유니티에서의 멀티스레딩
유니티엔진에서는 기본적으로 모든 CPU 연산이 메인 스레드에서 이루어진다.
그렇다고 다중 스레드를 사용할 수 없다는 것은 아니지만
메인 스레드가 아닌 다른 스레드에서 유니티의 메인 로직에 접근할 수 없도록 막혀있다.
다시 말해, 다른 스레드에서는 게임오브젝트, 컴포넌트 등에 접근하면 에러가 발생한다.
예를 들어
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private async void TaskTest()
{
await Task.Run(() =>
{
transform.Translate(1f, 0f, 0f);
});
}
이런 메소드를 실행하면
이런 에러를 만날 수 있다.
따라서 다른 스레드에서 유니티 메인 로직에 접근해야 한다면 MainThreadDispatcher 등을 사용하여
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private async void TaskTest()
{
await Task.Run(() =>
{
MainThreadDispatcher.Instance.Enqueue(() => transform.Translate(1f, 0f, 0f));
});
}
이렇게 작성하면 된다.
멀티스레딩의 이유
다른 스레드에서 메인 로직에 접근하는 것이 기본적으로 제한되어 있고
저렇게 메인 스레드 디스패처를 사용해야 하는 등 번거로운데,
유니티에서 굳이 멀티스레딩을 해야 하는 이유가 있을까?
당연히 “성능을 위해서”이다.
유니티 메인 로직과 분리할 수 있는 무거운 연산들이 있다면 반드시 다른 스레드로 처리를 넘겨서 연산을 위임하고, 그 결과를 받아오도록 하는 것이 좋다.
기본적으로 100만큼의 모든 처리를 메인 스레드에서 담당하고 있다면,
10, 20 만큼이라도 다른 스레드에서 병렬처리를 해주는 것이 결국 성능에 도움이 된다.
멀티스레딩 구현 방식
유니티에서 멀티스레딩은 다음과 같은 방법들로 구현할 수 있다.
-
Thread
-
Task
-
Job System
이 중 Job System은 2018년에 정식으로 유니티 엔진에 도입되었으며,
프로그래머가 안전한 멀티스레딩을 작성하기에 비교적 편리한 형태로 제공한다.
이 포스팅에서는 Job의 기본적인 사용 방법에 대해 구체적으로 살펴보지는 않고
Job을 사용하기에 좋은 경우, 그리고 Job을 사용하지 않았을 때와 사용했을 때의 비교를 다룬다.
테스트 대상
펄린 노이즈를 이용하여 Chunk들로 이루어진 지형 메시를 생성하는 경우를 테스트한다.
메시의 정점과 폴리곤 계산을 다른 스레드로 위임하여 처리할 수 있으므로, 멀티스레딩에 적합하다고 할 수 있다.
테스트 수행
1. 기본
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Vector3 curChunkPos = Vector3.zero;
for (int z = 0; z < _chunkCount; z++)
{
curChunkPos.x = 0f;
for (int x = 0; x < _chunkCount; x++)
{
MeshData meshData = new MeshData();
CalculateMesh(meshData, curChunkPos);
GenerateMesh(meshData);
curChunkPos.x += _width;
}
curChunkPos.z += _width;
}
다른 스레드로 계산을 넘기지 않고, 메인 스레드에서 모두 계산한다.
그 결과, 수행에 총 1,503.81ms가 걸렸으며, 메인 스레드만 분주하게 일하고 워커 스레드는 모두 놀고 있었음을 확인하였다.
2. Job(동기)
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Vector3 curChunkPos = Vector3.zero;
for (int z = 0; z < _chunkCount; z++)
{
curChunkPos.x = 0f;
for (int x = 0; x < _chunkCount; x++)
{
TerrainJob job = new TerrainJob(
_resolution, _width, _maxHeight, _noiseScale, curChunkPos
);
var handle = job.Schedule();
handle.Complete(); // 메인 스레드에서 대기
var result = job.GetResults();
GenerateMesh(result.verts, result.tris);
curChunkPos.x += _width;
}
curChunkPos.z += _width;
}
이번에는 Job을 통해 정점과 폴리곤 계산을 처리하며, Job을 수행하고 그 결과를 메인 스레드에서 대기하도록 한다.
총 756.14ms가 걸렸으며, 메인 스레드에서 모든 동작을 수행했을 때와 비교해 절반으로 줄어들었음을 알 수 있다.
또한 여러 개의 워커 스레드에서 Job을 나누어 처리했다는 것도 확인할 수 있었다.
3. Job(비동기)
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private IEnumerator TestJobAsyncRoutine()
{
Vector3 curChunkPos = Vector3.zero;
for (int z = 0; z < _chunkCount; z++)
{
curChunkPos.x = 0f;
for (int x = 0; x < _chunkCount; x++)
{
TerrainJob job = new TerrainJob(
_resolution, _width, _maxHeight, _noiseScale, curChunkPos
);
var handle = job.Schedule();
// 잡이 완료되지 않았다면 프레임 넘기기
while(!handle.IsCompleted)
yield return null;
handle.Complete();
var result = job.GetResults();
GenerateMesh(result.verts, result.tris);
curChunkPos.x += _width;
}
curChunkPos.z += _width;
}
}
역시 Job으로 연산을 처리하지만, 코루틴을 활용하여 Job의 연산이 이루어지는 동안에는 메인스레드가 이를 대기하지 않고 Job의 연산이 완료될 때마다 그 결과를 받아와 처리하는 방식으로 작성하였다.
각 프레임의 수행 시간이 다른 경우에 비해 현저히 짧아졌음을 알 수 있다.
결론
Job으로 나누어 처리할 수만 있다면, Job으로 그 연산을 위임하여 수행하는 것이 대부분의 경우 성능상 이득을 얻을 수 있다.
그리고 Job을 이용한 멀티스레딩을 동기적으로 수행할지, 비동기적으로 수행할지 여부를 잘 생각하여 작성하면 된다.
렉을 감안하더라도 한 번에 처리해야만 하는 경우에는 동기적으로,
렉에 굉장히 민감한 경우에는 우선순위를 결정하여 비동기적으로 처리해주면 된다.
Source Code
TerrainGenerator.cs
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using System;
using System.Collections;
using System.Collections.Generic;
using UnityEngine;
using Unity.Jobs;
using System.Threading.Tasks;
using System.Threading;
// 날짜 : 2021-04-04 PM 7:24:50
// 작성자 : Rito
namespace Rito.JobTest
{
public class TerrainGenerator : MonoBehaviour
{
private enum TestCase
{
Basic, JobSync, JobAsync
}
[SerializeField] private TestCase _testCase;
[Space(16)]
[SerializeField] private int _resolution = 9; // XZ 각각 버텍스 개수
[SerializeField] private float _width = 10; // 한 청크의 XZ 크기
[SerializeField] private int _chunkCount = 4; // XZ 각각 청크 개수
[SerializeField] private float _maxHeight = 4f; // 터레인의 최대 높이
[SerializeField] private float _noiseScale = 10f; // 노이즈 스케일
[SerializeField] private Material _material;
private class MeshData
{
public List<Vector3> vertList;
public List<int> trisList;
public MeshData()
{
vertList = new List<Vector3>();
trisList = new List<int>();
}
}
private async void TaskTest()
{
await Task.Run(() =>
{
MainThreadDispatcher.Instance.Enqueue(() => transform.Translate(1f, 0f, 0f));
//transform.Translate(1f, 0f, 0f);
Debug.Log("Task");
Debug.Log(Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
});
}
private void Start()
{
//TaskTest();
//return;
switch (_testCase)
{
case TestCase.Basic: TestBasic();
break;
case TestCase.JobSync: TestJobSync();
break;
case TestCase.JobAsync: StartCoroutine(TestJobAsyncRoutine());
break;
}
}
/***********************************************************************
* Test Basic
***********************************************************************/
#region .
private void TestBasic()
{
Vector3 curChunkPos = Vector3.zero;
for (int z = 0; z < _chunkCount; z++)
{
curChunkPos.x = 0f;
for (int x = 0; x < _chunkCount; x++)
{
MeshData meshData = new MeshData();
CalculateMesh(meshData, curChunkPos);
GenerateMesh(meshData);
curChunkPos.x += _width;
}
curChunkPos.z += _width;
}
}
private void CalculateMesh(MeshData meshData, in Vector3 startPos)
{
float xzUnit = _width / _resolution;
Vector3 curVertPos = startPos;
// 1. 버텍스 생성
for (int z = 0; z < _resolution; z++)
{
curVertPos.x = startPos.x;
for (int x = 0; x < _resolution; x++)
{
curVertPos.y = GetPerlinHeight(curVertPos.x, curVertPos.z, _noiseScale) * _maxHeight;
meshData.vertList.Add(curVertPos);
curVertPos.x += xzUnit;
}
curVertPos.z += xzUnit;
}
// 2. 폴리곤 조립
for (int z = 0; z < _resolution - 1; z++)
{
for (int x = 0; x < _resolution - 1; x++)
{
int LB = x + (z * _resolution); // LB Index
meshData.trisList.Add(LB);
meshData.trisList.Add(LB + _resolution);
meshData.trisList.Add(LB + 1);
meshData.trisList.Add(LB + 1);
meshData.trisList.Add(LB + _resolution);
meshData.trisList.Add(LB + _resolution + 1);
}
}
}
private float GetPerlinHeight(float x, float y, float scale)
{
return Mathf.PerlinNoise(x / scale + 0.1f, y / scale + 0.1f);
}
private void GenerateMesh(MeshData meshData)
{
GameObject go = new GameObject("Terrain");
var mFilter = go.AddComponent<MeshFilter>();
var mRender = go.AddComponent<MeshRenderer>();
Mesh mesh = new Mesh();
mesh.vertices = meshData.vertList.ToArray();
mesh.triangles = meshData.trisList.ToArray();
mesh.RecalculateNormals();
mesh.RecalculateTangents();
mesh.RecalculateBounds();
mFilter.mesh = mesh;
mRender.sharedMaterial = _material;
}
#endregion
/***********************************************************************
* Test Job Sync
***********************************************************************/
#region .
private void TestJobSync()
{
Vector3 curChunkPos = Vector3.zero;
for (int z = 0; z < _chunkCount; z++)
{
curChunkPos.x = 0f;
for (int x = 0; x < _chunkCount; x++)
{
TerrainJob job = new TerrainJob(
_resolution, _width, _maxHeight, _noiseScale, curChunkPos
);
var handle = job.Schedule();
handle.Complete();
var result = job.GetResults();
GenerateMesh(result.verts, result.tris);
curChunkPos.x += _width;
}
curChunkPos.z += _width;
}
}
private void GenerateMesh(Vector3[] verts, int[] tris)
{
GameObject go = new GameObject("Terrain");
var mFilter = go.AddComponent<MeshFilter>();
var mRender = go.AddComponent<MeshRenderer>();
Mesh mesh = new Mesh();
mesh.vertices = verts;
mesh.triangles = tris;
mesh.RecalculateNormals();
mesh.RecalculateTangents();
mesh.RecalculateBounds();
mFilter.mesh = mesh;
mRender.sharedMaterial = _material;
}
#endregion
/***********************************************************************
* Test Job Async
***********************************************************************/
#region .
private IEnumerator TestJobAsyncRoutine()
{
Vector3 curChunkPos = Vector3.zero;
for (int z = 0; z < _chunkCount; z++)
{
curChunkPos.x = 0f;
for (int x = 0; x < _chunkCount; x++)
{
TerrainJob job = new TerrainJob(
_resolution, _width, _maxHeight, _noiseScale, curChunkPos
);
var handle = job.Schedule();
// 잡이 완료되지 않았다면 프레임 넘기기
while(!handle.IsCompleted)
yield return null;
handle.Complete();
var result = job.GetResults();
GenerateMesh(result.verts, result.tris);
curChunkPos.x += _width;
}
curChunkPos.z += _width;
}
}
#endregion
}
}
TerrainJob.cs
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using System;
using System.Collections;
using System.Collections.Generic;
using UnityEngine;
using Unity.Jobs;
using Unity.Burst;
using Unity.Collections;
// 날짜 : 2021-04-04 PM 8:52:03
// 작성자 : Rito
namespace Rito.JobTest
{
[BurstCompile]
public struct TerrainJob : IJob
{
public NativeArray<Vector3> verts;
public NativeArray<int> tris;
public int resolution;
public float width, maxHeight, noiseScale;
public Vector3 startPos;
public TerrainJob(int resolution, float width, float maxHeight, float noiseScale, Vector3 startPos)
{
verts = new NativeArray<Vector3>(resolution * resolution, Allocator.TempJob);
tris = new NativeArray<int>((resolution - 1) * (resolution - 1) * 6, Allocator.TempJob);
this.width = width;
this.resolution = resolution;
this.maxHeight = maxHeight;
this.noiseScale = noiseScale;
this.startPos = startPos;
}
public void Execute()
{
float xzUnit = width / resolution;
Vector3 curVertPos = startPos;
// 1. 버텍스 생성
int vertIndex = 0;
for (int z = 0; z < resolution; z++)
{
curVertPos.x = startPos.x;
for (int x = 0; x < resolution; x++)
{
curVertPos.y = GetPerlinHeight(curVertPos.x, curVertPos.z, noiseScale) * maxHeight;
verts[vertIndex++] = curVertPos;
curVertPos.x += xzUnit;
}
curVertPos.z += xzUnit;
}
// 2. 폴리곤 조립
int triIndex = 0;
for (int z = 0; z < resolution - 1; z++)
{
for (int x = 0; x < resolution - 1; x++)
{
int LB = x + (z * resolution); // LB Index
tris[triIndex ] = LB;
tris[triIndex + 1] = LB + resolution;
tris[triIndex + 2] = LB + 1;
tris[triIndex + 3] = LB + 1;
tris[triIndex + 4] = LB + resolution;
tris[triIndex + 5] = LB + resolution + 1;
triIndex += 6;
}
}
}
public (Vector3[] verts, int[] tris) GetResults()
{
var result = (verts.ToArray(), tris.ToArray());
verts.Dispose();
tris.Dispose();
return result;
}
private float GetPerlinHeight(float x, float y, float scale)
{
return Mathf.PerlinNoise(x / scale + 0.1f, y / scale + 0.1f);
}
}
}