虚幻4与现代C++：基于任务的并行编程与TaskGraph

内容概要

基于任务的并行编程是现代C++的一个趋势，虚幻4中的TaskGraph也是这样一个方向。这个帖子就分享一下 TaskGraph 的基本用法。

【欢迎转载，请注明作者：房燕良，原文出处： 游戏 程序员 的自我修养 】

基于任务的并行程序设计

基于任务（task-based）的并行编程可以说是现代 C++ 的一个重要发展方向。什么是“基于任务的并行编程”呢？简单来做个比较的话就很清晰了。

传统的 C++ 并行编程是直接操作OS层面的线程（std::thread）、线程同步对象（ std::mutex, std::condition 等），这种叫做 基于线程（thread-based） 的并行编程。在这种开发模式下，程序员必须非常仔细的处理线程间的同步、共享数据等问题，为了避免条件竞争(race condition)和死锁而殚精竭虑。虚幻4里面的 FRunable 就是这种模式。

如果说“ 基于线程 的并行编程”就像是在直接使用 D3D、OpenGL 在开发图形程序，那么“ 基于任务 的并行编程”的模式就相当于在一个图形渲染引擎基础上做开发。我们可以更多的在自己的问题域里面思考：

• 如何把整个处理流程划分成“任务”；
• 哪些任务是可以并行的，哪些任务需要串行；
  然后通过“基于任务”的 API 来派发任务。这个小引擎内部的调度器会帮我们管理线程池等底层对象。

基于任务的模式已经相当成熟，比较有名的实现包括:

• 微软的 PPL(Parallel Patterns Library)
• Intel 的 TBB(Threading Building Blocks)

并且两家已经在2015年一起发起了C++标准提案： N4411-Task Block ，Herb Sutter 也是发起人之一。

虚幻4的 TaskGraph 简介

虚幻4的 TaskGraph 就是“基于任务的并行编程”设计思想下的一种很棒的实现。它的最大特点就是： 易用 ，后面你将看到。

TaskGraph 应该是虚幻4引擎中后期才加入的一个机制，但越来越多的系统开始使用它。它不是一个标准的并行编程框架，而一个专门针对虚幻4定制的。它的底层实现代码有点绕，咱们就先不分析它，而是着重说说 怎么用好它 。

虚幻4的 TaskGraph 有以下常用特性：

• 在创建任务时，可以指定一个或多个前置任务；这些任务就可以组成一个 Graph 啦；
• 可以指定任务在哪个线程中执行；这个很实用，后面例子中可以看到；

至于任务之间如何共享数据等问题，TaskGraph 框架是不管的，责任在于开发 Task 的人。不过，不要害怕：你可能发现，任务分配的好的话，这个问题可以很大程度上简单化。

通过实例上手 TaskGraph

我还是通过一个最简单的例子来说明 TaskGraph 的基本用法：

• 假定我们需要 异步加载一个文本文件 。

下面是这个例子的测试接口定义：

• 建立了一个 Actor 的派生类
• 提供一个接口，用来发起异步加载的操作： void AsyncLoadTextFile(const FString& FilePath)

• 提供一个蓝图事件，供上层来接收加载的文件内容： void OnFileLoaded(const FString& FileContent)

• 完整代码如下：FirstAsyncTask.h

UCLASS()
class MAKINGUSEOFTASKGRAPH_API AFirstAsyncTask : public AActor
{
	GENERATED_BODY()
public:
	UFUNCTION(BlueprintCallable)
		void AsyncLoadTextFile(const FString& FilePath);

	UFUNCTION(BlueprintImplementableEvent)
		void OnFileLoaded(const FString& FileContent);

};

实现代码很简单：

• 在 AsyncLoadTextFile() 函数中发起一个异步操作；
• OnFileLoaded() 将在蓝图中实现，C++这里没有代码；

• 任务代码是通过自定义的一个class实现的： FTask_LoadFileToString ，这个Task的实现代码后面详说；

• 完整代码如下：FirstAsyncTask.cpp

void AFirstAsyncTask::AsyncLoadTextFile(const FString& FilePath)
{
	FTaskDelegate_FileLoaded TaskDelegate;
	TaskDelegate.BindUFunction(this, "OnFileLoaded");

	TGraphTask<FTask_LoadFileToString>::CreateTask().ConstructAndDispatchWhenReady(FilePath, TaskDelegate);
}

主线程的代码就是这么简单！然后，我建立一个 class AFirstAsyncTask 的蓝图派生类，来测试它：

看到这里，你可能想要拍砖了：你 在一个异步任务里面调用蓝图 OnFileLoaded ，这个不是找死吗？！且慢，砖可以先举着，容我慢慢解释！其关键就在于 这个异步任务是如何定义的 。

定义任务

用户定义的任务必须要满足 TGraphTask 中对 Task 的接口需求。下面这个 class FTask_LoadFileToString 就是我写的一个简单的任务：

class FTask_LoadFileToString
{
	FTaskDelegate_FileLoaded TaskDelegate;
	FString FilePath;

	FString FileContent;
public:
	FTask_LoadFileToString(FString InFilePath, FTaskDelegate_FileLoaded InTaskDelegate) :
		TaskDelegate(InTaskDelegate), FilePath(MoveTemp(InFilePath))
	{}

	FORCEINLINE TStatId GetStatId() const	{
		RETURN_QUICK_DECLARE_CYCLE_STAT(FTask_LoadFileToString, STATGROUP_TaskGraphTasks);
	}

	static ENamedThreads::Type GetDesiredThread() { return CPrio_LoadFileToString.Get(); }
	static ESubsequentsMode::Type GetSubsequentsMode() { return ESubsequentsMode::TrackSubsequents; }

	void DoTask(ENamedThreads::Type CurrentThread, const FGraphEventRef& MyCompletionGraphEvent)	{
		// load file from Content folder
		FString FullPath = FPaths::Combine(FPaths::ProjectContentDir(), FilePath);
		if (FPaths::FileExists(FullPath))
		{
			FFileHelper::LoadFileToString(FileContent, *FullPath);
		}

		// create completion task
		FGraphEventRef ChildTask = TGraphTask<FTaskCompletion_LoadFileToString>::CreateTask(nullptr, CurrentThread).
			ConstructAndDispatchWhenReady(TaskDelegate, FileContent);
		MyCompletionGraphEvent->SetGatherThreadForDontCompleteUntil(ENamedThreads::GameThread);
		MyCompletionGraphEvent->DontCompleteUntil(ChildTask);
	}
};

挨个说一下这个类的几个方法：

• 构造函数是完全自定义的，有多少参数都可以；底层会通过“ 可变参数模板 (Variadic Templates)”把所有参数全都转发过来；
  • 引擎中有一句注释说不支持引用类型的参数：CAUTION!: Must not use references in the constructor args; use pointers instead if you need by reference
  • 不过，我在引擎的代码中发现了有使用引用类型参数的任务，目前还不确定；使用引用类型的话，确实是有很大的“悬空引用(dangling references)”的风险，建议还是不用；
• GetStatId() ：返回一个 StatId，一般就按照这种固定写法就好了；
• GetDesiredThread() ：返回这个任务希望运行的线程；常用的写法有：

  class FAutoConsoleTaskPriority
  ENamedThreads::GameThread 
  

• GetSubsequentsMode() ：有两个可选值，TrackSubsequents 和 FireAndForget ；
• DoTask() ：这个就是写我们这个任务实际的工作的代码了；

下面就着重看一下这个任务的实现代码： FTask_LoadFileToString::DoTask() ，这个函数干了两件事：

1. 首先就是加载那个文本文件了；
2. 创建了一个 FTaskCompletion_LoadFileToString 子任务，这个子任务负责执行“完成通知”；
3. 重点来了： 我指定了 FTaskCompletion_LoadFileToString 必须在 GameThread 执行 ！

下面看一下 class FTaskCompletion_LoadFileToString 的完整代码：

class FTaskCompletion_LoadFileToString
{
	FTaskDelegate_FileLoaded TaskDelegate;
	FString FileContent;
public:
	FTaskCompletion_LoadFileToString(FTaskDelegate_FileLoaded InTaskDelegate, FString InFileContent) :
		TaskDelegate(InTaskDelegate), FileContent(MoveTemp(InFileContent))
	{}

	FORCEINLINE TStatId GetStatId() const	{
		RETURN_QUICK_DECLARE_CYCLE_STAT(FTaskCompletion_LoadFileToString, STATGROUP_TaskGraphTasks);
	}

	static ENamedThreads::Type GetDesiredThread() { return ENamedThreads::GameThread; }
	static ESubsequentsMode::Type GetSubsequentsMode() { return ESubsequentsMode::TrackSubsequents; }

	void DoTask(ENamedThreads::Type CurrentThread, const FGraphEventRef& MyCompletionGraphEvent){
		check(IsInGameThread());
		TaskDelegate.ExecuteIfBound(MoveTemp(FileContent));
	}
};

OK！砖举累了吧，可以放下了：

• 我是通过这个完成通知任务 class FTaskCompletion_LoadFileToString 来调用 AFirstAsyncTask::OnFileLoaded 那个蓝图事件的；
• FTaskCompletion_LoadFileToString::GetDesiredThread() 返回值为： ENamedThreads::GameThread ，也就是要求它在 GameThread 执行！

这个任务的 DoTask() 代码就很直接了当了，有两个小点稍微说一下：

1. 你看，我在 DoTask() 里面写了 check(IsInGameThread()) ，确定是 Game Thread 。:)
2. 我通过引擎提供的 MoveTemp 模板，实现了 FString FileContent 的 转移拷贝 ，减少了内存拷贝； 关于转移语义可以看我之前的博客 。

派发任务

就像上面那样，定义好 “Task 类”之后就需要调用 TaskGraph 来派发这个任务了，就像下面这样：

TGraphTask<FTask_LoadFileToString>::CreateTask().ConstructAndDispatchWhenReady(FilePath, TaskDelegate);

解释一下上面这一行代码：

1. TGraphTask 是一个模板类，它接收一个类型参数，就是我们前面定义的 “Task 类”
2. 首先是调用 TGraphTask::CreateTask() 函数，这个函数有两个参数：

   FGraphEventArray* Prerequisites
   ENamedThreads::Type CurrentThreadIfKnown
   

3. TGraphTask::CreateTask() 返回一个对象，它的类型是： class TGraphTask::FConstructor
   • FConstructor 有两个主要的方法： ConstructAndDispatchWhenReady() 、 ConstructAndHold() ，名字就说明它的作用了
   • 这两个方法主要就是构造我们定义的 “Task 类”的实例，并且使用”可变参数模板(Variadic Templates)”把构造函数的参数转发到 “Task 类的构造函数”

可以说这就是 TaskGraph 系统的常用 API 啦！非常非常的简单易用！这么好用的系统，EPIC竟然没有文档，难道是舍不得给大家用吗？哈哈！

小结

这个例子相当于 Hello World 啦！在这个例子中，我使用“父子任务”的结构，来执行异步操作，并在 GameThread 中发送完成通知。这算是 TaskGraph 的用法之一，后续我会继续分享 TaskGraph 的实战经验。TaskGraph 运用过程中的一些问题，也会逐步澄清。

相关的样例工程在我的 GitHub ： https://github.com/neil3d/UnrealCookBook/tree/master/MakingUseOfTaskGraph

这里附上这个Demo相关的完整代码：

FirstAsyncTask.h

#pragma once

#include "CoreMinimal.h"
#include "GameFramework/Actor.h"
#include "FirstAsyncTask.generated.h"

UCLASS()
class MAKINGUSEOFTASKGRAPH_API AFirstAsyncTask : public AActor
{
	GENERATED_BODY()

public:
	AFirstAsyncTask();

	UFUNCTION(BlueprintCallable)
		void AsyncLoadTextFile(const FString& FilePath);

	UFUNCTION(BlueprintImplementableEvent)
		void OnFileLoaded(const FString& FileContent);

};

FirstAsyncTask.cpp

#include "FirstAsyncTask.h"
#include "Misc/Paths.h"
#include "Misc/FileHelper.h"

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
DECLARE_DELEGATE_OneParam(FTaskDelegate_FileLoaded, FString);

class FTaskCompletion_LoadFileToString
{
	FTaskDelegate_FileLoaded TaskDelegate;
	FString FileContent;
public:
	FTaskCompletion_LoadFileToString(FTaskDelegate_FileLoaded InTaskDelegate, FString InFileContent) :
		TaskDelegate(InTaskDelegate), FileContent(MoveTemp(InFileContent))
	{}

	FORCEINLINE TStatId GetStatId() const
	{
		RETURN_QUICK_DECLARE_CYCLE_STAT(FTaskCompletion_LoadFileToString, STATGROUP_TaskGraphTasks);
	}

	static ENamedThreads::Type GetDesiredThread() { return ENamedThreads::GameThread; }

	static ESubsequentsMode::Type GetSubsequentsMode() { return ESubsequentsMode::TrackSubsequents; }

	void DoTask(ENamedThreads::Type CurrentThread, const FGraphEventRef& MyCompletionGraphEvent)
	{
		check(IsInGameThread());

		TaskDelegate.ExecuteIfBound(MoveTemp(FileContent));
	}
};

FAutoConsoleTaskPriority CPrio_LoadFileToString(
	TEXT("TaskGraph.TaskPriorities.LoadFileToString"),
	TEXT("Task and thread priority for file loading."),
	ENamedThreads::HighThreadPriority,
	ENamedThreads::NormalTaskPriority,
	ENamedThreads::HighTaskPriority 
);

class FTask_LoadFileToString
{
	FTaskDelegate_FileLoaded TaskDelegate;
	FString FilePath;

	FString FileContent;
public:
	FTask_LoadFileToString(FString InFilePath, FTaskDelegate_FileLoaded InTaskDelegate) :
		TaskDelegate(InTaskDelegate), FilePath(MoveTemp(InFilePath))
	{}

	FORCEINLINE TStatId GetStatId() const
	{
		RETURN_QUICK_DECLARE_CYCLE_STAT(FTask_LoadFileToString, STATGROUP_TaskGraphTasks);
	}

	static ENamedThreads::Type GetDesiredThread() { return CPrio_LoadFileToString.Get(); }

	static ESubsequentsMode::Type GetSubsequentsMode() { return ESubsequentsMode::TrackSubsequents; }


	void DoTask(ENamedThreads::Type CurrentThread, const FGraphEventRef& MyCompletionGraphEvent)
	{
		// load file from Content folder
		FString FullPath = FPaths::Combine(FPaths::ProjectContentDir(), FilePath);
		if (FPaths::FileExists(FullPath))
		{
			FFileHelper::LoadFileToString(FileContent, *FullPath);
		}

		// create completion task
		FGraphEventRef ChildTask = TGraphTask<FTaskCompletion_LoadFileToString>::CreateTask(nullptr, CurrentThread).
			ConstructAndDispatchWhenReady(TaskDelegate, FileContent);
		MyCompletionGraphEvent->SetGatherThreadForDontCompleteUntil(ENamedThreads::GameThread);
		MyCompletionGraphEvent->DontCompleteUntil(ChildTask);
	}
};

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

// Sets default values
AFirstAsyncTask::AFirstAsyncTask()
{
}

void AFirstAsyncTask::AsyncLoadTextFile(const FString& FilePath)
{
	FTaskDelegate_FileLoaded TaskDelegate;
	TaskDelegate.BindUFunction(this, "OnFileLoaded");

	TGraphTask<FTask_LoadFileToString>::CreateTask(nullptr, ENamedThreads::GameThread).ConstructAndDispatchWhenReady(FilePath, TaskDelegate);
}

Written on March 14th, 2020 by 房燕良