Netrix's devBlog

W tej notce opiszę moją pierwszą porządną styczność z programem CodeAnalyst i przy okazji pokażę, w jaki sposób udało mi się nieco zoptymalizować napisaną przeze mnie aplikację implementującą rozwiązywanie problemu kolorowania grafu za pomocą algorytmu genetycznego.

CodeAnalyst jest programem służącym do profilowania aplikacji. Jego zadaniem jest zbieranie różnego rodzaju próbek w trakcie działania testowanej aplikacji, które są następnie przedstawiane w formie wykresu lub tabeli. Dzięki temu widać od razu, które miejsca aplikacji mają największy wpływ na badany parametr z dokładnością do wykonywanych instrukcji Assemblera. Program ten można znaleźć na stronie producenta. Jego główne okienko jest przedstawione na obrazku obok.

Jak już wspomniałem badaną aplikacją jest moja implementacja algorytmu ewolucyjnego użytego do rozwiązania problemu kolorowania grafu. Kod tej aplikacji wraz z przykładowym grafem znajduje się tutaj. Jest to kod, od którego wychodzę w tej notce, zatem nie uwzględnia on żadnych poprawek. Poniższa tabela zawiera średnie wyniki pomiaru cykli i czasu jakie zabiera główna pętla programu na dwóch maszynach:

Optymalizacja będzie dotyczyć głównie tej pierwszej platformy, ale postanowiłem z ciekawości sprawdzić jak zmiany będą wpływać na czas wykonywania się kodu również na drugiej platformie.

Analiza programu będzie polegać na szukaniu miejsc, w których spędza on najwięcej czasu. Zatem na początek należy uruchomić program CodeAnalyst, a następnie utworzyć projekt wybierając profil Time-based profile. Według mnie dobrze jest również zaznaczyć opcje Stop data collection when app exits oraz Profile the duration of the app execution. Dzięki temu CodeAnalyst poczeka z analizą wyników aż badana aplikacja skończy działanie. Po utworzeniu projektu można przystąpić do testów. Zatem po wyciszeniu/wyłączeniu niepotrzebnych aplikacji można wybrać z menu Profile -> Start lub kliknąć zieloną strzałkę.

Po zakończeniu działania aplikacji zostanie wyświetlone podsumowanie, które wygląda mniej więcej tak:

Obie te zakładki przedstawiają dokładnie to samo, czyli procentowy udział próbek w każdej aplikacji/bibliotece/module, różnica występuje tylko w formie przedstawienia danych. Co w tym podsumowaniu jest interesującego? W tym widoku jeszcze nic, ale CodeAnalyst umożliwia podgląd szczegółów każdego z wymienionych wcześniej bytów, nawet dowolnego procesu wybranego z zakładki Processes. Jednak ponieważ ta notka obejmuje tylko jedną aplikacje, w dodatku tę, która zebrała najwięcej próbek, zatem przejdę teraz do niej. Oto co pokazuje się po dwukrotnym kliknięciu na jej proces:

W tym widoku widać już nieco więcej. Są tu pokazane funkcje, które zabierały najwięcej czasu. Na samej górze widać jedną, która zabiera aż 40% próbek, jest to funkcja EvaluateConflicts(), która zlicza konflikty dla każdego osobnika w całej populacji. Warto się jej przyjrzeć z bliska:

CodeAnalyst, wykorzystując dane zawarte w pliku .pdb, który powinien znajdować się obok pliku wykonywalnego, potrafi wyświetlić i dopasować próbki do odpowiedniego miejsca w kodzie. Można również podejrzeć wykonywany w tym miejscu kod Assemblera, co jest bardzo przydatne (żeby nie powiedzieć kluczowe) przy profilowaniu aplikacji. Co zatem widać na powyższym screenie? Jest tam coś co tak naprawdę powinno znajdować się tylko i wyłącznie w aplikacji kompilowanej w trybie Debug. To sprawdzanie poprawności odwołania się do elementu tablicy w klasie std::vector. Jest to nieco dziwne, ponieważ jest tam używany operator[], a standardowo ta wersja odwołania nie powinna być sprawdzana, w przeciwieństwie do funkcji at().
Okazuje się jednak, że implementacja STL dostarczana z kompilatorem msvc ma zaimplementowane takie sprawdzenie, które można co prawda wyłączyć flagą _SECURE_SCL ustawioną na 0, ale domyślnie ta opcja jest włączona. Więcej informacji można znaleźć tu lub bezpośrednio tutaj.

Poniższa tabela zawiera wyniki pomiarów cykli i czasu z wyłączeniem tego sprawdzania:

W przypadku msvc widać, że jest już lepiej, a przypadek gcc został praktycznie nietknięty, zatem nie posiada on domyślnie tego typu sprawdzania. Na poniższych screenach widnieją wyniki ponownego próbkowania aplikacji.

Jak można zauważyć, ta drobna poprawka pozwoliła kompilatorowi zinline’ować całą funkcję EvaluateConflicts(). Dzięki temu aplikacja wykonuje się szybciej o ok. 22 %. Kod tej wersji znajduje się pod tym linkiem.

Jednak na tym nie koniec poprawek, ponieważ jest jeszcze jedno miejsce, z którym da się coś zrobić. Otóż jeśli się przyjrzeć podsumowaniu całej aplikacji jeszcze raz, można zauważyć, że spędza ona dużo czasu w funkcji insert() drzewa std::_Tree, które jest implementacją zbioru (std::set) w bibliotece standardowej. Klasa ta jest używana w operatorze selekcji w celu wybrania losowych i niepowtarzających się osobników do turnieju. Co za tym idzie, funkcja insert() jest wywoływana minimum raz dla każdego wolnego miejsca w turnieju (w przypadku testowym jest 50 miejsc), aż do wypełnienia całej nowej populacji (tutaj 5000), czyli krótko mówiąc – dość często.

Rozwiązaniem, które przyjąłem w tym miejscu było całkowite pozbycie się klasy std::set na rzecz własnego sposobu wybierania losowych i różnych osobników do turnieju. Wynikiem tego jest taka oto klasa:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26

template<uint RANGE>
class RandomSet    // singleton
{
public:
    RandomSet()
    { 
        for(uint i = 0; i < RANGE; ++i)
        { m_aSet[i] = i; }
    }
 
    const uint* GetRandomSet(uint uCount, uint uInnerRange)
    {
        uint uTemp, uRand;
        for(uint i = 0; i < uCount; ++i)
        {
            uRand = rand() % (uInnerRange - i);
            uTemp = m_aSet[i];
            m_aSet[i] = m_aSet[i + uRand];
            m_aSet[i + uRand] = uTemp;
        }
        return m_aSet;
    }
 
private:
    uint m_aSet[RANGE];
};

Klasa ta wykorzystuje tablicę, w której zapisane są kolejno indeksy wszystkich osobników. Przy każdym wywołaniu funkcji GetRandomSet() tablica ta jest ponownie mieszana tak, by na jej początku znalazły się w miarę losowe wartości. Dzięki temu, że wybierane wartości są zamieniane z wartościami z początku tablicy, zbiór pozostaje pełny ale jest on stopniowo mieszany, przy czym największa różnorodność występuje zawsze na początku tablicy. To ostatnie nie ma tak naprawdę większego znaczenia, ponieważ najważniejsze jest to, żeby funkcja zwracała za każdym razem różne wartości.

Kolejna tabela zawiera wyniki testów po wprowadzeniu tych zmian:

W przypadku tej poprawki można już zaobserwować znaczny zysk i to na obu platformach (Windows – 64%, Linux – 61 %). Na poniższych obrazkach kolejne zrzuty z CodeAnalyst.

Widać tutaj, że ilość próbkowanego kodu znacznie zmalała, a proporcje między funkcjami znów się zróżnicowały. Dzięki temu można zobaczyć, że funkcja GetRandomSet() zabiera znacznie mniej próbek niż EvaluateGeneration(). Kod tej wersji można pobrać stąd.

Pozostaje teraz ponownie zapytać, czy można coś tu jeszcze zoptymalizować? Może i można, ale prawdopodobnie zajmie to już trochę więcej czasu niż poprzednie poprawki. Jednym z oczywistych kroków jakie można tutaj wykonać to zastąpienie std::vector zwykłymi tablicami dynamicznymi, ale w tym przypadku zysk jest osiągalny tylko na Linuksie co pokazuje kolejna tabela:

Kod tego przypadku znajduje się tutaj.

I to właściwie tyle, wnioski? CodeAnalyst jest bardzo dobrym narzędziem do profilowania aplikacji, jest łatwy w obsłudze, a co najważniejsze jest za darmo. Oprócz tego warto zwracać uwagę na implementacje biblioteki standardowej w używanym kompilatorze, ponieważ można się nieco zdziwić, tak jak to miało miejsce w przypadku std::vector w tym przykładzie. Dodatkowo warto czasami poszukać innych rozwiązań dla niektórych problemów, ponieważ wyniki mogą okazać się całkiem zaskakujące.

Na koniec jeszcze taka małą dygresja odnośnie algorytmu ewolucyjnego – operator mutacji powinien testować prawdodpobieństwo dla każdego genu osobnika (czyli koloru węzła), a nie tak jak w tej implementacji, dla całego osobnika :).

Tym razem notka o tym, w jaki sposób można wykonywać różne operacje w systemie plików w wymienionych w temacie systemach. Oczywiście każdy programista C/C++ zna funkcje wykonujące podstawowe operacje na plikach, takie jak:

• odczyt, modyfikacja, zapis (funkcja fopen i poboczne oraz klasy fstream)
• zmiana nazwy pliku lub katalogu (funkcja rename())
• usunięcie pliku (funkcja remove())

Nieco więcej problemów sprawiają pozostałe operacje, takie jak np. pobranie pełnej ścieżki do pliku czy przeglądanie listy plików w katalogu, ponieważ w bibliotece standardowej nie ma do tego celu odpowiednich funkcji, zatem należy ich szukać w API systemu. Niestety co API to różne funkcje, ale zdarzają się i takie, które istnieją w obu systemach.

Na początek pobieranie pełnej ścieżki do bieżącego katalogu, czyli funkcja getcwd. Jej prototyp w systemie Windows jest następujący:

#include <direct.h>
char* _getcwd(char* _DstBuf, int _SizeInBytes);

a w systemie Linux:

#include <unistd.h>
char* getcwd(char* _DstBuf, int _SizeInBytes);

Jak widać prototyp obu funkcji jest identyczny, więc nic nie stoi na przeszkodzie utworzenia sobie odpowiedniego aliasu nazwy za pomocą typedef.

Trochę lepiej jest z funkcją stat() i jej strukturą o tej samej nazwie (thx C…, typedef needed), która istnieje w obu systemach. Funkcja ta służy do pobierania pełnych informacji o pliku, czyli np. daty modyfikacji, typu czy rozmiaru. Jej przykładowe użycie wygląda następująco:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11

#include <sys/stat.h>
typedef struct stat FileStatus; // thx C
 
/*...*/
FileStatus fileStatus;
if(stat(szFullPath.c_str(), &fileStatus) < 0)
{
    return;
}
 
unsigned int uFileSize = fileStatus.st_size;	// Pobranie rozmiaru pliku

Nieco gorzej jest z wyciąganiem listy plików w katalogu, ponieważ w tym przypadku oba systemy mają do tego różne funkcje. W przypadku systemu Windows wygląda to tak:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26

#include <windows.h>
/*...*/
 
WIN32_FIND_DATA info;
HANDLE hFind = FindFirstFile(szDirPath, &info);
 
if(INVALID_HANDLE_VALUE == hFind)
{
    printf("Error");
    return;
}
 
do
{
    if((info.dwFileAttributes & FILE_ATTRIBUTE_DIRECTORY) != 0)
    {
        printf("Directory: %s\n", info.cFileName);
    }
    else
    {
        printf("File: %s\n", info.cFileName);
    }
}
while(FindNextFile(hFind, &info) != 0);
 
FindClose(hFind);

A w systemie Linux tak:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38

#include <dirent.h>
#include <string.h> // c-string operations
typedef struct dirent DirEntry;
typedef struct stat DirEntryStat; // thx C again
 
DIR* pDir;
pDir = opendir(szDirPath);
if(pDir == null)
{
    printf("Error");
    return;
}
 
DirEntry* pDirent;
DirEntryStat dirEntryStat;
while((pDirent = readdir(pDir)) != null)
{
    char buffer[255];
    strcpy(buffer, szDirPath);
    strcat(buffer, pDirent->d_name);	// Do ponizszej funkcji potrzebna jest sciezka z biezacego katalogu
 
    if(stat((buffer, &dirEntryStat) < 0)
    {
        printf("Error");
        continue;	// file corrupted... NEXT!
    }
 
    if((dirEntryStat.st_mode & S_IFDIR) != 0)	// Katalog
    {
        printf("Directory: %s\n", pDirent->d_name);
    }
    else if((dirEntryStat.st_mode & S_IFREG) != 0)	// Plik
    {
        printf("File: %s\n", info.pDirent->d_name);
    }
}
 
closedir(pDir);

Można zauważyć, że funkcja z WinAPI jest nieco przyjaźniejsza, ponieważ operuje na uchwycie do żądanego katalogu, w przeciwieństwie do funkcji Linuksowej, która po prostu zwraca nazwę tego co siedzi w katalogu i nic więcej.

Jakiś czas temu postanowiłem do swojego silnika dołączyć SceneGraph, którego zadaniem byłaby hierarchizacja modeli (w relacji rodzic-dzieci) występujących na scenie oraz aktualizacja ich macierzy świata. Generalnie taki graf zawiera nieco więcej informacji, takich jak na przykład bryły otaczające wraz z drzewem ósemkowym, na podstawie których można odrzucić modele niebędące w zasięgu kamery, jeszcze przed renderowaniem całej sceny. Jednak aktualnie zależało mi na zaimplementowaniu samej podstawy, czyli macierzy świata, ale w sposób zorientowany na dane, jak ma to miejsce w prezentacji Pitfalls of Object-Oriented Programming.

Hierarchizacja sceny polega na zebraniu wszystkich elementów sceny i połączeniu ich w drzewo, które składa się z korzenia oraz węzłów potomnych. W takim drzewie każdy rodzic oddziałuje bezpośrednio na swoje dziecko, czyli w tym przypadku transformacja, którą przechowuje rodzic ma wpływ na transformację przechowywaną przez dziecko, dla D3DX wygląda to tak:

D3DXMatrixMultiply(&childWorldMatrix, &childLocalMatrix, &parentWorldMatrix);

Istnieje kilka sposobów na powiązanie węzłów SceneGraph z elementami sceny. Najprostszym z nich jest struktura SGNode, której instancję można umieścić w klasie reprezentującej jakiś element sceny. Taka struktura wygląda następująco:

1
2
3
4
5

struct SGNode
{
   SGNode* pSibling, pChild;
   D3DXMATRIX localMatrix, worldMatrix;
};

Ponieważ sceny zwykle nie są statyczne, każdy taki węzeł powinien być aktualizowany co klatkę. Do tego celu powinna służyć odpowiednia funkcja klasy zarządzającej drzewem, której zadaniem będzie przejście rekursywnie po całym drzewie i zaktualizowanie danych. Oto przykład takiej funkcji:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14

void updateNodes(SGNode* pRoot)
{
   SGNode* pNode = pRoot->pChild;
 
   while(pNode != null)
   {
      D3DXMatrixMultiply(&pNode->worldMatrix, &pNode->localMatrix, &pRoot->worldMatrix);
      updateNodes(pNode);
      pNode->pSibling;
   }
}
 
// Wywołanie na korzeniu
updateNodes(m_pRoot);

Ten prosty przykład wystarczy by zauważyć problem, który został poruszony w wymienionej prezentacji. Chodzi przede wszystkim o skakanie po pamięci wskaźnikami, które są dość obficie używane w takiej implementacji. Powoduje to cache-missy, zwłaszcza w przypadku, gdy każdy węzeł jest alokowany osobno.

Rozwiązaniem tego, jak można się domyślić, jest umieszczenie tych danych w sposób liniowy, tak jak ma to miejsce w wymienionej prezentacji. Ważne jest również, aby dane były rozdzielone i uszeregowane w kolejności ich późniejszej aktualizacji.

W swoim silniku rozwiązałem to wykorzystując uchwyty, a węzły traktując jak każdy inny zasób, który można tworzyć i niszczyć. Wszystko to znajduje się w jednej klasie, która wygląda następująco:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76

class NSceneGraph
{
   struct NSceneGraphNode
   {
      NSize_t   uChild,
            uSibling;
      NSize_t uIndex;            // Indeks do tablic danych
      NSize_t uNext;             // Indeks następnego węzła
   };
 
public:
   NRESULT InitSceneGraph();
 
   void Release();
 
   NRESULT CreateNode(NHSceneGraphNode& hNode);
 
   void ReleaseNode(NHSceneGraphNode hNode);
 
   void ChangeParent(NHSceneGraphNode hNode);
 
   void ChangeParent(NHSceneGraphNode hNode, NHSceneGraphNode hParent);
 
   NMMatrixPP GetLocalMatrix(NHSceneGraphNode hNode);
 
   void SetLocalMatrix(NHSceneGraphNode hNode, NMMatrixPP matrix);
 
   NMMatrixPP GetWorldMatrix(NHSceneGraphNode hNode);
 
   const NMMatrix* GetWorldMatrixPtr(NHSceneGraphNode hNode);
 
   // Funkcja aktualizuje macierze world i inne dane
   void Update();
 
   // Funkcja porządkuje drzewo tak, by przechodzenie wszerz było liniowe i cache-friendly
   NRESULT ApplyChanges();
 
private:
   NRESULT ResizeArrays(NSize_t uSize);
 
   void AddSubtree(NSize_t uNode, NSize_t uNewParent);
 
   void RemoveSubtree(NSize_t uNode);
 
   void SetChildIndex(NSize_t uNode, NSize_t uChild)
   {
      m_aSceneNodes[uNode].uChild = uChild;
   }
 
   NSize_t GetChildIndex(NSize_t uNode)
   {
      return m_aSceneNodes[uNode].uChild;
   }
 
   void SetSiblingIndex(NSize_t uNode, NSize_t uSibling);
 
   NSize_t GetSiblingIndex(NSize_t uNode);
 
   void SetDataIndex(NSize_t uNode, NUint32 uIndex);
 
   NSize_t GetDataIndex(NSize_t uNode);
 
   void SetNextIndex(NSize_t uNode, NSize_t uNext);
 
   NSize_t GetNextIndex(NSize_t uNode);
 
   bool RemoveSubtree(NSize_t uRoot, NSize_t uNode);
 
private:
   NStableDataVector<NSceneGraphNode> m_aSceneNodes;
 
   bool m_bDirty;
   NSize_t m_uArraysSize;
   NAlignedDynamicTable<NMMatrix> m_aLocalMatrices;
   NAlignedDynamicTable<NMMatrix> m_aWorldMatrices;
};

Teraz przydałoby się wyjaśnienie co do tego kodu. Po pierwsze nie ma tutaj wskaźników, ponieważ jednym z założeń silnika jest wykorzystywanie większych obszarów pamięci zamiast pojedynczych alokacji. Z tego wynika założenie o uchwytach, co implikuje wykorzystanie w przedstawionym kodzie indeksów. NStableDataVector reprezentuje kontener, którego kluczowym założeniem jest niezmienność pozycji przechowywanych danych, dzięki czemu uchwyty pozostają ważne przez cały czas działania aplikacji. NAlignedDynamicTable jest natomiast klasą, która odpowiada za tworzenie i obsługę tablicy przechowującej różne dane (w tym przypadku macierze), które wymagają wyrównanego adresu.

Wracając jednak do samego drzewa sceny – ponieważ jego głównym założeniem jest implementacja rozwiązań z wymienionej prezentacji, dane zostały podzielone na kilka odpowiednich tablic, a indeksy do tych tablic zostały dodane do węzła. Wszystkie nowo utworzone węzły są potomkami węzła głównego, a zmiana rodzica jest transakcją, która usuwa podany węzeł i od razu dodaje go jako dziecko nowego rodzica (funkcja ChangeParent()).

Kluczową funkcją tej klasy jest ApplyChanges(), jej zadaniem ułożenie danych w taki sposób, aby zredukować liczbę cache-missów do minimum, wygląda ona tak:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66

NRESULT NSceneGraph::ApplyChanges()
{
   NAssert(m_bDirty != false, "Needless call of this function");
 
   NRESULT result;
   // Temp arrays
   NDataQueue<NSize_t> tempQueue;
   NAlignedDynamicTable<NMMatrix> tempLocalMatrices;
   NAlignedDynamicTable<NMMatrix> tempWorldMatrices;
 
   if(NFAILED(result = tempLocalMatrices.Create(m_aLocalMatrices.GetSize(), MATRIX_ALIGNMENT))
   || NFAILED(result = tempWorldMatrices.Create(m_aWorldMatrices.GetSize(), MATRIX_ALIGNMENT))
   || NFAILED(result = tempQueue.Create(m_uArraysSize / 2, 0)))
   {
      tempLocalMatrices.Release();
      tempWorldMatrices.Release();
      tempQueue.Release();
      return result;
   }
 
   tempLocalMatrices[0] = m_aLocalMatrices[0];
   tempWorldMatrices[0] = m_aWorldMatrices[0];
 
   // Główny algorytm
   NSize_t uRootNode = 0;
   tempQueue.PushElement(GetChildIndex(uRootNode));
 
   SetNextIndex(uRootNode, GetChildIndex(uRootNode));
 
   NSize_t uNext = uRootNode;
   for(NUint32 i = 1; !tempQueue.IsEmpty(); )
   {
      NSize_t uNode = *tempQueue.GetFront();
      tempQueue.PopElement();
 
      for(; uNode != NMAX_SIZE_T; ++i)
      {
         SetNextIndex(uNext, uNode);
 
         tempLocalMatrices[i] = m_aLocalMatrices[GetDataIndex(uNode)];
         tempWorldMatrices[i] = m_aWorldMatrices[GetDataIndex(uNode)];
         SetDataIndex(uNode, i);
 
         if(GetChildIndex(uNode) != NMAX_SIZE_T)
         {
            tempQueue.PushElement(GetChildIndex(uNode));
         }
 
         uNext = GetNextIndex(uNext);
         uNode = GetSiblingIndex(uNode);
      }
   }
   SetNextIndex(uNext, NMAX_SIZE_T);
 
   m_aLocalMatrices.Release();
   m_aWorldMatrices.Release();
   tempQueue.Release();
 
   m_aLocalMatrices = tempLocalMatrices;
   m_aWorldMatrices = tempWorldMatrices;
   m_bDirty = false;
 
   Update();
 
   return NRV_SUCCESS;
}

Powyższa funkcja została wyrwana prosto z pliku źródłowego. Jak widać przechodzi ona całe drzewo wszerz porządkując dane (macierze) oraz aktualizując indeks danych i następnego węzła. Najważniejszym faktem dotyczącym tej funkcji jest to, że powinna być wywołana po wszystkich czynnościach związanych z dodawaniem, usuwaniem lub przenoszeniem węzłów. Dane uporządkowane można później wielokrotnie uaktualniać za pomocą funkcji Update(), która nie będzie posiadać narzutu związanego ze skakaniem po danych (pozostaje tylko skakanie po węzłach, które same w sobie nie są duże).

Funkcja ta wygląda w tym przypadku tak:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22

void NSceneGraph::Update()
{
   NAssert(m_bDirty == false, "Call this function before running updates");
 
   NSize_t uParentNode = 0;
 
   while(uParentNode != NMAX_SIZE_T)
   {
      NSize_t uNode = GetChildIndex(uParentNode);
 
      while(uNode != NMAX_SIZE_T)
      {
         NSize_t uDataIndex = GetDataIndex(uNode);
         // Macierze globalne
         m_aWorldMatrices[uDataIndex] = NMMatrixMul(m_aLocalMatrices[GetDataIndex(uNode)], m_aWorldMatrices[GetDataIndex(uParentNode)]);
 
         uNode = GetSiblingIndex(uNode);
      }
 
      uParentNode = GetNextIndex(uParentNode);
   }
}

Cały algorytm przechodzenia po tym drzewie polega na aktualizacji każdego dziecka dla bieżącego rodzica. Dzięki informacji o następnym węźle przechodzenie po drzewie odbywa się poziom po poziomie.

Jak widać cały problem podejścia zorientowanego na dane udało się umieścić w jednej klasie, co więcej funkcja porządkująca dane nie wymaga częstego wywoływania, ponieważ najprawdopodobniej będzie to miało miejsce w przypadku ładowania/usuwania sceny. Narzut związany z korzystaniem z uchwytów i indeksacją również można zredukować przed dodanie funkcji zwracających wskaźnik na żądane dane, które po każdym wywołaniu ApplyChanges() należy zaktualizować.

Tym razem będzie znów coś związanego z systemem Windows i programowaniem gier, czyli obsługa myszy za pomocą RAW Input. Jest to jeden z trzech popularnych sposobów obsługi tych urządzeń. Pozostałymi są komunikaty procedury okna oraz DirectInput, z tym że ten ostatni jest niezalecany i już nie jest wspierany przez Microsoft na rzecz właśnie RAW Input. Jednak dlaczego nie te dwa?

Komunikaty procedury okna nie są tak naprawdę takie złe, co więcej bardzo dobrze nadają się do małych gier casualowych, najlepiej tych odpalanych w oknie, ponieważ wartościami otrzymywanymi od systemu (w przypadku myszy) jest pozycja kursora, a pozycja jest poprawiana tak, aby znalazł się on w miejscu w którym użytkownik się tego spodziewa. Niestety dane otrzymywane w ten sposób nie są dokładne więc w bardziej wymagających grach mogą okazać się nieprzydatne.
DirectInput jest natomiast sposobem na uzyskanie dokładniejszych danych, jednak zasada jego działania opiera się na utworzeniu dodatkowego wątku, podpięcia się do wskazanego okna i odczytywaniu danych bezpośrednio ze sterownika, czyli surowych danych (RAW). Najprawdopodobniej jest to przyczyną braku wsparcia dla tej metody, dodatkowo niektóre antywirusy mogą ostrzegać że aplikacja którą napisaliśmy jest keyloggerem.

RAW Input umożliwia aplikacji uzyskanie surowych danych bezpośrednio ze sterownika. Zasada działania opiera się tutaj, tak samo jak w pierwszej metodzie, na komunikatach procedury okna. Różnica polega na tym, że chęć otrzymywania tych danych należy wcześniej w systemie zarejestrować. Jest to póki co najlepsza metoda uzyskiwania dokładnych danych z myszy, ponieważ dostarcza informacje na temat przesunięć, a nie pozycji kursora. Otrzymywanie danych z klawiatury również jest możliwe, ale w tym przypadku dokładność nie ma sensu.

Do rejestracji urządzeń, których dane chcielibyśmy otrzymywać tą metodą, służy funkcja:

<a href="http://msdn.microsoft.com/en-us/library/ms645600%28VS.85%29.aspx">BOOL WINAPI RegisterRawInputDevices(
  __in  PCRAWINPUTDEVICE pRawInputDevices,
  __in  UINT uiNumDevices,
  __in  UINT cbSize
);
</a>

Pierwszym parametrem tej funkcji jest tablica obiektów struktury RAWINPUTDEVICE, która opisuje rejestrowane urządzenie. Pozostałe parametry to ilość urządzeń i rozmiar struktury, czyli sizeof(RAWINPUTDEVICE).

Poniższy przykład pokazuje rejestrację myszy:

RAWINPUTDEVICE rawStructure;
rawStructure.usUsagePage = 1;                            // Typ urządzenia (w tym przypadku GENERIC)
rawStructure.hwndTarget = m_hWnd;                    // Uchwyt okna
rawStructure.usUsage = 2;                                   // Rodzaj urządzenia (2 - mysz)
rawStructure.dwFlags = RIDEV_NOLEGACY;        // Więcej info w opisie struktury
 
if(!RegisterRawInputDevices(&rawStructure, 1, sizeof(RAWINPUTDEVICE)))
{
    // Obsługa błędu
}

Wartości usUsage i usUsagePage można znaleźć w tym dokumencie.

Jeśli rejestracja urządzenia się powiedzie, to aplikacja przestanie otrzymywać standardowe komunikaty związane z tym urządzeniem, a zacznie otrzymywać komunikaty WM_INPUT z danymi RAW tego urządzenia.
Dane można otrzymywać na dwa sposoby: pojedynczo, bezpośrednio w trakcie obsługi komunikatu lub zbuforowane. Poniżej podam przykład na standardową obsługę komunikatu WM_INPUT, więcej info na temat tej i drugiej metody można znaleźć na tej stronie.

LRESULT WndProc(HWND hWnd, UINT msg, WPARAM wParam, LPARAM lParam)
{
     switch(msg)
     {
     case WM_INPUT:
          {
               RAWINPUT riStruct;
               DWORD dwSize = sizeof(RAWINPUT);
 
               if(GetRawInputData((HRAWINPUT)lParam, RID_INPUT, &riStruct, &dwSize, sizeof(RAWINPUTHEADER)) == (UINT)-1)
               {
                    // Obsługa błędu
               }
 
               if(riStruct.header.dwType == RIM_TYPEMOUSE)
               {
                    riStruct.data.mouse.lLastX;     // Przesuniecie X
                    riStruct.data.mouse.lLastY;     // Przesuniecie Y
 
                    riStruct.data.mouse.ulButtons;     // Przyciski myszy
 
                    riStruct.data.mouse.usButtonData;     // Rolka myszy
               }
          }
          break;
     }
}

Dziwić może to, że funkcja przyjmuje wskaźnik na zmienną do rozmiaru struktury RAWINPUT. Jest to spowodowane tym, że różne urządzenia mają różne struktury i podanie niewłaściwego rozmiaru skutkuje błędem oraz wpisaniem wymaganego rozmiaru pod podanym adresem.

Wyrejestrowanie urządzenia następuje po wywołaniu funkcji RegisterRawInputDevices podając jako w flagę w przekazywanej strukturze RIDEV_REMOVE.

Ogólnie rzecz biorąc RAW Input jest najlepszym sposobem na otrzymanie dokładnych danych z urządzeń wejściowych. Obsługa klawiatury jest trochę bardziej skomplikowana, a szczerze mówiąc nie widzę sensu korzystania z tego sposobu. Lepiej pozostać przy komunikatach. Osobiście uważam, że odpytywanie o stan inputu jest lepsze niż odpowiadanie na komunikaty, ponieważ aplikacja jest wtedy bardziej przewidywalna.

Dzisiejsza notka będzie o tym jak pobrać kod HTML strony WWW w aplikacji C++ korzystając z WinSock2.

Pierwszą rzeczą, którą trzeba wiedzieć jest to w jaki sposób robi to przeglądarka internetowa. Zacznę od tego jak wygląda typowy adres strony WWW na przykładzie adresu do działu artykułów na stronie http://www.gamedev.pl/:

http://www.gamedev.pl/articles.php

Powyższy adres składa się z kilku części:

• „http://” – protokół reprezentujący sposób transmisji danych, dzięki niemu przeglądarka wie w jaki sposób komunikować się z serwerem oraz na jaki port wysyłać żądania
• „www.gamedev.pl” – domena na którą będzie wysłane zapytanie – podany adres jest tłumaczony na adres IP przez serwer DNS
• „/articles.php” – adres żądanego plik lub żądanie dla serwera WWW, które aplikacja wykorzystuje do stworzenia nagłówka

Przeglądarka mając adres strony tworzy odpowiedni nagłówek, który zostaje wysłany do serwera WWW. Jak już wspomniałem adresem tego serwera jest domena zawarta w adresie WWW natomiast port jest określany na podstawie protokołu, czyli w przypadku „http://” jest to port 80. Nagłówek HTTP powinien zawierać następujące elementy:

• rodzaj zapytania – w przypadku pobrania strony jest to „GET”
• adres żądanego pliku lub żądanie – to co chcemy od serwera otrzymać, najczęściej jest to adres pliku na serwerze, czyli „/articles.php” w tym przykładzie
• wersja protokołu – typowo HTTP/1.1
• domena hosta

Dodatkowo, jeśli jest to konieczne, można wysłać informacje o tym, jakiej przeglądarki używamy (UserAgent), informacje o akceptowanych plikach, kodowaniu, ciasteczkach oraz czasie trwania połączenia, więcej można dowiedzieć się z tej strony wiki oraz samych nagłówków, które wysyła przeglądarka. Jako ciekawostkę mogę dodać, że istnieje fajna wtyczka dla Firefoxa, która pokazuje nagłówki wysyłane przez przeglądarkę – Live HTTP headers.

Oto nagłówek uzyskany z pomocą tej wtyczki podczas łączenia się do przykładowej strony:

1
2
3
4
5
6
7
8
9

GET /articles.php HTTP/1.1
Host: www.gamedev.pl
User-Agent: Mozilla/5.0 (Windows; U; Windows NT 6.1; pl; rv:1.9.1.7) Gecko/20091221 Firefox/3.5.7
Accept: text/html,application/xhtml+xml,application/xml;q=0.9,*/*;q=0.8
Accept-Language: pl,en-us;q=0.7,en;q=0.3
Accept-Encoding: gzip,deflate
Accept-Charset: ISO-8859-2,utf-8;q=0.7,*;q=0.7
Keep-Alive: 300
Connection: keep-alive

Jak widać jest on trochę długi (usunąłem informacje o ciasteczkach, nie są tutaj potrzebne). Aby pobrać kod strony wystarczą tak naprawdę dwie pierwsze linijki. Jednak ważną rzeczą jest, aby po każdej linijce występowała para znaków \r\n a koniec nagłówka reprezentowany był przez dwie pary tych znaków. W przypadku, gdy nagłówek nie będzie zawierał tak skonstruowanego nagłówka, serwer po prostu udrzuci zapytanie.

Teraz pora na kod C++ z WinSock2, oto on:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133

// Usuwa zbędne definicje z nagłówka
#ifndef WIN32_LEAN_AND_MEAN
#define WIN32_LEAN_AND_MEAN
#endif
 
#include <winsock2.h>
#include <ws2tcpip.h>
#include <string>
 
#define BUFFER_SIZE 2048
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")	// Niezbędna biblioteka
using namespace std;
 
int main()
{
	//************************************************
	// Inicjalizacja WinSock2
	//************************************************
	WSADATA wsaData;
	int error;
	string answer;
	ZeroMemory(&wsaData, sizeof(wsaData));
 
	if(FAILED(WSAStartup(MAKEWORD(2,2), &wsaData)))	// MAKEWORD(2,2) - Wersja WinSock
	{
		return 1;
	}
 
	char recvBuffer[BUFFER_SIZE];
	addrinfo hint;					// Struktura przechowująca dane o połączeniu
	addrinfo* wsResult;				// Wskaźnik na rezultat
	SOCKET pSocket;					// Właściwy pSocket
 
	ZeroMemory(recvBuffer, sizeof(recvBuffer));
	ZeroMemory(&hint, sizeof(hint));
	hint.ai_family = AF_UNSPEC;		// Rodzaj transmisji - nieokreślony
	hint.ai_socktype = SOCK_STREAM;	// Typ gniazda - strumień
	wsResult = NULL;
	pSocket = INVALID_SOCKET;
 
	//************************************************
	// Tworzenie zapytania	
	//************************************************
 
	// Wyciąganie informacji z adresu
	string httpAddress = "http://www.gamedev.pl/articles.php";
	string temp = httpAddress.substr(httpAddress.find("http://") + sizeof("http://") - 1);	// Tylko http:// więc można wyciąć
	string domain = temp.substr(0, temp.find_first_of('/'));								// Domena
	string addressTail = temp.substr(temp.find_first_of('/'));								// Żądanie pliku
 
	// Tworzenie nagłówka
	temp = string("GET ") + addressTail + " HTTP/1.1\r\n"
			   + "Host: " + domain + "\r\n"
			   //+ "User-Agent: Mozilla/5.0 (Windows; U; Windows NT 5.1; pl; rv:1.9.1.5) Gecko/20091102 Firefox/3.5.5\r\n"
			   //+ "Accept: text/html,application/xhtml+xml,application/xml;q=0.9,*/*;q=0.8\r\n"
			   //+ "Accept-Language: pl,en-us;q=0.7,en;q=0.3\r\n"
			   //+ "Accept-Encoding: gzip,deflate\r\n"
			   //+ "Accept-Charset: ISO-8859-2,utf-8;q=0.7,*;q=0.7\r\n"
			   //+ "Keep-Alive: 300\r\n"
			   //+ "Connection: keep-alive\r\n"
			   + "\r\n\r\n";
 
	// Pobieranie IP serwera z serwera DNS
	if(FAILED(getaddrinfo(domain.c_str(), TEXT("80"), &hint, &wsResult)))
	{
		printf("Nie udalo sie pobrac IP\n");
		return 1;
	}
 
	// Wskaźnik na zwrócone adresy
	addrinfo* ptr = wsResult;
 
	// Tworzenie socketu
	if(FAILED(pSocket = socket(wsResult->ai_family, wsResult->ai_socktype, wsResult->ai_protocol))) 
	{
		freeaddrinfo(wsResult);
		printf("Nie udało się utworzyc socketu\n");
		return 1;
	}
 
	//************************************************
	// Wysyłanie zapytania	
	//************************************************
 
	// Łączenie się do serwera
	if(FAILED(connect(pSocket, ptr->ai_addr, (int)ptr->ai_addrlen))) 
	{
		printf("Nie udalo sie polaczyc do serwera\n");
		goto Error;
	}
 
	// Wysyłanie nagłówka
	if(FAILED(send(pSocket, temp.c_str(), temp.size(), 0)))
	{
		printf("Nie udalo sie wyslac naglowka\n");
		goto Error;
	}
 
	// Kończenie wysyłania
	if(FAILED(shutdown(pSocket, SD_SEND)))
	{
		printf("Nie udalo sie zamknac polaczenia\n");
		goto Error;
	}
 
	//************************************************
	// Odbieranie danych
	//************************************************
 
	// Odbieranie danych
	do
	{
		ZeroMemory(recvBuffer, sizeof(recvBuffer));
		error = recv(pSocket, recvBuffer, sizeof(recvBuffer), 0);
 
		if(error > 0)
		{
			answer += string(recvBuffer);
		}
	}
	while(error > 0);
 
	closesocket(pSocket);		// Zamknięcie socketu
	freeaddrinfo(wsResult);		// oraz zwolnienie struktury addrinfo
 
	printf("Kod HTML strony \"http://www.gamedev.pl/articles.php\":\n\n%s", answer.c_str());
	return 0;
 
Error:
	closesocket(pSocket);
	freeaddrinfo(wsResult);
	return 1;
}

Wynikiem tego kodu jest wyświetlony kod HTML przykładowej strony.

Podczas dalszego kodowania mojego silnika natrafiłem na bardzo dziwny błąd kompilatora Visual Studio. Zaczynając od początku – mam oto taki kod:

enum
{
	// Rozmiary pól
	MAX_BITS_INDEX = sizeof(Size_t) * 4,
	MAX_BITS_MAGIC = sizeof(Size_t) * 4,
	// Maksymalne wartości pól (Przesunięcie 1 w dwóch operacjach, ponieważ inaczej kompilator nie daje rady)
	MAX_INDEX = ((1 << MAX_BITS_INDEX / 2) << MAX_BITS_INDEX / 2) - 1,
	MAX_MAGIC = ((1 << MAX_BITS_MAGIC / 2) << MAX_BITS_MAGIC / 2) - 1
};
/* ... */
 
// handle = 0x0000000400000006;   - przykladowo
// Size_t ma rozmiar wskaźnika (jest zależny od platformy)
Size_t value = handle & MAX_MAGIC;

Otóż problem z tym kodem jest taki, że gdy zostanie skompilowany na platformę x64, zostaje wygenerowany następujący kod w assemblerze:

    79:                 {
    80:                         Size_t value = handle & MAX_MAGIC;
 
000000013FC96F94  mov         rax,qword ptr [handle]
000000013FC96F9C  mov         qword ptr [value],rax
 
    81:                         if(value == *it) return true; // Dalszy kod

Jak widać problem polega na braku kluczowej instrukcji and, której zadaniem jest odcięcie najstarszych 32-bitów. Dla porównania kod assemblera wygenerowanego dla platformy x86 jest następujący:

    79:                 {
    80:                         Size_t value = handle & MAX_MAGIC;
00DC9DDC  mov         eax,dword ptr [handle]
00DC9DDF  and          eax,0FFFFh
00DC9DE4  mov         dword ptr [value],eax
    81:                         if(value == *it) return true; // Dalszy kod

Tutaj instrukcja ta występuje.

Błąd ten jednak nie występuje gdy samemu sprecyzuję stałą, tj.:

Size_t value = handle & 0xffffffff;

W tym przypadku zostanie wygenerowany poprawny kod.

Wniosek jest taki, że kompilator widząc operację and zmiennej ze stałą typu enum (który przechowuje wartości 32-bitowe), traktuje tą zmienną jako typ 32-bitowy. W tym przypadku stwierdza, że instrukcja and nie ma sensu, bo wartość MAX_MAGIC zawiera maksymalną wartość (0xffffffff). Według mnie jest to ewidentny błąd i nie powinno takie coś wystąpić.

// Edit :)
Problemem oczywiście jest to, że enum jest tak naprawdę typem int, więc się dokładnie tak zachowuje.

Jak się okazuje nic nie jest na początku idealne. Dzięki uwagom Revo udało mi się usprawnić szablon automatycznych uchwytów. Revo poradził mi dodanie dodatkowego wskaźnika na licznik odwołań do danego zasobu. Dzięki temu możliwe było usunięcie jednej funkcji wirtualnej, a druga została sprowadzona do roli sprzątaczki, która zostaje wywołana tylko w momencie, gdy licznik osiąga wartość 0. Dodatkowo dodałem sprawdzenie czy uchwyt nie jest zerowy przed odwołaniem się do wskaźników.

Poniżej znajduję się kod poprawionej klasy szablonowej AutomaticHandle:

typedef unsigned int Dword;
 
template< typename TAG>
class AutomaticHandle
{
public:
	// Podstawowy konstruktor
	AutomaticHandle(NLib::Dword handle, MHandleMgr* manager, NLib::Dword* resCounter) : m_handle(handle), m_manager(manager), m_resCounter(resCounter)
	{ if(m_handle) ++(*m_resCounter); }
	// Konstruktor kopiujący
	AutomaticHandle(const AutomaticHandle& src) : m_manager(src.m_manager), m_handle(src.m_handle), m_resCounter(src.m_resCounter)
	{ if(m_handle) ++(*m_resCounter); }
	// Destruktor
	~AutomaticHandle()
	{
		if(m_handle)
		{ if(!(--(*m_resCounter))) m_manager->ReleaseResource(m_handle); }
	}
	// Operator przypisania
	const AutomaticHandle& operator =(const AutomaticHandle& src)
	{
		if(m_handle)
		{ if(!(--(*m_resCounter))) m_manager->ReleaseResource(m_handle); }
		m_handle = src.m_handle;
		if(m_handle) ++(*(m_resCounter = src.m_resCounter));
		return src;
	}
	// Operator równości
	bool operator ==(const AutomaticHandle& src)
	{ return m_handle == src.m_handle; }
	// Operator różności
	bool operator !=(const AutomaticHandle& src)
	{ return m_handle != src.m_handle; }
	// Operator Dword
	operator NLib::Dword() const
	{ return m_handle; }
	// Operator bool
	operator bool() const
	{ return !!m_handle; }
 
private:
	// Uchwyt
	NLib::Dword m_handle;
	// Wskaźnik do managera
	MHandleMgr* m_manager;
	// Wskaźnik do licznika zasobu
	NLib::Dword* m_resCounter;
};

Kolejną klasą jest AutoHandleMgr, czyli klasa implementująca obsługę automatycznych uchwytów. Aktualnie tylko trzy funkcje są dostępne klasie pochodnej, w tym jedna dla uchwytów. Klasa ta posiada jedną funkcję abstrakcyjną, w której po zdefiniowaniu w klasie pochodnej należy usuwać odpowiednie zasoby zgodnie z przekazanym indeksem.

Oto jej definicja:

typedef unsigned int Dword;
 
class AutoHandleMgr
{
	// Unia do wyciągania informacji z uchwytu
	enum
	{
		// Rozmiary pól
		MAX_BITS_INDEX = sizeof(NLib::Dword) * 4,
		MAX_BITS_MAGIC = sizeof(NLib::Dword) * 4,
		// Maksymalne wartości pól
		MAX_INDEX = (1 << MAX_BITS_INDEX) - 1,
		MAX_MAGIC = (1 << MAX_BITS_MAGIC) - 1
	};
 
public:
	// Funkcja do zwracania uchwytu
	void ReleaseResource(NLib::Dword handle)
	{
		NAssert(GetIndex(handle) < m_magicValues.size(), "Wrong Handle");
		NAssert(CheckMagic(handle), "Wrong handle");
		DeleteHandleAt(GetIndex(handle));
		ReleaseResourceByIndex(GetIndex(handle));
	}
 
protected:
	// Funkcja tworzy nowy uchwyt i go zwraca
	// Index zawarty w uchwycie odpowiada indeksowi w tablicy z danymi
	// w odziedziczonej klasie
	NLib::Dword CreateNewHandle()
	{
		NLib::Dword handle;
		static NLib::Dword s_autoMagic = 0;
		if(++s_autoMagic > MAX_MAGIC) s_autoMagic = 1;	// 0 oznacza pusty uchwyt
		// Jeżeli nie ma wolnych miejsc to tworze nowy index
		if(m_freeSlots.empty())
		{
			handle = m_magicValues.size() << (MAX_BITS_INDEX - 1);
			m_magicValues.push_back(s_autoMagic);
		}
		else
		{
			handle = m_freeSlots.back() << (MAX_BITS_INDEX - 1);
			m_magicValues[m_freeSlots.back()] = s_autoMagic;
			m_freeSlots.pop_back();
		}
		handle |= s_autoMagic;
		return handle;
	}
	// Funkcja zwraca index
	NLib::Dword GetIndex(NLib::Dword handle)
	{ return (handle >> (MAX_BITS_INDEX - 1)) & MAX_INDEX; }
 
private:
	// Funkcja kasuje wskazany uchwyt
	void DeleteHandleAt(NLib::Dword index)
	{	m_freeSlots.push_back(index);
		m_magicValues[index] = 0; }
	// Funkcja zwraca część magiczną
	NLib::Dword GetMagic(NLib::Dword handle)
	{ return handle & MAX_MAGIC; }
	// Funkcja sprawdzająca wartośc magic
	bool CheckMagic(NLib::Dword handle)
	{	NAssert(GetIndex(handle) < m_magicValues.size(), "Wrong Handle");
		return GetMagic(handle) == m_magicValues[GetIndex(handle)]; }
 
private:
	// Funkcja dekrementująca licznik w zasobach
	virtual void ReleaseResourceByIndex(NLib::Dword index) = 0;
 
private:
	// Vector zawierający magiczne wartości
	std::vector m_magicValues;
	// Vector zawierający indeksy z wolnymi miejscami
	std::vector m_freeSlots;
};

W przypadku tego menadżera uchwyty muszą być usunięte przed nim, inaczej pojawią się błędy z dostępem do pamięci.

Właśnie mija tydzień od zakończenia dwutygodniowego pobytu w domu w czasie końcówki sesji i przerwy egzaminacyjnej. W tym czasie rozpocząłem przepisywania mojego „silnika” od nowa, tym razem w oparciu o interfejsy. Są one bardzo poręczne, gdy chce się ukryć implementację klas wewnątrz statycznych, bądź dynamicznych bibliotek. Głównym założeniem przy projektowaniu drugiej wersji NIne było właśnie ukrycie implementacji wewnątrz statycznej biblioteki .lib. Dzięki takiemu postępowaniu biblioteka wygląda ładnie i pozwala ładnie rozszerzać własną funkcjonalność.

Drugim zagadnieniem poruszanym w tej notce są uchwyty, które same zarządzają licznikiem danego zasobu.
Z początku implementację uchwytów opierałem na artykule znajdującym się w książce „Game Programming Gems”, jednak problemem okazało się zmuszenie tychże uchwytów do sprzątania po sobie zasobów. Na szczęście rozwiązanie okazało się proste, ponieważ wystarczyło umieścić w klasie uchwytu wskaźnik do menadżera zasobów.

Poniżej znajduje się moja implementacja takiego uchwytu:

template< typename TAG>
class AutomaticHandle
{
public:
	// Podstawowy konstruktor
	AutomaticHandle(Dword handle, MHandleMgr* manager) : m_handle(handle), m_manager(manager)
	{}
	// Konstruktor kopiujący
	AutomaticHandle(const AutomaticHandle& src) : m_manager(src.m_manager), m_handle(src.m_handle)
	{ m_manager->Copy(src.m_handle); }
	// Destruktor
	~AutomaticHandle()
	{ m_manager->Release(m_handle); }
	// Operator przypisania
	const AutomaticHandle& operator =(const ManagedHandle& src)
	{ m_manager->Release(m_handle);
	  m_handle = src.m_handle;
	  m_manager->Copy(src.m_handle);
	  return src; }
	// Operator Dword
	operator Dword() const
	{ return m_handle; }
	/*
	...
	*/
 
private:
	// Uchwyt
	Dword m_handle;
	// Wskaźnik do managera
	MHandleMgr* m_manager;
};

Jak widać klasa zawiera dodatkową zmienną – wskaźnik na klasę menadżera ustawiany przy konstrukcji. Klasa menadżera musi zawierać używane metody, które wewnątrz zarządzają licznikiem odwołań na dany zasób, a w momencie jego spadku do 0, likwidować dany zasób.

Gdy programuje się coś z użyciem funkcji wewnętrznych kompilatora (Intrinsics) dla SSE, najlepiej jest gdy to, co do nich przekazujemy jest wyrównanie do 16 bajtów, w przeciwnym wypadku powstaje problem z odczytaniem z pamięci i program się wysypuje. Oczywiście można korzystać z funkcji ładujących, które przyjmują dane niewyrównane, ale funkcje te są z oczywistych względów wolniejsze. Do ustawienia wyrównania danych pól stosuję się specjalną deklaracje __declspec(align(16)), którą należy umieścić przed definicją zmiennej (oczywiście dotyczy to Microsoft Visual Studio).

__declspec(align(16)) __m128 m_vector;

Niestety taka deklaracja dotyczy tylko obiektów na stosie. Te, które są tworzone na stercie, czyli przez operator new oraz operator new[], nie zawsze są wyrównane, dlatego trzeba zadbać o to samemu odpowiednio przeciążając te funkcje. Przeciążanie tych operatorów nie jest trudne. Oba przyjmują jako argument ilość potrzebnego miejsca wyrażoną w bajtach, a zwracają wskaźnik typu void, który zawiera adres odpowiedniego obszaru pamięci. Nagłówek jednego z tych operatorów wygląda następująco:

void* operator new(const size_t nBytes)

W ciele takiej funkcji należy zaalokować odpowiednią ilość miejsca, a następnie wyrównać wskaźnik tak, aby dzielił się przez 16. Dopiero ten wskaźnik można zwrócić. Należy oczywiście pamiętać o zapisaniu gdzieś poprzedniego wskaźnika oraz o alokacji pamięci tak, żeby po wyrównaniu nie wychodzić poza przydzielony zakres.
W przypadku mojej funkcji adres jest zapisany przed wyrównanym adresem (dzięki poradom kolegów z forum ), a ilość alokowanego miejsca jest większa o rozmiar alokowanej struktury + 3 bajty.

void* operator new(const size_t nBytes)
{
 char* ptr = new char[nBytes + sizeof(NVector) + 3];
 unsigned int temp = reinterpret_cast<unsigned int>(ptr);  // Konwersja na postać odpowiednią do obliczeń
 unsigned int t = temp % 16;   // Obliczam o ile jest przesunięty od wyrównania
 temp += (t &lt; 13) ? (16 - t) : (32 - t);  // Dodaje odpowiednie przesunięcie do wskaźnika
 void* aPtr = reinterpret_cast<void*>(temp); // Zapis nowego wskaźnika
 temp -= sizeof(void*);
 *reinterpret_cast<unsigned int*>(temp) = reinterpret_cast<unsigned int>(ptr); // Zapis poprzedniego wskaźnika
 return aPtr;
}

NVector jest klasą, w której umieściłem ten operator. Liczba 13 występująca przy porównywaniu w powyższym kodzie reprezentuje przesunięcie, dla którego nie jest możliwe zapisanie wskaźnika przed najbliższym wyrównaniem, dlatego trzeba dodać więcej. Operator new[]wygląda identycznie, dlatego można w nim wywołać powyższą funkcję. Odpowiednik delete dla tego operatora wygląda następująco:

void operator delete(void* p)
{
	unsigned int temp = reinterpret_cast<unsigned int>(p) - sizeof(void*);
	char* temp2 = reinterpret_cast<char*>(*reinterpret_cast<int*>(temp));
	delete[] temp2;
}

Powyższa funkcja oblicza poprzedni wskaźnik i korzystając z niego dealokuje obszar. Operator delete[] jest identyczny.

Zabawa w kodzie na niskim poziomie może być bardzo fajna, ja porównuję ją do rozwiązywania łamigłówek (myślę, że są osoby, które podzielają moje zdanie :)). Czasem ta zabawa sprowadza się zbadania, czy zmiana jednej funkcji assemblerowej powoduje przyspieszenie kodu o ten jeden cykl, chociaż jest to już skrajność. Przykładem tego może być funkcja obliczająca długość wektora 4D wykorzystująca funkcje wewnętrzne kompilatora – Intrinsics:

float Length()
{
   float f;
   __m128 temp = _mm_mul_ps(m_vector, m_vector);
   __m128 temp2 = _mm_add_ps(_mm_movehl_ps(temp, temp), temp);
   temp = _mm_shuffle_ps(temp2, temp2, _MM_SHUFFLE(0,0,0,1));
   _mm_store_ss(&f, _mm_sqrt_ss(_mm_add_ss(temp2, temp)));
   return f;
}

Powyższy kod jest najszybszą wersją jaką udało mi się uzyskać. Polega on na obliczeniu kwadratów wszystkich składowych, dodaniu ich do siebie oraz zpierwiastkowanie. Najbardziej pracochłonną częścią jest tutaj wbrew pozorom dodawanie, gdyż kwadrat składowych można załatwić jednym mnożeniem wektorowym. Dodawanie jednak rozbija się na dwie operacje dodawania oraz dwie operacje przemieszania, ponieważ SSE nie oferuje funkcji, która dodawałaby wszystkie elementy pojedynczego rejestru. Do wykonywania operacji przemieszania najczęściej stosuje się funkcje _mm_shuffle(), ponieważ pozwala ona dowolnie rozmieścić elementy w rejestrze. Rozszerzenie SSE umożliwia jednak wykonanie przemieszań za pomocą innych funkcji (_mm_unpackhi_ps(), _mm_unpacklo_ps(), _mm_movehl_ps(), _mm_movelh_ps()), które mieszają elementy tylko w określony sposób. W powyższym kodzie zastosowałem właśnie _mm_unpackhi(), ponieważ funkcja zapisuje elementy x i y na pozycji elementow z i w.

Inną sprawą jest, w jaki sposób kompilator radzi sobie z takim kodem. Otóż posiada on specjalnie zaprogramowane optymalizacje dla tego typu funkcji oraz typu __m128. Kompilator widząc te funkcje zamienia je na wywołania odpowiednich funkcji w kodzie assemblera, przy czym sam zarządza wykorzystaniem rejestrów xmm. Nie trzeba się zatem martwić o ilość zmiennych typu __m128, ponieważ nie wpływa to bezpośrednio na rejestry.