《游戏引擎架构》笔记3：游戏软件工程基础

本文是阅读《游戏引擎架构》第二章"专业工具”进行的归纳和总结，部分内容经过了AI的扩展。

1. 菱形继承

• 结构：

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   A
 /   \
B     C
 \   /
   D

• 问题1：
  • 基类A成员有多份冗余（数据冗余）
  • 二义性（访问A的成员歧义）
• 解决1：
  • 虚继承

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class B : virtual public A {};
class C : virtual public A {};

class D : public B, public C {};

• 问题2：指针基类类型转换复杂，因为有多个vtable指针。
• 解决2：避免类似菱形继承这样的继承，可以选择继承多个没有父类的类。

2. 宏是预处理器的文本替换，跨C/C++作用域和命名空间范围，命名空间里要小心宏的跨作用域行为。

3. 定点数和浮点数

• 定点数：运算速度快，计算结果稳定，表示范围极小，大数小数不能同时存，固定比例缩放，极易溢出，无法自然表示极小/极大数值

• 浮点数：数值范围超大，能表示极小到极大数，适用通用计算，运算相对慢，存在精度丢失，大小数混合计算误差累积

4. 基本数据类型

• char：8位，不同编译器还分有符号和无符号
• int/short/long：int在32位系统是32位，64位系统是64位。short比int小，多数机器位16位，long大于等于int为32位或64位。
• float/double：多数为32位/64位。
• bool：不同编译器实现不同8位/32位，不会实现为1位。
• 其他：
  • Visual Studio的C/C++需要知道某些变量的确切大小，定义扩展关键字声明特定位数变量：__int8、__int16、__int32、__int64。
  • C++11在<cstdint>头文件定义了std::int8_t、std::int16_t、std::int32_t、std::int64_t、std::uint8_t、std::uint16_t、std::uint32_t、std::uint64_t，标准化特定大小整数类型。
  • 游戏引擎也可以自己定义基本数据类型。比如Radian和Degree来包装描述角度单位。

5. 小端序和大端序问题解决办法：

• 所有数据以文字方式写入文件。多字节数值以一串十进制数字或十六进制数字,每数字一个字节写入。缺点是浪费空间。
• 先用工具转换数据字节序，然后再把转换后的数据写进二进制文件。
• 采用固定字节序的文件，程序读取文件按需转换（比如JPEG固定以大端序存储）。
• 浮点数float32使用union保存数据而不是进行强制转换int32后改变字节序。

6. 链接规范：内部链接（static）和外部链接（extern）

• 全局变量 / 普通全局函数
  • 不加 static → 外部链接
  • 加 static → 内部链接
• 局部变量
  • 永远无链接，只在函数内生效
• const 常量
  • const int x：内部链接
  • extern const int x：改成外部链接
• extern 作用
  • 声明外部链接的符号，告诉编译器：定义在别的文件

7. 映像文件的内存布局：

• 代码段：可执行机器码
• 数据段：初始化全局及静态变量
• BSS段：未初始化全局和静态变量。C/C++明确定义,任何未初始化的全局变量和静态变量皆为零。不过与其在BSS段存储可能很大块的零值，链接器只需简单地存储所需零值的字节个数,足以安置此段内未初始化的全局及静态变量。当操作系统载入程序时,便会保留BSS段所需的字节个数,并为该部分内存填入零,之后才调用程序进入点。
• 只读数据段：只读(常量)全局变量。所有浮点常量(如const float kPi =3.141592f;)及所有用const关键字声明的全局对象实例(如const Foo gReadOnlyFoo;)就隶属此段。编译器通常把整数常量(如const int kMaxMonsters =255;)视为明示常量(manifest constant)，并且直接把明示常量插进机器码中。明示常量直接占用代码段的存储空间，而不存储于只读数据段。

8. 对象的内存布局

• extern声明的全局变量以及类声明内的类静态变量并不占用内存，必须在一个.cpp文件内定义类静态变量以分配内存。
• 对齐和填充：
  数据对象的对齐是指其内存地址是否为对齐字节大小的倍数（通常是2的幂次）：
  • 1字节对齐的对象，可置于任何地址。
  • 2字节对齐的对象，地址必须是2的倍数。
  • 4字节对齐的对象，地址必须是4的倍数。
  • 包含4个浮点数的SIMD矢量通常需要16字节对齐。
  • 结构体末端可能加入填充字节，其对齐需求等同于其成员中的最大对齐需求。

9. C++类的内存布局：

• 类的派生类会简单地把其数据成员附加到末端，即使类之间可能因对齐而加入填充。
• 虚函数会在类的布局添加4字节/8字节，通常放在类的最前端，称为虚表指针，指向名为虚函数表的数据结构，各个类的虚函数表包含该类声明或继承来的所有虚函数指针。每个非抽象类类有一个虚函数表，类的实例用虚表指针指向该虚函数表。

10. 错误处理

• 异常会有一些开销：调用帧会变大，堆栈的开解通常较单纯返回函数慢。一个好的替代方案是在出错时返回错误值，并且显式处理这些错误。
• 断言：下面是在Windows平台给的一个宏定义的断言例子：

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#include <windows.h>   // 必须头文件

#ifdef ASSERTIONS_ENABLED
#define ASSERT(expr) \
do { \
    if (!(expr)) { \

        printf("断言失败：%s  文件：%s  行号：%d\n", #expr, __FILE__, __LIN E__); \
        DebugBreak();  // Windows Win32 API \
    } \
} while(0)
#else
// 发布版本直接空语句
 
#define ASSERT(expr) ((void)0)
#endif

11. 链接器对代码的内存布局的影响：

• 单个函数的机器码几乎总是置于连续的内存中。在绝大多数情况下,链接器不会把一个函数切开，并在中间放置另一个函数。
• 编译器和链接器按函数在翻译单元源代码(.cpp文件)中的出现次序排列内存布局。即位于一个翻译单元内的函数总是置于连续内存中。即链接器永不会把已编译的翻译单元切开，中间插入其他翻译单元的代码。

12. 降低指令缓存不命中率：

• 高效能代码的体积越小越好,体积以机器码指令数目为单位。（编译器和链接器会负责把函数置于连续内存中。）
• 若要调用某函数，就把该函数置于最接近调用函数的地方，最好是紧接调用函数的前后，而不要把该函数置于另一翻译单元(因为这样会完全无法控制两个函数的距离)。
• 谨慎地使用内联函数。内联小型函数能增进效能。然而,过多的内联会增大代码体积，使性能关键代码再不能完全装进缓存。

13. CPU指令流水线问题：

• 数据依赖造成的流水线停顿（气泡）。
• 分支预测。
• load-hit-store：如浮点数转换至整数,然后把结果用于之后的运算时产生停顿，因为CPU在将float转换至int时,无法直接把数据从浮点寄存器传送至整数寄存器。因此，该结果必须从浮点寄存器写进内存，然后再从内存读进整数寄存器。