Cocos2d-x的多线程与异步加载实现详解

一、Cocos2d-x单线程特性及问题

Cocos2d-x是一个单线程循环的引擎，它通过每一帧更新游戏中各元素的状态，以此保证元素间互不干扰。从表面上看，程序似乎在并行运行，但实际上是串行过程。

例如，在游戏进行场景跳转时，通常需要释放当前场景的资源，并加载下一个场景的资源，这就涉及将下一个界面所需的纹理加载到内存中。此过程需要对资源文件进行读写操作，而外部存储操作十分耗时。若需要加载的图片数量多且分辨率高，很可能导致主线程阻塞。因为处理器无法在默认帧率（1/60秒）的短暂时间间隔内完成如此大的计算量，且程序仅存在一个线程，不会中断当前执行内容去执行其他内容，所以会出现界面帧率骤降甚至直接卡住的情况。

为了避免这类问题，Cocos2d-x在引擎中为开发者提供了异步加载功能。开发者可以向TextureCache发送异步加载文件的请求，TextureCache内部会创建一个新线程来完成耗时的纹理加载操作，而主线程则可继续执行其他计算。

除了资源加载，网络读写也是常见的耗时操作。因此，在客户/服务器系统中使用线程也较为普遍，例如HttpClient中的异步功能。

二、单核与多核

单核指设备只有一个处理器，多核则表示有多个处理器。目前的移动设备大多是双核或四核，如iPhone 6、三星Note 4；较老的设备，如iPhone 4的CPU则是单核。这里需要说明单核多线程与多核多线程的区别。

单核设备中的多线程

单核设备中的多线程是并发的。以单核双线程为例，当编写一段包含多个线程的代码并在iPhone 4上运行时，由于iPhone 4只有一个处理器，新创建的线程和主线程会相互交错运行。例如，将时间片划分为100毫秒，在当前的100毫秒内程序执行主线程，下一个100毫秒可能执行另一个线程，再过100毫秒又回到主线程。这样做的好处是不会让一个线程无限延迟，一旦时间片到，程序会强行中断当前线程去执行另一个线程。从宏观上看，它们似乎在同时执行，但实际上仍是分开执行的。

多核设备中的多线程

多核设备中的多线程可以是并行的或并发的。若将上述代码放到三星Note 4上执行，Note 4具有4核CPU，在这种多处理器设备上，两个线程可以各自占用一个处理器并独立执行，即同时运行而无需交错运行，这种状态称为并行状态。因此，并发实际上是一种伪并行状态，只是假装在同时执行多个操作。

三、线程安全问题

线程安全的概念

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。下面通过一个简单的例子来说明（这里使用POSIX线程的线程函数格式，理解大概意思即可）：

static int count = 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);
}
}

假设启动了两个线程，线程函数分别为A和B（为便于理解分开写，实际写一个线程函数让两个线程执行即可）。期望的控制台输出结果是123456789…… 但实际运行结果可能并非如此。由于不同线程的执行顺序不可预知，可能出现以下情况（假设设备是单核）：count的初始值为0，线程1执行到count += 1，此时count值变为1，本应输出1，但时间片结束，切换到线程2。线程2中的count值已为1，再做一次加1操作，变成2，然后执行print语句输出2。时间片结束后回到线程1，线程1继续执行输出语句，但由于count值已被线程2改变，此时屏幕输出结果可能是223456789… 当然，这种情况未必一定会出现，因为不同线程的执行顺序不可预知，每次执行结果可能不同，也许绝大多数情况下输出是正常的。这个例子表明，这样的情况线程是不安全的。

解决线程安全问题的方法

在上述例子中，count变量对于两个线程来说是共享数据，两个线程同时访问该共享数据可能会出现问题。解决这个问题最常用的方法是使线程“同步”，这里的同步并非指让线程步调一致地一起运行，而是让线程有先后次序地运行，即一个线程运行完后，另一个线程再运行。

实现线程同步最常用的方法是使相同数据的内存访问“互斥”进行。例如，当线程1对count进行加操作和输出操作时，线程2不允许访问count，线程2只能处于阻塞状态，等线程1对count的操作完成后，线程2才可以访问，一次只允许一个线程写数据，其他线程等待。

可以用一个生活中的例子来理解，假设我和你各代表一个线程，我要上厕所，进入厕所后会把门锁上，防止你占用。若你此时也想上厕所，只能在门口等我解锁离开后再使用。这里的锁就好比互斥量（互斥体）。可以通过对互斥量进行锁定和解除锁定，确保在某一时间段内只有一个线程能够操作这些数据。

在pthread中，互斥体类型用pthread_mutex_t表示，在C++ 11中可使用std::mutex。上述代码可改写为：

static int count = 0;  // count 是一个静态全局变量
/* 保护count操作的互斥体，PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER是对互斥体变量进行初始化的特殊值 */
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_unlock(&count_mutex);
}
}

除了互斥体，同步工具还有信号量和条件变量。因为互斥体有时虽能满足需求，但会浪费很多时间，使用这些工具可以实现更复杂的控制模式。

四、Cocos2d-x中使用多线程的注意事项

Cocos2d-x所使用的内存管理机制以及OpenGL的接口函数都不是线程安全的。因此，不要试图在除主线程之外的其他线程内调用引擎提供的内存管理方法，例如在新线程中创建精灵或层等元素，这些元素在create()方法中均会调用autorelease，而autorelease、retain和release都不是线程安全的。此外，OpenGL的上下文也不是线程安全的，所以也不要在新线程中使用OpenGL的绘制功能。

五、pthread多线程

pthread是一个多线程库，全称为POSIX线程，其API遵循国际正式标准POSIX。pthread线程库由C语言开发，可运行在多个平台上，包括Android、iOS和Windows。pthread中的所有线程函数和数据类型都在<pthread.h>头文件中声明，它曾是Cocos2d-x推荐使用的多线程库。但在3.x版本引入C++ 11的特性后，取消了对pthread库的引用，开发者可以使用标准库thread进行多线程编程。

六、异步加载

开发环境为Xcode + Cocos2d-x 3.3beta0版本，下面简单了解一下异步加载的过程。

可以使用一个Loading界面很好地实现资源的预加载，只有将资源全部加载到内存后，使用Sprite、ImageView创建对象时才不会出现卡顿现象。Cocos2d-x提供了addImageAsync()方法，该方法位于TextureCache类中，用于将图片异步加载到内存中。下面分析该方法的工作流程：

/* 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, 0, 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();
}

该方法涉及一个addImageAsyncCallBack方法，用于检查异步加载完成后的纹理，第一次调用addImageAsync时会开启该方法：

void TextureCache::addImageAsyncCallBack(float dt) {
// _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(); // 锁定互斥体
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
const std::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);
#if CC_ENABLE_CACHE_TEXTURE_DATA
// cache the texture file name
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 {
auto it = _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
delete asyncStruct;
delete imageInfo;
// 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);
}
}
}

加载成功后，只需在调用addImageAsync()方法时指定的回调函数中设置进度条百分比即可。例如：

bool HelloWorld::init() {
// 1. super init first
if (!Layer::init()) {
return false;
}
/* 异步加载纹理 */
for (int i = 0; i < 10; i++) {
Director::getInstance()->getTextureCache()->addImageAsync("HelloWorld.png", CC_CALLBACK_1(HelloWorld::imageLoadedCallback, this));
}
return true;
}

void HelloWorld::imageLoadedCallback(Ref* pSender) {
// 每次成功加载一个纹理 就可以在这里回调方法里设置进度条的进度了 所有纹理加载完成 就跳转界面
}

这里还有很多细节未具体分析，开发者可根据实际需求进一步研究。