c# - Matrix 4x4 对象的结构或类

Question

我正在尝试实现简单的软件 3D 引擎。所以我需要一个 4x4 矩阵来表示转换。我的矩阵的每个单元格类型都采用 System.Double 格式，这意味着整个矩阵将使用 8 字节 * 16 个单元格 = 128 字节。目前我已经将其实现为一个类。此矩阵也是不可变类型。
所以现在，当我尝试用这个矩阵乘以向量时，我正在做这样的事情:matrix.m11 * vector.X(等...)。正如我所想，要访问字段 m11，程序首先需要获取“矩阵”引用值，然后检查它是否为空，然后找到 m11 值，是吗？如果我将类更改为结构，我的乘法会更快吗？我知道 128 字节的结构很大，但是如果我编写仅使用 ref/out keyowrds 的方法呢？会好选择吗？
正如我在 SharpDX 库中看到的那样，矩阵是一个结构。我应该将类更改为结构然后以提高性能吗？

Answer 1

出于以下原因，我不建议使用类来存储 3D 引擎的 double4x4 矩阵:

• 对 GC 的不良影响:与可以存储在堆栈或堆上的对象内部的值类型不同，对象实例总是在堆上分配，这会给 GC 带来不必要的压力.例如，如果您需要将世界、 View 和投影矩阵存储到一个对象中，您将有 3 个矩阵(原始数据 + 对象实例的成本 ~ 8-12 字节)+ 3 个引用:它将在GC 必须扫描的堆。使用对象实例有效地执行此操作需要缓存您的矩阵以便重用它们，而不是我们在仅将中间计算存储在矩阵上时使用的那种模式......
• 糟糕的数据局部性:值类型的一个重要特征是数据局部性，对象实例不能保证这一点。如果将 3 种值类型存储到一个对象实例中，它们将在内存中并置，从而导致更好的缓存使用。使用对象作为矩阵不能保证这一点，很可能会导致 CPU cache thrashing。
• 互操作性差:3D 引擎通常会将其所有计算发送到最有可能连接到 GPU 的底层 3D 图形层(除非您自己对所有内容进行栅格化，这是一种老派做法)。您经常需要向 GPU 发送一个 float4x4 数组:使用对象实例需要一个循环和一个到中间 float4x4 结构格式的副本，以便复制数据，这违背了将 float4x4 作为类的全部目的。对于值类型，它只是 C# 中的单个 fixed 指令。它还适用于与其他库的互操作(物理引擎需要 float4x4 结构，而不是对象实例)
• Bad double:Double 在 3D 游戏引擎中几乎不使用，因为它们占用更多空间，因此占用更多 CPU 缓存空间。此外，处理 GPU 意味着您主要使用 float 。它也不适合 CPU SSE 指令，这些指令经过优化可以在一条指令中执行 4 个浮点运算，但在一条指令中只能执行 2 个 double 运算。所以使用 double 来存储矩阵不是一个好主意，除非你有一个非常好的理由(例如，你想在“Tightening the Precision of Perspective Rendering”时改进矩阵的计算)<
• Bad immutability :避免使用矩阵不变性的前提。除非你要在多线程中大量地处理你的所有计算，并且你想确保你不会把事情搞砸。这种结构的不可变性完全是矫枉过正。想象一下将翻译应用于矩阵的非常简单的场景，带有 mutable struct ，你只需要更新一行。对于不可变结构，您需要在复制初始值的同时创建一个新的完整矩阵。

附带说明一下，如果您关心性能:

• 如果您需要在类中存储值类型矩阵，最好将它们存储在公共(public)字段而不是公共(public)属性中，因为这样可以避免在访问矩阵时进行不必要的复制。您还可以直接固定矩阵以将其移动到非托管内存
• 相关，在所有矩阵计算中更喜欢通过 ref 而不是通过复制来传递矩阵。