第 22 天：多线程开发，提高 UE5 性能！

在现代游戏开发中，性能始终是至关重要的一环。随着游戏内容和逻辑日益复杂，单线程执行很容易成为性能瓶颈，尤其是在处理大量计算、数据加载或网络请求时。为了解决这一问题，Unreal Engine 5（UE5）提供了多线程支持，使得开发者能够将耗时任务分配到后台线程，从而释放主线程资源，提高游戏运行效率和响应速度。

本文将详细介绍：

• 什么是多线程及其在游戏开发中的作用
• UE5 中的多线程支持与实现方式
• 使用 AsyncTask 进行性能优化
• 后台任务管理的具体实践与示例
• 常见问题与优化建议

通过本节学习，你将掌握如何利用多线程技术改善游戏性能，使你的项目更加高效与稳定。

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1️⃣ 什么是多线程？

1.1 多线程的基本概念

多线程是一种编程技术，它允许在同一进程中同时执行多个线程，每个线程可以独立处理不同的任务。简单来说，多线程可以将一个大任务拆分成多个小任务并发执行，这样不仅能提高效率，还能充分利用现代多核 CPU 的优势。

在游戏中，多线程的应用场景包括：

• 物理计算：复杂物理运算可以在后台线程中处理
• AI 计算：大规模 AI 决策或路径查找任务分担到其他线程
• 资源加载：异步加载纹理、模型和音频等资源，避免主线程卡顿
• 网络通信：后台处理网络数据，确保游戏逻辑流畅

1.2 多线程的优势

• 性能提升：分摊大量计算到多个 CPU 核心，提高整体运算速度
• 响应性增强：主线程专注于渲染和用户交互，降低延迟，提升体验
• 资源利用率高：充分利用现代处理器多核心架构，实现更高的并发处理能力

然而，多线程开发也带来一些挑战，比如线程安全、数据同步、竞态条件等问题，这就要求开发者在设计时合理规划任务分配，并使用锁或其他同步机制保证数据正确性。

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2️⃣ UE5 多线程支持概览

Unreal Engine 5 内置了多线程支持，并提供了多种工具和接口，帮助开发者轻松地将任务分配到后台线程。其中，最常用的工具包括：

2.1 AsyncTask

UE5 提供的 AsyncTask 是一种非常方便的方式，可以在后台线程中异步执行任务，然后将结果返回主线程。使用 AsyncTask 的好处在于：

• 简单易用：无需手动管理线程创建和销毁
• 安全性较高：异步任务与主线程数据交互时，可以通过特定 API 确保线程安全
• 适用场景广：适合数据处理、资源加载、AI 计算等任务

2.2 Task Graph System

UE5 内置了任务图系统（Task Graph System），该系统能够根据任务之间的依赖关系自动调度并行执行。任务图系统适用于需要精细控制并行任务的场景，但其使用相对复杂，主要适用于引擎级开发或对性能要求极高的场景。

2.3 Future & Promise

C++ 标准库中的 std::future 与 std::promise 也可以在 UE5 中使用，帮助开发者实现任务的异步处理和结果传递。不过，UE5 内置的多线程工具更符合引擎的架构和生命周期管理，建议优先使用引擎提供的接口。

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3️⃣ 使用 AsyncTask 进行性能优化

AsyncTask 提供了一种便捷的方式，让开发者可以将耗时操作放到后台线程中执行，同时在操作完成后将结果返回主线程。下面我们通过几个实例来展示其使用方法。

3.1 异步执行耗时计算

假设我们有一个耗时的计算任务（例如复杂的路径查找或大数据处理），我们可以使用 AsyncTask 将其放到后台线程中执行，示例代码如下：

#include "Async/Async.h"

void AYourActor::PerformHeavyCalculation()
{
    // 将耗时计算放到后台线程中执行
    Async(EAsyncExecution::ThreadPool, [this]()
    {
        // 模拟耗时计算
        FPlatformProcess::Sleep(2.0f); // 模拟2秒计算

        int32 Result = 0;
        for (int32 i = 0; i < 1000000; i++)
        {
            Result += i;
        }

        // 计算完成后，将结果返回到主线程
        AsyncTask(ENamedThreads::GameThread, [this, Result]()
        {
            UE_LOG(LogTemp, Warning, TEXT("计算结果：%d"), Result);
            // 在主线程中更新 UI 或执行其他逻辑
        });
    });
}

解析：

• Async(EAsyncExecution::ThreadPool, Lambda)：将 Lambda 表达式放入线程池中执行。
• FPlatformProcess::Sleep(2.0f)：模拟耗时计算。
• AsyncTask(ENamedThreads::GameThread, Lambda)：将计算结果返回主线程，并在主线程中执行回调函数。

3.2 异步加载资源

游戏中大量资源的加载可能会导致卡顿。使用 AsyncTask 可以在后台线程中加载资源，加载完成后再将资源应用到游戏对象上。

#include "Engine/StreamableManager.h"
#include "Engine/AssetManager.h"

void AYourActor::LoadResourceAsync()
{
    FStreamableManager& Streamable = UAssetManager::GetStreamableManager();
    FStringAssetReference AssetRef(TEXT("/Game/Path/To/YourAsset.YourAsset"));

    Streamable.RequestAsyncLoad(AssetRef, [this, AssetRef]()
    {
        UObject* LoadedAsset = AssetRef.ResolveObject();
        if (LoadedAsset)
        {
            // 在主线程中使用加载的资源
            AsyncTask(ENamedThreads::GameThread, [this, LoadedAsset]()
            {
                UE_LOG(LogTemp, Warning, TEXT("资源加载成功！"));
                // 例如将资源应用到材质或模型上
            });
        }
    });
}

解析：

• 使用 FStreamableManager 异步加载资源。
• 加载完成后，在回调中使用 AsyncTask 将处理逻辑转到主线程，确保 UI 更新或其他主线程操作的安全。

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4️⃣ 后台任务管理

在一些情况下，你可能需要管理多个后台任务，或者在游戏过程中持续执行后台任务。UE5 的任务图系统和 AsyncTask 可以很好地满足这些需求。

4.1 使用定时器结合 AsyncTask

你可以结合定时器和 AsyncTask 实现周期性后台任务。例如，实现一个定时检查游戏状态并在后台执行的任务：

void AYourActor::BeginPlay()
{
    Super::BeginPlay();

    // 每 5 秒执行一次后台任务
    GetWorldTimerManager().SetTimer(BackgroundTaskTimerHandle, this, &AYourActor::PerformBackgroundTask, 5.0f, true);
}

void AYourActor::PerformBackgroundTask()
{
    Async(EAsyncExecution::ThreadPool, [this]()
    {
        // 后台任务逻辑，例如检查游戏状态或统计数据
        FPlatformProcess::Sleep(1.0f);  // 模拟计算

        int32 DataResult = FMath::Rand(); // 模拟计算结果

        // 将结果返回主线程进行处理
        AsyncTask(ENamedThreads::GameThread, [this, DataResult]()
        {
            UE_LOG(LogTemp, Warning, TEXT("后台任务结果：%d"), DataResult);
            // 更新 UI 或其他主线程逻辑
        });
    });
}

解析：

• 使用 GetWorldTimerManager().SetTimer() 定时触发后台任务。
• 每次任务执行时，使用 Async 放到后台线程中执行耗时操作。
• 完成后通过 AsyncTask 将结果返回到主线程处理。

4.2 管理任务生命周期

后台任务可能需要在特定条件下停止执行，例如当角色死亡或场景切换时。确保在合适的时机清除定时器或取消后台任务是非常重要的：

void AYourActor::EndPlay(const EEndPlayReason::Type EndPlayReason)
{
    Super::EndPlay(EndPlayReason);

    // 清除定时器，防止后台任务在角色销毁后继续执行
    GetWorldTimerManager().ClearTimer(BackgroundTaskTimerHandle);
}

这样做不仅可以避免内存泄漏，还能保证不会在不必要时执行后台任务，浪费性能资源。

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5️⃣ 常见问题与注意事项

5.1 线程安全

• 共享数据 ：在多个线程之间共享数据时，必须使用锁（如 FCriticalSection）、原子操作或其他同步机制，防止竞态条件（Race Condition）。
• UI 更新：所有与 UI 相关的操作必须在主线程中执行，切勿在后台线程中直接操作 UI 元素。

5.2 性能优化

• 任务粒度：合理划分任务粒度，尽量避免任务过于庞大而影响并行处理效果。
• 线程池：利用 UE5 内置线程池管理后台任务，避免频繁创建和销毁线程带来的开销。

5.3 任务取消与清理

• 生命周期管理：确保在角色销毁或场景切换时正确取消或清除后台任务。
• 错误处理：在异步任务中加入必要的错误处理逻辑，防止因异常导致程序崩溃。

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6️⃣ 实际应用场景

6.1 AI 计算与路径查找

在大型游戏中，AI 的路径查找和决策可能非常耗时。使用 AsyncTask 可以将这些计算放到后台线程中，确保主线程专注于渲染和交互，从而保持流畅性。

6.2 数据统计与日志记录

某些统计数据（如帧率统计、内存使用率等）可以异步收集和处理，不必每帧更新，通过定时器定期收集数据，可以有效减少主线程负载。

6.3 动态资源加载

异步加载纹理、模型和音频资源可以有效避免游戏卡顿。利用 AsyncTask 和 FStreamableManager 组合，可以在后台加载资源，加载完成后通知主线程进行更新。

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7️⃣ 总结

✅ 多线程技术 能有效提高 UE5 游戏性能，利用现代 CPU 的多核优势

✅ AsyncTask 提供了一种简单易用的方式，将耗时任务分担到后台线程

✅ 定时器与 AsyncTask 结合，实现周期性任务和后台数据处理

✅ 正确管理后台任务生命周期 可防止内存泄漏和不必要的资源浪费

✅ 线程安全 是多线程开发的关键，必须注意数据同步与竞态条件

🎮 通过本节学习，你已经掌握了 UE5 中如何使用多线程技术优化游戏性能，并能通过 AsyncTask 与定时器实现后台任务管理。这将为你的游戏开发带来更高的效率和更流畅的用户体验。赶快将这些技术应用到你的项目中，释放主线程压力，打造高性能游戏吧！🚀