认为几乎是所有情况）一定要显式调用MoveTemp函数才能使移动构造函数生效。下面是具体使用方法：

而对于连续的函数调用参数，也需要在调用外部和内部都使用都MoveTemp来保证使用移动构造函数，这样才能提升性能。

如上图所示，期间全程调用移动构造函数，没有发生一次数组拷贝。因此在业务逻辑开发中强烈推荐这种写法。

在大部分业务逻辑中，包括UE4自己的引擎内部实现，在给渲染线程的提交队列Lambda函数传递渲染数据时，大部分情况都是直接在游戏线程new一段内存，在渲染线程delete内存，这样的方式在逻辑复杂度很高的时候，很容易造成内存泄漏。如果按照上面的方式使用TArray来传递数据，可以避免直接传递原始的指针和长度，就相当于间接避免了手写内存申请和释放的代码，既能提升安全性，也能保证性能。

你可能会好奇，为什么移动构造函数里调用的函数是MoveOrCopy，什么情况会发生拷贝呢？其实这个比较依赖Allocator，对于不同的分配器，可能内存没法直接移动，比如移动到InlineAllocator类型的数组上，这种情况就只能拷贝了，因此在实际游戏开发中这一点也是需要注意的地方。

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