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Unity JobSystem：高效多线程编程指南_unity job system

网友: 技术文档 2025-07-30 11:58:29

一、前言：

        Job System 是 Unity 引擎提供的安全多线程编程框架，旨在充分利用多核 CPU 性能，特别适用于计算密集型任务（如物理模拟、动画、大规模数据处理）。其核心设计逻辑是通过将任务拆分为小型、可并行执行的单元（Job），在避免传统多线程编程复杂性的同时提升性能

二、NativeArray

        NativeArray 会向托管代码显示本机内存缓冲区，从而可以在托管数组和本机数组之间共享数据。

        注意：要求 T 是 Blittable 类型。

        Allocator : 内存分配类型

        Temp ：具有最快的分配速度。此类型适用于寿命为一帧或更短的分配。不应该使用 Temp 将         NativeContainer 分配传递给作业。

        TempJob ：分配速度比 Temp 慢，但比 Persistent 快。此类型适用于寿命为四帧的分配，并具有线程安全性。如果没有在四帧内对其执行 Dispose 方法，控制台会输出一条从本机代码生成的警告。大多数小作业都使用这种 NativeContainer 分配类型。

        Persistent ：是最慢的分配，但可以在您所需的任意时间内持续存在，如果有必要，可以在整个应用程序的生命周期内存在。此分配器是直接调用 malloc 的封装器。持续时间较长的作业可以使用这种 NativeContainer 分配类型。在非常注重性能的情况下不应使用 Persistent。

例如：

NativeArray result = new NativeArray(1, Allocator.TempJob);

        注意：上例中的数字 1 表示 NativeArray 的大小。在此例子中只有一个数组元素（因为只会在 result 中存储一段数据）。

三、Blittable types

核心定义

  • Blittable 类型：指在托管代码（C#）和非托管代码（Native）中具有完全相同的内存布局（memory layout）和字节表示（byte representation） 的数据类型。
  • 关键特性：这类数据在托管与非托管环境间传递时，无需进行格式转换或序列化，可直接通过内存拷贝（memcpy） 高效复制，性能极高。

为什么在 Unity Job System 中重要？

        Job System 默认将 Job 所需数据复制到工作线程的本地内存（避免线程竞争）。若数据类型非 Blittable：

  1. 需额外执行数据转换（如序列化），显著增加开销。
  2. 可能破坏线程安全性（如引用类型跨线程共享）。
  3. Burst 编译器要求：使用 Burst 编译 Job 时，Job 内所有字段必须是 Blittable 类型。

Blittable 类型的判定规则

✅ 典型 Blittable 类型（可直接内存复制）

类别

具体类型

基本数值类型

byte, sbyte, short, ushort, int, uint, long, ulong, float, double

简单结构体

所有字段均为 Blittable 类型的 struct（如 Vector3、Matrix4x4）

枚举

底层类型为整数（如 enum MyEnum : int）

特定指针

IntPtr（平台相关指针）

一维数组

元素为 Blittable 类型的数组（如 int[], float[]）

❌ 非 Blittable 类型（禁止在 Job 中直接使用）

类别

原因

引用类型

string, class, delegate, array of non-blittable（内存布局由 CLR 管理，非固定）

包含引用字段的结构体

如 struct { int id; string name; }（因 string 字段）

布尔类型

bool（在 C# 中为 1 字节，但某些 Native 环境可能用 4 字节）

特殊类型

decimal（内部结构复杂）

四、创建作业

要创建作业，您需要：

  • 创建实现 IJob 的结构。
  • 添加该作业使用的成员变量（为 blittable 类型和 NativeContainer 类型之一）。
  • 在结构中创建一个名为 Execute 的方法，并在其中实现该作业。

执行作业时，Execute 方法在单个核心上运行一次。

注意 ：在设计作业时，请记住它们是在数据副本上操作的， 但 NativeContainer 除外。因此，从控制线程中的作业访问数据的唯一方法是写入 NativeContainer。

// 将两个浮点值相加的作业public struct MyJob : IJob{ public float a; public float b; public NativeArray result; public void Execute() { result[0] = a + b; }}

五、调度作业

        调用 Schedule 会将该作业放入作业队列中，以便在适当的时间执行。一旦作业已调度，就不能中断作业。

// 创建单个浮点数的本机数组以存储结果。此示例等待作业完成，仅用于演示目的NativeArray result = new NativeArray(1, Allocator.TempJob);// 设置作业数据MyJob jobData = new MyJob();jobData.a = 10;jobData.b = 10;jobData.result = result;// 调度作业JobHandle handle = jobData.Schedule();// 等待作业完成handle.Complete();// NativeArray 的所有副本都指向同一内存，您可以在\"您的\"NativeArray 副本中访问结果float aPlusB = result[0];// 释放由结果数组分配的内存result.Dispose();

六、JobHandle 和依赖项

        调用作业的 Schedule 方法时，将返回 JobHandle。可以在代码中使用 JobHandle 作为其他作业的依赖项。如果一个作业依赖于另一个作业的结果，则可以将第一个作业的 JobHandle 作为参数传递给第二个作业的 Schedule 方法，如下所示：

JobHandle firstJobHandle = firstJob.Schedule();secondJob.Schedule(firstJobHandle);

注意：作业的所有依赖项必须与作业本身安排在同一个控制线程上。

七、在控制线程中等待任务完成

        通过 JobHandle 强制控制线程等待任务执行结束。调用 JobHandle 的 Complete() 方法即可实现。此时，控制线程可安全访问任务使用的 NativeArray 数据。

        注意：任务在被调度时不会立即执行。若需在控制线程等待任务，并访问任务使用的 NativeArray 数据，可调用 JobHandle.Complete()。此方法会清空内存缓存中的任务并启动执行流程。

        调用 Complete() 会将任务使用的 NativeArray 所有权交还给控制线程。必须调用 Complete() 才能再次从控制线程安全访问这些 NativeArray。也可通过调用依赖任务的 JobHandle.Complete() 交还所有权（例如：直接调用任务A的 Complete()，或调用依赖任务A的任务B的 Complete()）。

        两种方式都能确保任务A使用的 NativeArray 在 Complete() 调用后可在控制线程安全访问。

关键概念解析：

  1. 控制线程 (Control Thread)
    主线程（通常是Unity的主线程），负责调度任务并协调执行流程。
  2. JobHandle.Complete() 的核心作用
    • 同步机制：强制控制线程阻塞等待，直到关联任务及其依赖链全部完成。
    • 内存所有权转移：将任务占用的 NativeContainer（托管原生内存容器）控制权交回主线程，解除并行访问限制。
    • 隐式执行触发：清空任务缓存队列，立即启动任务执行（任务调度后默认处于排队状态）。
  1. 依赖任务的所有权传递

调用JobHandleA.Complete()或JobHandleB.Complete()均能释放任务A的NativeContainer

本质：任务B依赖任务A → 完成B需隐式完成A → 所有权自动回溯至根依赖。

 

Unity JobSystem：高效多线程编程指南_unity job system

4.线程安全访问规则

操作时机

NativeContainer 访问权限

任务调度后未调用Complete

❌ 控制线程访问引发竞态条件

调用Complete后

✅ 安全独占访问

5.设计意图说明

  • 延迟执行优化：任务队列缓存允许Unity批量合并调度，减少线程切换开销。
  • 显式同步控制：通过 Complete() 精确管理数据竞争风险，避免隐式等待导致的性能不确定性。

实务建议：在帧逻辑末尾集中调用 Complete()，确保所有并行任务结果就绪后再处理数据，避免主线程频繁阻塞等待。
 

八、IJobParallelFor

  • 设计目的：为纯并行任务设计，自动分割数据并在多个线程上并行执行。
  • 实现要求：
    • 必须实现 Execute(int index) 方法。
    • 任务之间不能有依赖关系（每个 index 独立处理）。

调度方式：

// arrayLength：要处理的数据总量。// batchSize：每个线程处理的批次大小（影响负载均衡）。JobHandle Schedule(int arrayLength, int batchSize, JobHandle dependency);
    • 特点：

            自动并行化：Unity 自动分配线程处理不同 index。

            无执行顺序保证：不同 index 的执行顺序不确定。

    • 适用场景：大规模数据并行（如顶点处理、网格计算）。
    public struct AddJob : IJobParallelFor{ public NativeArray Result; public NativeArray A; public NativeArray B; public void Execute(int i) { Result[i] = A[i] + B[i]; // 每个索引独立计算 }}// 调度var job = new AddJob { Result = result, A = a, B = b };jobHandle = job.Schedule(result.Length, 64, default);

    九、IJobFor (更灵活的新方式)

    • 设计目的：提供灵活的执行控制，可选择单线程或并行执行。
    • 实现要求：
      • 同样实现 Execute(int index) 方法。
      • 可选择三种调度模式：

          Run()：主线程同步执行。

          Schedule()：单线程异步执行（顺序执行）。

          ScheduleParallel()：多线程并行执行（类似 IJobParallelFor）。

    • 特点：

            灵活性：自由切换执行模式（调试/性能权衡）。

            依赖控制：支持更精细的依赖关系管理。

            现代 API：与 Unity ECS 集成更紧密。

    • 适用场景：

            需要灵活控制执行方式的场景。

            兼容 ECS 的代码库。

    public struct AddJob : IJobFor{ public NativeArray Result; public NativeArray A; public NativeArray B; public void Execute(int i) { Result[i] = A[i] + B[i]; }}// 三种调度方式var job = new AddJob { Result = result, A = a, B = b };// 方式1: 主线程同步执行job.Run(result.Length);// 方式2: 单线程异步顺序执行JobHandle handle1 = job.Schedule(result.Length, default);// 方式3: 多线程并行执行JobHandle handle2 = job.ScheduleParallel(result.Length, 64, default);

     

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