017/8/30~9/1に開催されたCEDEC2017の講演スライドです。 講師：伊藤 周 （ユニティ・テクノロジーズ・ジャパン合同会社）

1. C＃JobSystem を使った
Unity流マルチスレッドプログラミング
ユニティ・テクノロジーズ・ジャパン合同会社
エバンジェリスト
伊藤 周

2. • 今回紹介するC# Job Systemはまだ発展段階
• リリースでは多少の差異が出る可能性がある
• C# Job Systemの概念を知ってほしい
• プログラマ以外は理解不能
諸注意

3. • 従来のマルチスレッドプログラミング
• C# Job System の概要
• Let’s read codes. (コードを読む)
• Let’s make a mistake. (間違ってみる)
• Let’s try “C# Job Compiler” (コンパイラを体験)
• Let’s implement. (実装してみる)
• まとめ
アジェンダ

4. 従来のマルチスレッドプログラミングの話

5. マルチスレッド
プログラミングは
好きですか？

6. 私は嫌いです

7. • レースコンディション対策が嫌だ
• 面倒臭い
• コードが汚い、可読性が低い
• 間違っても気づきにくい
MTPのここが嫌だ その１
Aが使うよ
Aが使うよ
Bが使うよ
A
AB
？
write
write read

8. • デッドロックが嫌だ
• 面倒臭い
• コードが汚い、可読性が低い
• 間違うと無限ループ
MTPのここが嫌だ その2
A
AB
B
待ち待ち

9. • 難解なところが嫌だ
• mutex:lockとか
• アトミック変数とか
MTPのここが嫌だ その３

10. • デバッグが嫌だ
• 正常に”動いてしまったり”する
• 無限ループになったりする
• 突然ハングアップしたりする
• リリース後にバグが判明したりする
MTPのここが嫌だ その４

11. 私には無理だ！

12. そんなあなたに
C# Job System

13. C# Job System の概要

14. 43伊藤周の年齢

15. 116

18. 116倍Boid シミュレーションを
マルチスレッドで 8 core CPUで
動かした場合の速度倍

19. Demo

20. • 簡潔に書ける
• GCフリー
• 安全
• 高速な新コンパイラ
C＃ Job System の特徴

21. • Data Oriented Programming
• データとビヘイビア(振舞い)の分離
• struct(構造体)コンポーネントの導入
• Job Component System の用意
• 簡潔に書けるようにマネージャーを用意
特徴１ 簡潔に書ける

22. • GCをいかにさせないか
• NativeArrayの導入
• 以下の感じで確保
• 以下の感じで解放（自分で）
特徴２ GCフリー
var src = new NativeArray<float>(500, Allocator.Temp);
src.Dispose();
要素数 アロケーターの種類
↓ ↓

23. • 他のNativeArrayファミリー
特徴２ GCフリー
struct NativeArray<Value> // 配列
struct NativeList<Value> // リスト。追加削除が容易
struct NativeSlice<Value> // 一部を切り取れる
struct NativeHashmap<Key, Value> // Dictionary「
struct NativeMultiHashmap<Key, Value> //複数Dictionary

24. • エラーで指摘してくれる
• 落ちることはない
• レースコンディション、デッドロックは起こり得ない
• “Sandbox”
特徴３ 安全

25. • C#→[Mono]→IL→[C# Job Compiler]→内部的な Domain
Model →[最適化]→[LLVM]→実行形式
• １０倍〜20倍高速になる
• 電池消費の軽減
• Why faster？
• SIMD命令の有効利用
• 正確さとパフォーマンスのトレードオフ
特徴４ 高速な新コンパイラ

26. Let’s read C# Job System codes!

27. • IJob~でジョブを定義
• Execute にジョブの中身を書く
• Schedule でジョブを開始
• Complete でジョブ終了確認
• 変数はNativeArray系を使い、自力でDispose
コーディング基本まとめ

28. • IJob
• １つのスレッドでジョブを回す
• IJobParallelFor
• 複数のスレッドでジョブを回す
• IJobParallelForTransform
• Transformにアクセスが可能
コーディング基本まとめ
public void Execute() {}
public void Execute(int i) {}
public void Execute(int i, TransformAccess transform){}

29. Let’s make a mistake!

30. • マルチスレッドプログラミングは間違えやすい
• ちょっとした見落としはしてしまう
• Unityは落ちることなくエラーが教えてくれる
• CTO Joachim｢Unityは「Sandbox(=砂場)」である」
• 砂場では間違っていい。正解に導いてくれれれば。
エラーまとめ

31. Let’s try “C# Job コンパイラ”

32. • 一文付け足すだけ
• [ComputeJobOptimizationAttribute(Accuracy
.Med, Support.Relaxed)]
• Accuracy は計算の精度
• 新しいmathライブラリ
C# Job Compiler

33. • float1, float2, float3, float4,
• half1, half2, half3, half4
• int1, int2, int3, int4
• math.abs
• math.min
• math.max
• math.pow
• math.lerp
• math.clamp
• math.saturate
• math.select // 条件分岐
• math.rcp // 逆数
• math.sign
• math.rsqrt // sqrtの逆数
• math.any
• math.all
• math.sincos
新mathライブラリ

34. Let’s implement C# Job System.

35. public class RotatorOldUpdate : MonoBehaviour
{
[SerializeField]
float m_Speed;
public float speed
{
get { return m_Speed; }
set { m_Speed = value; }
}
void Update ()
{
transform.rotation = transform.rotation * Quaternion.AngleAxis (m_Speed *
Time.deltaTime, Vector3.up);
}
}

36. • STEP1：データレイアウトの最適化
• GameObjectごとにするのはやめる
• データをシーケンシャルにする
• キャッシュ化する
• forループでGetComponentとかしなくてよくなる
Job Component System実装まとめ

37. public class RotatorOldUpdate : MonoBehaviour
{
[SerializeField]
float m_Speed;
public float speed
{
get { return m_Speed; }
set { m_Speed = value; }
}
void Update ()
{
transform.rotation = transform.rotation * Quaternion.AngleAxis (m_Speed *
Time.deltaTime, Vector3.up);
}
}

38. class RotatorManagerMainThread : ScriptBehaviourManager
{
List<Transform> m_Transforms;
NativeList<float> m_Speeds;
:
protected override void OnUpdate()
{
base.OnUpdate ();
float deltaTime = Time.deltaTime;
NativeArray<float> speeds = m_Speeds;
for (int i = 0; i != m_Transforms.Count; i++)
{
var transform = m_Transforms [i];
transform.rotation = transform.rotation * Quaternion.AngleAxis (speeds[i] * deltaTime, Vector3.up);
}
}
:
:
}
public class RotatorWithManagerMainThread : ScriptBehaviour
{
:
(たくさんの実装)
:
}

39. • STEP2： Job化
• List<Transform> → TransformAccessArray
• IJobParallelForTransform継承したジョブ
• Execute(int index, TransformAccess
transform)の実装
Job Component System実装まとめ

40. class RotatorManagerMainThread : ScriptBehaviourManager
{
List<Transform> m_Transforms;
NativeList<float> m_Speeds;
:
protected override void OnUpdate()
{
base.OnUpdate ();
float deltaTime = Time.deltaTime;
NativeArray<float> speeds = m_Speeds;
for (int i = 0; i != m_Transforms.Count; i++)
{
var transform = m_Transforms [i];
transform.rotation = transform.rotation * Quaternion.AngleAxis (speeds[i] * deltaTime, Vector3.up);
}
}
:
:
}
public class RotatorWithManagerMainThread : ScriptBehaviour
{
:
(たくさんの実装)
:
}

41. class RotatorManager : ScriptBehaviourManager
{
TransformAccessArray m_Transforms;
NativeList<float> m_Speeds;
JobHandle m_Job;
:
protected override void OnUpdate()
{
base.OnUpdate ();
m_Job.Complete ();
var jobData = new RotatorJob();
jobData.speeds = m_Speeds;
jobData.deltaTime = Time.deltaTime;
m_Job = jobData.Schedule (m_Transforms);
}
struct RotatorJob : IJobParallelForTransform
{
[ReadOnly]
public NativeArray<float> speeds;
public float deltaTime;
public void Execute(int index, TransformAccess transform)
{
transform.rotation = transform.rotation * Quaternion.AngleAxis (speeds[index] * deltaTime, Vector3.up);
}
}
}
public class RotatorWithManager : ScriptBehaviour
{
:
(たくさんの実装)
:
}

42. • STEP3： データからビヘイビアを分離する
• ジョブで使用するデータを分離する
• InjectTuplesの導入
• Tuples が付加した配列はindexが同期する
• ComponentSystemから継承させる
• マネージャーの仕事を任せる
Job Component System実装まとめ

43. public class RotationSpeedComponent : ScriptBehaviour
{
public float speed;
}
public class RotatingSystem : ComponentSystem
{
[InjectTuples]
public ComponentArray<Transform> m_Transforms;
[InjectTuples]
public ComponentArray<RotationSpeedComponent> m_Rotators;
override protected void OnUpdate()
{
base.OnUpdate ();
float dt = Time.deltaTime;
for (int i = 0; i != m_Transforms.Length ;i++)
{
m_Transforms[i].rotation =
m_Transforms[i].rotation * Quaternion.AngleAxis(dt * m_Rotators[i].speed, Vector3.up);
}
}
}

44. • STEP4： データのstruct化
• MonoBehaviour継承 → IComponentData継承
• struct化
• ComponentSystemからの継承でお手軽マネー
ジャー
• ComponentArray → ComponentDataArray
Job Component System実装まとめ

45. public class RotationSpeedComponent : ScriptBehaviour
{
public float speed;
}
public class RotatingSystem : ComponentSystem
{
[InjectTuples]
public ComponentArray<Transform> m_Transforms;
[InjectTuples]
public ComponentArray<RotationSpeedComponent> m_Rotators;
override protected void OnUpdate()
{
base.OnUpdate ();
float dt = Time.deltaTime;
for (int i = 0; i != m_Transforms.Length ;i++)
{
m_Transforms[i].rotation =
m_Transforms[i].rotation * Quaternion.AngleAxis(dt * m_Rotators[i].speed, Vector3.up);
}
}
}

46. [Serializable]
public struct RotationSpeed : IComponentData
{
public float speed;
public RotationSpeed (float speed) { this.speed = speed; }
}
public class RotationSpeedDataComponent : ComponentDataWrapper<RotationSpeed> { }
public class RotatingDataSystem : ComponentSystem
{
[InjectTuples]
public ComponentArray<Transform> m_Transforms;
[InjectTuples]
public ComponentDataArray<RotationSpeed> m_Rotators;
override protected void OnUpdate()
{
base.OnUpdate ();
float dt = Time.deltaTime;
for (int i = 0; i != m_Transforms.Length ;i++)
{
m_Transforms[i].rotation =
m_Transforms[i].rotation * Quaternion.AngleAxis(dt * m_Rotators[i].speed, Vector3.up);
}
}
}

47. • STEP5： ジョブ実装 と 依存性解決
• IJobParallelForTransformを継承したstruct
• Execute で Transformが使える
• ComponentSystem → JobComponentSystem
• GetDependency()で依存性の自動解決
Job Component System実装まとめ

48. [Serializable]
public struct RotationSpeed : IComponentData
{
public float speed;
public RotationSpeed (float speed) { this.speed = speed; }
}
public class RotationSpeedDataComponent : ComponentDataWrapper<RotationSpeed> { }
public class RotatingDataSystem : ComponentSystem
{
[InjectTuples]
public ComponentArray<Transform> m_Transforms;
[InjectTuples]
public ComponentDataArray<RotationSpeed> m_Rotators;
override protected void OnUpdate()
{
base.OnUpdate ();
float dt = Time.deltaTime;
for (int i = 0; i != m_Transforms.Length ;i++)
{
m_Transforms[i].rotation =
m_Transforms[i].rotation * Quaternion.AngleAxis(dt * m_Rotators[i].speed, Vector3.up);
}
}
}

49. [Serializable]
public struct RotationSpeed : IComponentData
{
public float speed;
public RotationSpeed (float speed) { this.speed = speed; }
}
public class RotationSpeedDataComponent : ComponentDataWrapper<RotationSpeed> { }
public class SystemRotator : JobComponentSystem
{
[InjectTuples]
public TransformAccessArray m_Transforms;
[InjectTuples]
public ComponentDataArray<RotationSpeed> m_Rotators;
override protected void OnUpdate()
{
base.OnUpdate ();
var job = new Job();
job.dt = Time.deltaTime;
job.rotators = m_Rotators;
AddDependency(job.Schedule(m_Transforms, GetDependency ()));
}
struct Job : IJobParallelForTransform
{
public float dt;
[ReadOnly]
public ComponentDataArray<RotationSpeed> rotators;
public void Execute(int i, TransformAccess transform)
{
transform.rotation =
transform.rotation * Quaternion.AngleAxis(dt * rotators[i].speed, Vector3.up);
}
}
}

50. C# Job System 注意点 ＆ まとめ

51. • データ構造はstructのみ (class はNG)
• .NETやUnity のAPIはジョブ内では(基本的に)使えない
• 何でもかんでも早くなるわけではない
• 算術系が早くなる、と考えるのが正解
• 相互の距離の計算とか
• 敵AIの思考ルーチンとか
C# Job System 注意点

52. • STEP1 C# Job system
• Unity 2017.3 or 2018.X
• STEP2 Component system
• STEP3 math library
• STEP4 C# Job Compiler
リリース予定

53. • 多数の敵・味方が出るゲームでの相互距離の計算
• それによるソート
• RTS等で使う影響マップの生成
• 弾幕シューティング
• etc…
実際に何に使える？

54. • マルチスレッドプログラミングが安全に書ける
• 新しいComponent System で簡潔に書ける
• コンパイラをかければさらに早くなる
C# Job System まとめ

55. Q&A