Техника оптимизации

В прошлом году я просил у Санта Клауса подарить мне суперкомпьютер Cray XPM, но, как обычно, он не принес ничего. И если вы не будете использовать компьютер с фемисекундным циклом выполнения команд и террабайтами оперативной памяти, нам обоим придется примириться с ПК.

Следовательно, мы должны делать наши программы видеоигр настолько быстрыми, настолько возможно. Для этого мы должны постараться выжать из ПК каждую унцию его мощности. В данной главе мы охватим следующие темы, связанные с приемами оптимизации:

§ Передача параметров;

§ Глобальные переменные;

§ Указатель и ценность псевдоимени;

§ Использование регистров;

§ Оптимизация компилятора;

§ Развертка циклов;

§ Бинарное умножение;

§ Таблицы поиска;

§ Математика с фиксированной точкой;

§ Встроенный ассемблер;

§ Предмет изучения;

§ Оптимизация построения пикселя;

§ Оптимизация изображения пикселя.

Введение

Прежде чем углубиться в изучение приемов оптимизации видеоигр для ПК, я хочу дать вам несколько советов. Когда вы оптимизируете свои программы, не пытайтесь разом провести полную оптимизацию. В первую очередь обратите внимание на те части, время выполнения которых критично и где встречается наибольшее количество циклов. Возьмите эти функции и работайте с ними до тех пор, пока их быстродействие не начнет вас удовлетворять.

Попытка оптимизации всей игры за раз, как правило, приводит к полному беспорядку, и вы никогда не сможете ни отладить программу, ни добавить что-либо в игру. Оптимизация должна быть взвешенной с точки зрения наличия других факторов. Если оптимизация функции принесет ей лишние три процента быстродействия, но при этом сделает ее вдвое запутаннее, то стоит попробовать найти другое место для оптимизации.

Не пытайтесь свалить все операторы, в кучу и свести десяток строк программы к одной. Ненавижу смотреть на выражения типа

* (х+(у++) >=*(& (х++)>>2)+(char far *)y;

Получили представление? Такая запись не только выглядит коряво с точки зрения Си, но и Codeview вряд ли поможет вам в отладке строк, подобных этой.

Поскольку мы разрабатываем видеоигры, я могу гарантировать, что 90% времени будет затрачено не на осуществление игровой логики, а на различные графические преобразования. Поэтому нужно сделать все функции рисования настолько быстрыми, насколько это возможно, а строки, управляющие игрой, имеет смысл оставить простыми и понятными. Функция, рисующая на экране точку, может представлять собой «черный ящик», а игровая программа в целом — нет. Оставляйте ее удобочитаемой. С помощью приемов оптимизации, которые мы изучим в этой главе, быстродействие практически любой функции может быть увеличено от 2 до 10 раз. Не говоря о том, что вы получите замечательные результаты, еще и произведете впечатление на друзей.

Передача параметров

Из второй главы «Основы языка ассемблерам (да и из собственного опыта) вы должны помнить, что передача параметров функциям не является свободной в полном смысле слова. Параметры должны быть помещены в стек, сделаны доступными через использование указателя базы и, наконец, взяты со стека. Если вам нужна функция, которая складывает 8 чисел, передаваемых как параметры, то потребовалось бы написать что-нибудь вроде этого:

int Add_Em_All(int nl,int n2,int n3,int n4,

int n5,int n6,int n7,int n8)

{

return (n1+n2+n3+n4+n5+n6+n7+n8);

}

(Конечно, это не является реальной функцией. Я привел ее только в качестве наглядного примера.) После компиляции этой функции ее тело будет выглядеть примерно так:

clc

mov ax,00h

adc ax,n1

adc ax,n2

adc ax,n3

adc ax,n4

adc ax,n5

adc ax,n6

adc ax,n7

adc ax,n8

Конечно, в самом начале приведенного фрагмента необходимо создать фрейм стека и уничтожить его в конце. Однако суть в том, что на восемь выталкиваний и извлечений параметров уходит немало времени. Если вы посмотрите на скорость выполнения команд PUSH и POP, то обнаружите, чти они отнимают в три раза больше тактов процессора, чем ADC. Как видите, в данном случае передача параметров отнимает больше времени, чем выполнение самой функции. Это показывает нам, что мы должны стараться передавать только те переменные, которые действительно необходимы.

Также никогда не передавайте структуры как значения. Если вы определите структуру, написав что-либо похожее на это:

typedef struct point_typ

{

int x[10],y[10],z[10];

}point,point_ptr;

сделаете вызов

Display(point point_1);

то в стек будет помещена целая структура! Это очень плохо. Чтобы избежать подобного, при передаче структур всегда применяйте ссылки на них, а «передачу значением» используйте только для целых и прочих стандартных типов данных Си.

Может быть, вы спросите: «Почему не использовать глобальные переменные вместо параметров?» Рассмотрим эту идею более внимательно.

Глобальные переменные

Мы пишем видеоигры, правила которых иногда должны изменяться. Всякий, кто где-нибудь учился, знает, что глобальных переменных стоит по возможности избегать. Конечно, всякое бывает, но лучше, когда их очень мало, и прекрасно, когда они вообще отсутствуют. Здесь приведена точка зрения одного крутого знатока в программировании игр; «Используйте глобальные переменные всегда, когда они помогают в увеличении быстродействия, но при этом сохраняйте чувство меры». К примеру, у нас есть набор функций, которые рисуют точки, изображают линии и окружности. Эти функции требуют передачи им различного количества параметров: для построения точки нужно знать две координаты, а для рисования линии — целых четыре. Что же касается цвета, то он, вероятно может быть одним и тем же как для линий, так и для окружностей. Почему же не сделать, чтобы каждая функция рисовала текущим глобальным цветом? С этой целью можно задать переменную и назвать ее, например, draw_color. Если вы измените текущий цвет и сделаете сотню вызовов функции, то при этом изменить цвет достаточно будет только один раз. В результате вы сумеете избежать порядка двухсот операций обмена со стеком.

Но учтите, что применение глобальных переменных может оказаться немного похожим на употребление наркотика: чем больше его принимаешь, тем больше он нужен. Хороший программист всегда может сбалансировать использование глобальных переменных и увеличить с их помощью быстродействие программы на 5, а то и 10 процентов.

Указатели и использование псевдоимен

Эту тему условно можно назвать тактическим приемом, которым пользуются некоторые программисты, в то время как многие о нем даже и не подозревают. Например, у вас есть фрагмент такой программы:

for(t == y->stars[index].left;

t < stars[index].left + 100; t++)

{

position = point->x + point->y -point->z;

pitch = point->x * point->y * point->z;

roll-= point->ang + sin(t) * point->ang;

}

Этот фрагмент хоть и выглядит достаточно компактным, но, тем не менее, и к нему может быть применен способ оптимизации, связанный с использованием псевдоимен. Вы видите, что в этом примере присутствует несколько команд, ссылающихся на указатель. Тактика, которой мы здесь воспользуемся, заключается в замене всех указателей, встречающихся более двух раз, простыми переменными. Вышеуказанная функция в результате может быть переписана так;

t1=y->stars[index].left;

x=point->x;

y=point->y;

z=point->z;

ang=point->ang;

for(t=t1;t<t1+100;t++)

{

position=x+y+z;

pitch=x*y*z;

roll=ang+sin(t)*ang;

}

Несмотря на то, что новая версия длиннее, она выполняется быстрее, так как содержит только пять ссылок вместо 800. Конечно, доступ к переменным х, у и z отнимает некоторое время, но порядок его величины меньше, чем ссылки на структуры и указатели. И этим нужно воспользоваться.

Использование регистров

В конечном счете, все программы, которые мы пишем на Си, будут переведены в последовательность машинных команд. После этого превращения некоторые из регистров общего назначения окажутся занятыми выполнением задачи, определяемой программой. Однако, мы не можем быть уверенными, что регистры будут использоваться вместо медленной стековой памяти. Чтобы быть уверенным, что функции используют регистры для переменной индекса (или какой-нибудь другой), давайте попробуем заставить компилятор по мере возможности делать это. Необходимо всегда помнить, что доступ к регистрам процессора во много раз быстрее, чем к оперативной памяти. Это происходит потому, что регистры находятся внутри ЦПУ, а память - нет. Мы можем использовать ключевое слово register, чтобы скомандовать компилятору использовать регистр. Как пример, напишем функцию, которая делает перестановку без регистров.

void Swap(int..num l,num 2)

{

int temp;

temp=num_1;

num_l=num_2; num_2=temp;

}

А теперь перепишем ее, используя регистр как временную переменную.

Swap(int num_1,num_2)

{

register int temp;

temp=num_1;

num_1=num_2;

num_2=temp;

}

Если компилятор может, то он будет использовать регистр в качестве регистровой переменной и программа увеличит скорость выполнения на 10-15 процентов. В связи с использованием ключевого слова register нужно учитывать два момента:

§ Компилятор не создает регистры, он использует стандартные регистры ЦПУ;

§ Иногда форсирование компилятора для использования регистров делает программу медленнее. Будьте осторожны. Обычно не стоит применять переменные типа register в маленьких функциях.

Теперь поговорим об основных приемах оптимизации компилятора.

Оптимизация компилятора

Фирма Microsoft уверяет, что ее компилятор является оптимизирующим. Это предельно правдивое высказывание. Несмотря на то, что оптимизатор иногда в состоянии сделать вашу программу медленнее или даже привнести ошибки, он проводит классическую оптимизацию (с точки зрения ученых-компьютерщиков). Однако мы, как создатели игр, не можем доверять автоматической оптимизации. Следовательно, мы никогда не будем использовать никакие опции оптимизатора (хорошо, может быть только некоторые из них). Стоит попробовать поиграть с ними только когда ваша видеоигра уже полностью готова и свободна от ошибок. Но ни в коем случае не рассчитывайте на оптимизацию во время разработки программы. Это не панацея. Единственное, что может принести реальную пользу, так это опция отключения контроля переполнения стека.

Обычно компилятор в начале любой процедуры вставляет небольшие фрагменты кода, называемые прологом, которые служат для проверки достаточности стекового пространства для размещения локальных переменных. Но если установить размер стека в несколько килобайт, то у вас никогда не будет проблем. Поэтому вы можете выключить контроль переполнения стека, что немного сократит время обращения к функции (для этого можно использовать директиву компилятора -GS).

Я считаю, что оптимизатор на самом деле может доставить хлопот больше, нежели разрешить проблем. Вскоре я специально напишу эффективную программу, чтобы доверить ее оптимизатору и посмотреть, что из этого получится. Иногда оптимизатор может без зазрения совести внести в вашу программу пару-тройку ошибок, и это является еще одной причиной, почему им не стоит пользоваться слишком активно. (Я уже задокументировал дюжину ошибок в новом компиляторе Microsoft — Visual C/C++ 1.5, так что это высказывание имеет под собой серьезное обоснование. Обычно я до сих пор использую C/C++ 7.0, находя его более надежным.)

Развертка циклов

Это очень старо. В далеком прошлом, в конце 70-х годов, когда Apple безраздельно правил миром ПК, королем среди процессоров считался процессор 6502. Люди всегда находили интересные пути, чтобы заставить его работать быстрее. Один из трюков, который был найден, называется разверткой циклов. Это технический прием, где программист на самом деле отменяет структуру цикла вручную, разбивая саму задачу цикла. Структура цикла сама по себе имеет небольшой заголовок и мы можем использовать это в наших целях. К примеру, мы хотели бы инициализировать поле men в 10000 структур. Можно было бы поступить так:

for (index=0;index<10000;index++)

{

player[index].men=3;

}

и это будет прекрасно работать. Однако переменная index инкрементируется и сравнивается 10000 раз. Поскольку цикл повторяется 10000 раз, то это означает, что будет 10000 переходов типа NEAR. Мы можем развернуть цикл и получить небольшой выигрыш в скорости его выполнения. Вот что мы могли бы сделать:

for(index=0;index<1000;index+=10)

{

player[index].men=З;

player[index+1].men=3;

player[index+2].men=3;

player [index+3].men=3;

player[index+4].men=3;

player [index+5].men=3;

player [index+6].men=3;

player[index+7].men=3;

player [index+8].men=3;

player[index+9].men=3;

}

Теперь цикл выполняется только 1000 раз. Следовательно, index изменяется и сравнивается только 1000 раз, и при этом выполняется только 1000 переходов типа NEAR.

Этот пример написан мною еще и для того, чтобы показать вам, что развертка цикла может иметь и отрицательные стороны. Посмотрите внимательно на новую программу. Здесь к каждому индексу в каждой последующей операции присваивания добавляется смещение, и время, которое уйдет на это, может свести на нет выгоду от разворачивания циклов. Однако, чтобы исправить это, мы можем применить маленькую хитрость. Введем для индексирования структуры вторичную переменную new_index, которую будем увеличивать после каждого присваивания. Это приведет к увеличению скорости. Взгляните:

new_index=0;

for(index=0;index<1000;index+=10)

{

player[new_index++].men=3;

player[new_index++].men=3;

player[new_index++].men=3;

player[new_index++].men=3;

player[new_index++].men=3;

player[new_index++].men=3;

player[new_index++].men=3;

player[new_index++].men=3;

player[new_index++].men=3;

player[new_index++].men=3;

}

Новая программа работает быстрее, чем старая. Неплохо? Развертка циклов настолько эффективна, что у вас может возникнуть желание постоянно прибегать к этой уловке. Однако и здесь нужно знать меру. Дело в том, что машинные команды кэшируются внутри современных CPU, и слишком «массированное» разворачивание циклов может привести к проблемам переполнения кэша. Но если вы пользуетесь этим бережно (то есть ограничиваетесь тремя-восемью итерациями), то должны получить хорошие результаты.

Теперь поговорим о другом старом трюке - использовании операций сдвига для перемножения чисел.

Бинарное умножение

Впервые мы столкнулись с этим трюком в пятой главе, «Секреты VGA-карт». На ПК (да и вообще почти на любом компьютере на этой планете) система двоичных чисел используется для представления чисел в компьютере (хотя, я слышал и о «троичных» компьютерах). Поскольку разряды двоичных чисел являются степенью двух и каждое число помещается в слове как набор двоичных цифр, сдвиг слова влево или вправо смещает каждый его разряд на соседнее место. Эти операции автоматически удваивают число или делят его на два, соответственно. Взгляните на рисунок 18.1, чтобы увидеть это на примере.

Сдвигая число влево, вы умножаете его каждый раз на 2. Проделав это четыре раза, вы умножите его на 16, пять раз — на 32. Таким путем мы можем умножить число на любую степень двух, но как насчет других'чисел, таких, например, как 26? Для выполнения этого мы разобьем умножение на группы умножений по степеням двух. Число 26 может быть представлено как 16+8+2. Таким образом, если мы умножим произвольное значение Х на 16, добавим к нему X, умноженное на 8 и, наконец, добавим X, умноженное на 2, то ответ должен быть таким же, как если бы мы умножили на 26. Взгляните:

Y=X*26=X*16+X*8+X*2=X<<4+X<<3+X<<1

Кстати, именно так поступают ученые-ракетчики,которые прекрасно знают, что сдвиг гораздо быстрее умножения, и мы также можем выиграть кучу времени, используя эту «реактивную» технику. Увеличение скорости вычислений достигается за счет того, что сдвиг — простая бинарная операция, в то время как умножение является действием гораздо более комплексным.

В связи со сказанным стоит упомянуть еще вот о чем;

§ Во-первых, деление также может быть выполнено путем сдвига числа, но только вправо. Правда, деление сдвигом выполняется не так часто, как умножение, поскольку делитель разбить на составляющие обычно бывает значительно сложнее.

§ Во-вторых, эта техника работает только с целыми числами без плавающей запятой. Значения типа FLOAT и DOUBLE хранятся в памяти в так называемом IEEE-формате, и их сдвиг приведет к переполнению разрядной.сетки.

Теперь мы можем перейти к следующей технике оптимизации — к таблицам поиска. Что ж, поищем их...

Таблицы поиска

Таблицы поиска, как следует из их названия, служат для поиска некоторых фактов. С их помощью можно искать что угодно. Суть применения таблиц поиска состоит в том, что вместо выполнения расчетов в процессе работы программы, мы предварительно выполняем все возможные вычисления, в которых может возникнуть необходимость, и сохраняем их в гигантской таблице. Далее, во время выполнения программы, мы смотрим в таблицу, используя параметр вычисления для поиска в ней конечного результата. Наиболее классическое использование справочных таблиц — предварительное вычисление трансцендентных функций, таких как синус, косинус, тангенс и т. д., поскольку они отнимают много времени для вычисления, даже с математическим сопроцессором.

Приведу пример использования справочных таблиц. Скажем, в программе нам необходимо вычислять синус и косинус угла, который может быть любым от 0° до 360° и является целым (то есть у нас не будет вычислений для углов с десятичной частью, таких как 3.3). Следующая программа создает справочную таблицу значений синусов и косинусов:

float sin_table[360],cos_table[360];

for(index=0;index<360;index++)

{

sin_table[index]=sin(index*3.14159/180);

cos_table[index]=cos (index*3.14159/180);

}

Этот программный фрагмент создает две таблицы, содержащих по 360 заранее вычисленных значений синусов и косинусов.

Теперь посмотрим, как использовать справочные таблицы, К примеру взглянем на это выражение:

x=cos(ang*3.14159/180)*radius;

y=sin(ang*3.14159/180)*radius;

Используя наши новые справочные таблицы, мы могли бы иметь:

x=cos_table[ang]*radius;

y=sin_table[ang]*radius;

Применение справочных таблиц может значительно увеличить быстродействие ваших игр. Единственная сложность заключается в том, что они отнимают много места. К примеру, игра Wing Commander использует справочные таблицы, которые содержат предварительно вычисленные виды кораблей для всех углов поворота. DOOM использует справочные таблицы, чтобы помочь в вычислении видимого расположения всех объектов игрового пространства.

При построении справочной таблицы учитывается все, что игрок может увидеть на экране. Необходимые для графических построений данные вычисляются перед началом игры или загружаются в готовом виде с диска. Затем, во время игры справочные таблицы получают привязку к окружающему игровому пространству и если табличные данные сообщают, что некоторую часть изображения невозможно увидеть, то графическая система устранения скрытых поверхностей удалит их.

Я сторонник идеи, что полноценная видеоигра может быть сделана только с огромным количеством справочных таблиц, и лишь небольшим программным кодом, отвечающим за осуществление игровой логики, а то и вовсе без такового. Как и в электротехнике, в видеоиграх используются конечные автоматы (с которыми мы столкнулись в тринадцатой главе, «Искусственный интеллект»). Однако вместо использования алгоритмов, моделирующих поведение объекта для следования из одного состояния в другое (как мы делали в тринадцатой главе), для управления существами можно привлечь справочные таблицы.

Этим техническим приемом в вычислительной технике пользуются для конструирования КА и мы также можем делать это в наших программах. Все что нам необходимо, это таблица, которая содержит текущее состояние и следующие состояния.

Итог: справочные таблицы великолепны. Применяйте их во всех случаях компьютерной жизни пока позволит объем памяти. Кроме того, когда вы составляете справочные таблицы, попробуйте, где это только возможно, использовать симметрию для уменьшения размера таблицы. Например, синус и косинус

по сути являются одной и той же функцией с различием в 90о. Взгляните на рисунок 18.2. Мы видим, что синус и косинус выглядят почти одинаково. Фактически, они связаны следующими формулами:

sin (angle)=cos(angle-90) cos (angle)=sin(angle+90)

Поэтому мы могли бы создать единственную справочную таблицу для значений косинусов, а потом, когда нам понадобится вычислить синус угла, достаточно к исходной величине угла добавить 90е и использовать новый результат как индекс. Конечно, при этом нужно быть осторожным — новый угол может оказаться больше 360°. В этом случае вы должны выполнить его циклический возврат к нулю:

if(angle>360) angle=angle-360;

Для, доказательства того, что справочные таблицы могут увеличить скорость выполнения программ, я создал программку, которая использует как обычные функции sin и cos, так и справочную таблицу, хранящую заранее вычисленные значения синусов и косинусов, изображающую 100 окружностей. Программа, показанная в Листинге 18.1, начинается с заполнения таблиц. Затем она чертит 1000 окружностей, используя внутренние функции. Потом она ждет нажатия клавиши, после чего рисует 1000 окружностей, используя табличные данные. Запустив программу, вы обязательно почувствуете разницу. Также обратите внимание, что эта программа достаточно компактна и очень эффективна с точки зрения вывода графики.

Дата добавления: 2015-07-12