Cocos2d-x3.3RC0的多线程与异步加载

1、Cocos2d-x线程与异步介绍

Cocos2d-x是一个单线程的引擎，引擎每一帧之间更新游戏的各元素的状态，以保证它们之间互不干扰，这个过程其实是一个串行的过程，单线程的好处就是无需担心对象更新引起的线程安全问题。但是当使用I/O操作时，单线程的缺点就暴漏了。

例如：游戏中的场景跳转，通常会释放当前场景资源，加载下一个场景的资源。这是一个读写操作，而这种外部存储操作十分耗时，造成主线程的阻塞，导致帧率的下降，又因为程序只有一个线程，不会中断当前执行内容去执行其他内容，所以游戏画面就很卡。

Cocos2d-x为了解决这个问题，提供了一步加载功能。使用TextureCahe发送一个异步加载文件的请求。TextureCache内部会帮助我们建立一个新的线程来完成耗时的加载资源操作。同时，在主线程又可以执行其他操作。

除此之外，网络读写也是比较常见的耗时操作。所以，在客户端/服务器系统使用线程也是比较常见的。如HttpClient中的异步功能。

2、单核与多核

单核即只有一个处理器，多核既有多个处理器，现在的通信设备都是多核，如果不充分利用多核，岂不是很浪费。

单核设备中的多线程是并发的

多核设备中的多线程是并行或并发的。

什么是并行：程序中有多个线程，在单核机器上，多线程就是并行的。即主线程与其他线程交错运行的状态。例如：我们将时间片划分为100毫秒，当前100毫秒执行主线程，下一个100毫秒执行另一个线程，可能再过几个100毫秒，继续执行主线程。这样使得不会让一个线程无限期的延迟，一旦时间片到了，程序会强行中断当前线程，而去执行另一个线程。宏观上看是同时执行，其实，线程的执行还是分开执行的，这就是所谓的并发。

什么是并行：假如我们把程序运行在多核机器上，那么线程之间可以占用不同的处理器，并且独立执行，使得程序同时运行，而不需交错运行。这样的状态称为并行状态。

所以，并发是一种伪并行的状态，通过交错执行线程，来创造线程并行的假象。

3、线程安全

什么是线程安全：线程安全是指代码能被多个线程调用，而不会产生灾难性的结果，如下示例：

staticintcount=0;//count是一个静态全局变量
//A方法线程1的线程函数
void*A(void*data){
while(1){
count+=1;
printf("%d\n",count);
}

}
//B方法线程2的线程函数
void*B(void*data){
while(1){
count+=1;
printf("%d\n",count);
}
}

假设我们在两个线程中分别执行A和B的函数，运行程序后我们期望的结果是123456789…… 但实际上，由于线程的执行顺序是不可预知的，上述代码的预期结果与实际结果可能是不一样的。这就是线程不安全了。

如何解决线程安全问题？

首先，count变量对于两个线程，是共享数据，两个线程可以同时访问共享数据，这时就会出现线程安全问题。解决这个问题，最常见的方法就是使用线程的"同步"，即给数据加锁。这里的"同步"并不是指让线程步调一致的一起运行，而是让线程有先后次序的执行。一个执行完，下一个再执行。

线程同步使用最多的是使相同数据的内存访问"互斥"进行。用上面例子解释就是，线程1访问count时，不允许线程2访问，等线程1执行完，再执行线程2。一次只允许一个线程去读写数据。其他线程等待。一个形象的例子就是，A和B上厕所大便（只有一个坑），如果A在厕所里，并且将厕所门锁住，B在外等待。A解决完后解开门锁，B进入，上锁，别人同样不允许进入。这里的锁：就是我们所说的互斥量(互斥体)。通过锁定与解锁，使得在某个时间段内只有一个线程去操作共享数据。

Cocos2d-x中使用了AutoreleasePool进行内存管理，AutoreleasePool是非线程安全的。retain、release、autorelease非线程安全。另外OpenGL上下文对象也是非线程安全的。但是在游戏中加载纹理图片、声音预处理和网络请求数据都需要通过多线程技术实现。

Cocos2d-x引擎提供了多线程技术，Cocos2d-x 3.x之前使用第三方的pthread技术，之后使用的是C++新规范中得std::thread多线程

4、pthread和thread

1）pthread：互斥体类型为pthread_mutex_t表示，C++11中使用std::mutex表示。上面的代码可以写成下面的样子：

  static int count  = 0; // count 是一个静态全局变量
    /* 保护count操作的互斥体，<span style="font-family: Arial,Helvetica,sans-serif;">PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER是对互斥体变量进行初始化的特殊值 </span>*/
    pthread_mutex_t count_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
     
    //A方法 线程1的线程函数
    void * A(void * data){
        while (1) {
            /* 锁定保护count操作的互斥体。*/
            pthread_mutex_lock (&count_mutex);
            count += 1;
            printf("%d\n",count);
            /* 已经完成了对count操作的处理,因此解除对互斥体的锁定。*/
            pthread_mutex_nlock (&count_mutex);
        }
    }

除了互斥体外，同步工具还有信号量、条件变量。互斥量比较耗时，所以使用其他工具也可以解决更复杂的控制模式。

2）std::thread多线程技术

std::thread是C++11中引入的一个新的线程库，他提供了线程管理的相关函数，还提供std::mutex（互斥量)，实现线程同步。启动一个std::thread对象非常简单。见下面示例：

#include <thread>
#include <iostream>
 
 
void callfn(){     ①
    std::cout << "Hello thread! " << std::endl;
}
int main(){
    std::thread t1(callfn);    ②
        t1.join();  ③
    return 0;
}

代码2是创建thread对象，参数是函数指针callfn，还可以为回调函数提供参数。代码1是回调函数的定义。代码3是讲子线程与主线程合并，使得子线程执行完成后才能继续执行主线程，同时避免了子线程还在执行，主线程已经结束而撤销。

此外，线程的创建还可以使用堆的方式分配内存，代码如下：

void callfn(){
    std::cout << "Hello thread! " << std::endl;
}
int main(){
    std::thread* t1 = new  std::thread(callfn);      ①
    t1->join();
    delete  t1;             ②
    t1 = nullptr; ③
    return 0;
}

代码1是通过堆分配内存，代码2释放线程对象，代码3防止野指针。

5、声音采用线程预加载示例

#include "cocos2d.h"
#include "SimpleAudioEngine.h"
using namespace CocosDenshion;
class  AppDelegate : private cocos2d::Application
{
    private:
        std::thread *_loadingAudioThread;①
        void loadingAudio();②
 
 
    public:
        AppDelegate();
        virtual ~AppDelegate();
  
        … …
};

include"AppDelegate.h"
#include"HelloWorldScene.h"


USING_NS_CC;


AppDelegate::AppDelegate()
{
_loadingAudioThread=newstd::thread(&AppDelegate::loadingAudio,this); ①
}


AppDelegate::~AppDelegate()
{
_loadingAudioThread->join(); ②
CC_SAFE_DELETE(_loadingAudioThread); ③
}


boolAppDelegate::applicationDidFinishLaunching(){
……
returntrue;
}
voidAppDelegate::applicationDidEnterBackground(){
Director::getInstance()->stopAnimation();
SimpleAudioEngine::getInstance()->pauseBackgroundMusic();
}
voidAppDelegate::applicationWillEnterForeground(){
Director::getInstance()->startAnimation();
SimpleAudioEngine::getInstance()->resumeBackgroundMusic();
}


voidAppDelegate::loadingAudio() ④
{
//初始化音乐
SimpleAudioEngine::getInstance()->preloadBackgroundMusic("sound/Jazz.mp3");
SimpleAudioEngine::getInstance()->preloadBackgroundMusic("sound/Synth.mp3");
//初始化音效
SimpleAudioEngine::getInstance()->preloadEffect("sound/Blip.wav");
}

代码2合并线程到主线程，在析构函数中调用，join函数一般是在线程处理完成后调用。可以在析构和退出函数中调用。

6、异步加载图片

Cocos2d-x为我们提供了addImageAsync()方法，该方法在TextureCache类中，下面分析这个方法：

/* 异步添加纹理 参数为图片的资源路径 以及加载完成后进行通知的回调函数 */
void TextureCache::addImageAsync(const std::string &path,const std::function<void(Texture2D*)>& callback)
{
    //创建一个纹理对象指针
    Texture2D *texture = nullptr;
     
    //获取资源路径
    std::string fullpath = FileUtils::getInstance()->fullPathForFilename(path);
     
    //如果这个纹理已经加载  则返回
    auto it = _textures.find(fullpath);
    if( it != _textures.end() )
        texture = it->second;//second为key-value中的 value
 
    if (texture != nullptr)
    {
        //纹理加载过了直接执行回调方法并终止函数
        callback(texture);
        return;
    }
 
    // 第一次执行异步加载的函数时需要对保存消息结构体的队列初始化
    if (_asyncStructQueue == nullptr)
    {
        //两个队列的释放会在addImageAsyncCallBack中完成
        _asyncStructQueue = new queue<AsyncStruct*>();
        _imageInfoQueue   = new deque<ImageInfo*>();        
 
        // 创建一个新线程加载纹理
        _loadingThread = new std::thread(&TextureCache::loadImage,this);
         
        //是否退出变量
        _needQuit = false;
    }
 
    if (0 == _asyncRefCount)
    {
        /* 向Scheduler注册一个更新回调函数 
            
           Cocos2d-x会在这个更新函数中检查已经加载完成的纹理
            
           然后每一帧对一个纹理进行处理 将这里纹理的信息缓存到TexutreCache中
          
         */
        Director::getInstance()->getScheduler()->schedule(schedule_selector(TextureCache::addImageAsyncCallBack),this,false);
    }
 
    //异步加载纹理数据的数量
    ++_asyncRefCount;
 
    //生成异步加载纹理信息的消息结构体
    AsyncStruct *data = new (std::nothrow) AsyncStruct(fullpath,callback);
 
    //将生成的结构体加入到队列中
    _asyncStructQueueMutex.lock();
    _asyncStructQueue->push(data);
    _asyncStructQueueMutex.unlock();
 
    //将线程解除阻塞 表示已有空位置
    _sleepCondition.notify_one();
}

voidTextureCache::addImageAsyncCallBack(floatdt)
{
//_imageInfoQueue双端队列用来保存在新线程中加载完成的纹理
std::deque<ImageInfo*>*imagesQueue=_imageInfoQueue;

_imageInfoMutex.lock();//锁定互斥提
if(imagesQueue->empty())
{
_imageInfoMutex.unlock();//队列为空解锁
}
else
{
ImageInfo*imageInfo=imagesQueue->front();//取出首部元素image信息结构体
imagesQueue->pop_front();//删除首部元素
_imageInfoMutex.unlock();//解除锁定

AsyncStruct*asyncStruct=imageInfo->asyncStruct;//获取异步加载的消息结构体
Image*image=imageInfo->image;//获取Image指针用于生成OpenGL纹理贴图

conststd::string&filename=asyncStruct->filename;//获取资源文件名
//创建纹理指针
Texture2D*texture=nullptr;
//Image指针不为空
if(image)
{
//创建纹理对象
texture=new(std::nothrow)Texture2D();

//由Image指针生成OpenGL贴图
texture->initWithImage(image);

#ifCC_ENABLE_CACHE_TEXTURE_DATA
//cachethetexturefilename
VolatileTextureMgr::addImageTexture(texture,filename);
#endif
//将纹理数据缓存
_textures.insert(std::make_pair(filename,texture));
texture->retain();
//加入到自动释放池
texture->autorelease();
}
else
{
autoit=_textures.find(asyncStruct->filename);
if(it!=_textures.end())
texture=it->second;
}
//取得加载完成后需要通知的函数并进行通知
if(asyncStruct->callback)
{
asyncStruct->callback(texture);
}
//释放image
if(image)
{
image->release();
}
//释放两个结构体
deleteasyncStruct;
deleteimageInfo;
//将加载的纹理数量减一
--_asyncRefCount;
/*所有文件加载完毕注销回调函数*/
if(0==_asyncRefCount)
{
Director::getInstance()->getScheduler()->unschedule(schedule_selector(TextureCache::addImageAsyncCallBack),this);
}
}
}

7、使用实例

class HelloWorld : public cocos2d::Layer
{
public:
    // there's no 'id' in cpp,so we recommend returning the class instance pointer
    static cocos2d::Scene* createScene();

    // Here's a difference. Method 'init' in cocos2d-x returns bool,instead of returning 'id' in cocos2d-iphone
    virtual bool init();
    virtual void onEnter() override;
    virtual ~HelloWorld();
    // a selector callback
    void menuCloseCallback(cocos2d::Ref* pSender);
    void loadImages(float dt);
    void imageLoaded(cocos2d::Texture2D* texture);
    // implement the "static create()" method manually
    CREATE_FUNC(HelloWorld);
private:
    int _imageOffset;
};

#include "HelloWorldScene.h"

USING_NS_CC;

Scene* HelloWorld::createScene()
{
    // 'scene' is an autorelease object
    auto scene = Scene::create();
    
    // 'layer' is an autorelease object
    auto layer = HelloWorld::create();

    // add layer as a child to scene
    scene->addChild(layer);

    // return the scene
    return scene;
}
void HelloWorld::onEnter()
{
    Layer::onEnter();
    _imageOffset = 0;
    auto winSize = Director::getInstance()->getWinSize();

    auto label = Label::createWithSystemFont("Loading...","",40);
    label->setPosition(Vec2(winSize.width/2,winSize.height/2));
    addChild(label,10);
    
    auto scale = ScaleBy::create(0.3f,2);
    auto scale_back = scale->reverse();
    auto seq = Sequence::create(scale,scale_back,NULL);
    label->runAction(RepeatForever::create(seq));
    scheduleOnce(CC_SCHEDULE_SELECTOR(HelloWorld::loadImages),1.0f);
}

HelloWorld::~HelloWorld()
{
    Director::getInstance()->getTextureCache()->unbindAllImageAsync();
    Director::getInstance()->getTextureCache()->removeAllTextures();
}
// on "init" you need to initialize your instance
bool HelloWorld::init()
{
    //////////////////////////////
    // 1. super init first
    if ( !Layer::init() )
    {
        return false;
    }
    
    Size visibleSize = Director::getInstance()->getVisibleSize();
    Vec2 origin = Director::getInstance()->getVisibleOrigin();

    /////////////////////////////
    // 2. add a menu item with "X" image,which is clicked to quit the program
    //    you may modify it.

    // add a "close" icon to exit the progress. it's an autorelease object
    auto closeItem = MenuItemImage::create(
                                           "CloseNormal.png","CloseSelected.png",CC_CALLBACK_1(HelloWorld::menuCloseCallback,this));
    
	closeItem->setPosition(Vec2(origin.x + visibleSize.width - closeItem->getContentSize().width/2,origin.y + closeItem->getContentSize().height/2));

    // create menu,it's an autorelease object
    auto menu = Menu::create(closeItem,NULL);
    menu->setPosition(Vec2::ZERO);
    this->addChild(menu,1);

    /////////////////////////////
    // 3. add your codes below...

    // add a label shows "Hello World"
    // create and initialize a label
    
    auto label = Label::createWithTTF("Hello World","fonts/Marker Felt.ttf",24);
    
    // position the label on the center of the screen
    label->setPosition(Vec2(origin.x + visibleSize.width/2,origin.y + visibleSize.height - label->getContentSize().height));

    // add the label as a child to this layer
    this->addChild(label,1);

    // add "HelloWorld" splash screen"
    auto sprite = Sprite::create("HelloWorld.png");

    // position the sprite on the center of the screen
    sprite->setPosition(Vec2(visibleSize.width/2 + origin.x,visibleSize.height/2 + origin.y));

    // add the sprite as a child to this layer
    this->addChild(sprite,0);
    
    return true;
}

void HelloWorld::loadImages(float dt)
{
    for(int i = 0; i < 8; i++)
    {
        for(int j = 0; j < 8; j++)
        {
            char szSpriteName[100] = {0};
            sprintf(szSpriteName,"sprite-%d-%d.png",i,j);
            Director::getInstance()->getTextureCache()->addImageAsync(szSpriteName,CC_CALLBACK_1(HelloWorld::imageLoaded,this));
        }
    }
    Director::getInstance()->getTextureCache()->addImageAsync("background1.jpg",this));
    Director::getInstance()->getTextureCache()->addImageAsync("background.jpg",this));
    Director::getInstance()->getTextureCache()->addImageAsync("background.png",this));
    Director::getInstance()->getTextureCache()->addImageAsync("atlastest.png",this));
    Director::getInstance()->getTextureCache()->addImageAsync("grossini_dance_atlas.png",this));
}
void HelloWorld::imageLoaded(cocos2d::Texture2D *texture)
{
    auto director = Director::getInstance();
    auto sprite = Sprite::createWithTexture(texture);
    sprite->setAnchorPoint(Vec2::ANCHOR_BOTTOM_LEFT);
    addChild(sprite,-1);
    
    auto winSize = director->getWinSize();
    int i = _imageOffset*32;
    sprite->setPosition(Vec2(i%(int)winSize.width,(i / (int)winSize.width)*32));
    _imageOffset++;
    log("Image loaded: %p",texture);
}
void HelloWorld::menuCloseCallback(Ref* pSender)
{
#if (CC_TARGET_PLATFORM == CC_PLATFORM_WP8) || (CC_TARGET_PLATFORM == CC_PLATFORM_WINRT)
	MessageBox("You pressed the close button. Windows Store Apps do not implement a close button.","Alert");
    return;
#endif

    Director::getInstance()->end();

#if (CC_TARGET_PLATFORM == CC_PLATFORM_IOS)
    exit(0);
#endif
}

8、运行结果

参考文章：http://blog.csdn.net/u012945598/article/details/41312345

http://blog.csdn.net/tonny_guan/article/details/41017763