Matrix 4x4对象的结构或类

Question

我试图实现简单的软件3D引擎。所以我需要一个矩阵4x4来表示变换。我的矩阵的每个单元格类型都是System.Double格式，这意味着整个矩阵将使用8个字节* 16个单元格= 128个字节。目前我已将此作为一个类实现。此矩阵也是不可变类型 所以现在，当我试图通过这个矩阵乘以向量时，我做了类似这样的事情：matrix.m11 * vector.X（etc ...）。我认为，要访问字段m11，程序首先需要获得＆＃39; matrix＆＃39;参考值，然后检查它为null，然后找到m11值，是吗？如果我将类更改为struct，我的乘法会变得更快？我知道128字节结构很大，但如果我编写只使用ref / out keyowrds的方法？这将是很好的选择？
正如我在SharpDX库中看到的，矩阵是一个结构。我应该将类更改为struct然后提高性能吗？

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的影响：与可以存储在堆栈上或堆上对象内的值类型不同，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，如果你需要将一个World，View和Projection矩阵存储到一个对象中，你将有3个矩阵（原始数据+对象实例的成本~8-12个字节）+ 3个引用：它将创建更多的对象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矩阵以便重用它们，而不是在将矩阵中的中间计算存储时我们使用的模式...
• 错误的数据位置：值类型的一个重要特征是数据位置，对象实例无法保证这一点。如果将3种值类型存储到对象实例中，它们将在内存中并置，从而使缓存使用率大大提高。使用对象作为矩阵不能保证这一点，并且最有可能导致CPU cache thrashing
• 错误互操作：3D引擎通常会将其所有计算结果发送到最有可能连接到GPU的基础3D图形层（除非您自己光栅化所有内容，这是一所古老的学校）。您经常需要向GPU发送一个float4x4数组：使用对象实例需要循环并复制到中间float4x4结构格式以复制数据，从而破坏了将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。它也适用于与其他库互操作（物理引擎需要一个float4x4结构，而不是一个对象实例）
• 糟糕的双重：Double几乎没有在3D游戏引擎中使用，因为它们占用更多空间，因此在CPU缓存中占用更多空间。此外，处理GPU意味着您主要使用浮动。它对CPU SSE指令也不友好，这些指令针对在单个指令中执行4个浮点运算进行了优化，但在单个指令中只有2个双重运算。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：避免使用矩阵的不变性前提。除非你要在多个线程中大量浮动所有计算，否则你要确保不会搞砸事情。这种结构的不可变性是完全矫枉过正的。想象一下将转换应用于矩阵的非常简单的场景，使用mutable struct，您只需要更新一行。使用不可变结构，您需要在复制初始值时创建新的整个矩阵。

另一方面，如果你关心表现：

• 如果您需要在类中存储valuetype矩阵，则更喜欢将它们存储在公共字段而不是公共属性中，因为它将在访问矩阵时避免不必要的副本。您还可以直接固定矩阵以将其移动到非托管内存
• 相关的，更喜欢通过ref传递矩阵，而不是通过副本传递所有矩阵计算。