优化模式--脏标记模式

理论要点

• 什么是脏标记模式：将工作推迟到必要时进行以避免不必要的工作。就是用一个标志位来标记内容是否发生变化，如果没有发生变化就直接使用缓存数据，不需要重新计算。

• 要点
  脏标识模式：当前有一组原始数据随着时间变化而改变。由这些原始数据计算出目标数据需要耗费一定的计算量。这个时候，可以用一个脏标识，来追踪目前的原始数据是否与之前的原始数据保持一致，而此脏标识会在被标记的原始数据改变时改变。那么，若这个标记没被改变，就可以使用之前缓存的目标数据，不用再重复计算。反之，若此标记已经改变，则需用新的原始数据计算目标数据。

• 使用场合
  1，原始数据转换到目标数据会消耗很多时间，都可以考虑使用脏标记模式来节省开销。

  2，游戏中物体局部变换到世界变换的计算，当没有变化时不需要每帧重复计算。(从根节点沿着它的父链将变换组合起来，矩阵相乘=世界变换)。还有游戏场景图中每帧渲染的对象，对于没有发生变化的对象可以不必重新渲染。再有我们的文档存档也可以用到，内存中就是我们的原始数据，存盘到磁盘就是我们的目标数据，当然不需要实时存盘。

  3，若原始数据的变化速度远高于目标数据的使用速度，此时数据会因为随后的修改而失效，此时就不适合使用脏标记模式。

代码分析

1，就如上面提到的，游戏场景中，物体运动并渲染需要知道它的世界坐标，这就意味着我们需要计算场景中所有对象的世界变换。很多对象都有很深的父链，父节点运动其上子节点也跟着变化，如果每个对象都每帧重新计算世界变换，这种开销也是很恐怖的。
下面我们就来分析怎么用脏标记模式来避免这种重复计算：
首先，局部坐标到世界坐标换算的矩阵计算不在我们这里的讨论范围，我们假设它的实现在其他什么地方。

class Transform
{
public:
    //原始变换，单位矩阵表示没有移动、旋转或者缩放
    static Transform origin();
    //组合父链中所有的局部变换得到它的世界变换
    Transform combine(Transform& other);
}

再来一个世界变换换算过程的示意图帮助理解计算过程，如下：

好，现在我们有了计算世界坐标的类了，接下来，我们来定义游戏场景中的物体类。

//每个物体组成：网格(图元)，坐标，它的子节点
class GraphNode
{
public:
    GraphNode(Mesh* mesh):_mesh(mesh), _local(Transform::origin()) {}

private:
    Transform _local;
    Mesh* _mesh;

    GraphNode* _children[MAX_CHILDREN];
    int _numChildren;
}

这样我们游戏的场景其实可以看作是一个单一的根节点”GraphNode”对象，它的子节点(子子节点，等等)就是世界中的所有物体。

GraphNode* _graphRoot = new GraphNode(NULL);

//Add children to root graph node...
//往这个节点树中添加子节点，即就形成了我们的场景图(与cocos节点树不谋而合)

渲染整个场景，其实就是遍历节点树，从根节点开始，通过正确的世界变换为每个节点图元调用下面的方法。

void renderMesh(Mesh* mesh, Transform transform);

我们这里不实现它，目的只是了解游戏场景形成的大概流程。现在我们的主要精力是看在遍历这个节点树计算世界变换并调用renderMesh最终渲染这个过程中是怎么优化的。
老套路，先来看不优化最直接的实现方式：

void GraphNode::render(Transform parentWorld)
{
    Transform world = _local.combine(parentWorld)
    if(_mesh) renderMesh(_mesh, world);

    for(int i = 0; i < _numChildren; i++)
    {
        _children[i]->render(world);
    }
}

我们通过“parentWorld”将父节点的世界变换传给它。这样这个节点的世界变换就是它本身的局部变换_local与parentWorld组合了。我们不需要回溯到父节点去重新计算，因为我们沿着父链下来已经计算过了。
我们计算节点的世界变换并保存到world中，然后如果有图元的话，就渲染它。最后我们递归进入子节点中，将当前节点的世界变换传递进去。总之，这是一个紧凑、简单的递归调用。
为了绘制整个场景图，我们从空根节点开始渲染：

_graphRoot ->render(Transform::origin());

分析下，我们上面是正确的实现了场景图的渲染，但是它并不高效，它每帧都在每个节点上调用_local.combine(parentWorld)计算世界变换。

2，下面就来看看怎么用脏标记来优化这个计算。首先我们需要添加两个成员到GraphNode类中。

class GraphNode
{
public:
    GraphNode(Mesh* mesh)
    :_mesh(mesh),
     _local(Transform::origin()),
     _dirty(true)
    {}

    //Other methods...

private:
    Transform _local;
    Mesh* _mesh;

    //添加的两个成员
    Transform _world;  //缓存上次计算的世界变换
    bool _dirty;       //脏标记

    GraphNode* _children[MAX_CHILDREN];
    int _numChildren;
}

在物体移动，发生局部变换时，我们需要设置脏标记。

//设置脏标记
void GraphNode::setTransform(Transform local)
{
    _local = local;
    _dirty = true;
}

这样之后我们再来看看优化后的每帧渲染接口：

void GraphNode::render(Transform parentWorld, bool dirty)
{
    dirty |= _dirty;
    if(dirty)
    {
        //清除脏标记
        _world = _local.combine(parentWorld);
        _dirty = false;
    }

    if(_mesh) renderMesh(_mesh, _world);

    //父节点变化,递归子节点
    for(int i = 0; i < _numChildren; i++)
    {
        _children[i]->render(_world, dirty);
    }
}

这样修改一个节点的局部变换只是几条赋值语句，渲染世界时只计算了自上一帧以来最少的变动的世界变换。

好，结束~