游戏编程模式：对象池模式深度解析-优快云博客

游戏编程模式：对象池模式深度解析

game-programming-patterns Source repo for the book 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/ga/game-programming-patterns

引言

在游戏开发中，性能优化和内存管理是永恒的话题。今天我们要探讨的是对象池模式（Object Pool Pattern），这是一种在游戏开发中广泛使用的优化技术。该模式通过预先分配和重复使用对象，有效解决了频繁创建销毁对象带来的性能问题和内存碎片问题。

什么是对象池模式

核心概念

对象池模式的核心思想是预先创建一组可重用对象，并在需要时从池中获取，使用完毕后归还池中，而非直接销毁。这种方式避免了频繁的内存分配和释放操作。

适用场景

频繁创建销毁对象：如粒子系统中的火花、投射物等
对象大小相近：便于内存管理
内存分配成本高：避免内存碎片和分配延迟
资源昂贵：如数据库连接、网络连接等

为什么需要对象池

内存碎片问题

在游戏主机或移动设备上，内存碎片是致命问题。当内存被分割成许多小块时，即使总空闲内存足够，也可能因没有足够大的连续空间而分配失败。

性能考量

频繁的内存分配和释放操作会导致：

分配速度变慢
内存碎片增加
可能导致游戏崩溃（特别是在长时间运行的"浸泡测试"中）

对象池的实现

基础实现

最简单的对象池包含：

预分配的对象数组
标记对象是否可用的方法
获取和归还对象的接口

class Particle {
public:
    Particle() : framesLeft_(0) {}
    
    void init(double x, double y, double xVel, double yVel, int lifetime) {
        // 初始化粒子
    }
    
    bool animate() {
        if (!inUse()) return false;
        // 更新粒子状态
        return --framesLeft_ == 0;
    }
    
    bool inUse() const { return framesLeft_ > 0; }

private:
    int framesLeft_;
    // 其他粒子属性...
};

class ParticlePool {
public:
    void create(double x, double y, double xVel, double yVel, int lifetime) {
        // 查找并初始化可用粒子
    }
    
    void animate() {
        for (int i = 0; i < POOL_SIZE; ++i) {
            if (particles_[i].animate()) {
                // 粒子生命周期结束，标记为可用
            }
        }
    }

private:
    static const int POOL_SIZE = 100;
    Particle particles_[POOL_SIZE];
};

优化：空闲列表

基础实现中查找可用粒子需要遍历整个数组，时间复杂度为O(n)。通过空闲列表（Free List）优化，可以将时间复杂度降为O(1)。

union ParticleState {
    struct {
        double x, y, xVel, yVel;
    } live;
    Particle* next;
};

class Particle {
    // ...
private:
    int framesLeft_;
    ParticleState state_;
};

class ParticlePool {
public:
    ParticlePool() {
        // 初始化空闲列表
        firstAvailable_ = &particles_[0];
        for (int i = 0; i < POOL_SIZE - 1; ++i) {
            particles_[i].state_.next = &particles_[i + 1];
        }
        particles_[POOL_SIZE - 1].state_.next = nullptr;
    }
    
    void create(double x, double y, /* ... */) {
        // 直接从空闲列表获取粒子
        Particle* newParticle = firstAvailable_;
        firstAvailable_ = newParticle->state_.next;
        
        newParticle->init(x, y, /* ... */);
    }
    
    // ...
private:
    Particle* firstAvailable_;
};