限制 CPU 線程以獲得更好的游戲性能

許多 PC 游戲都圍繞 8 核游戲機進行設計，并假設其軟件線程系統在所有 PC 上都“正常工作”，尤其是在工作線程池中的線程數量方面。不久前，大多數 PC 的核心數量與游戲機相似時，這是一個合理的假設：CPU 的速度更快，性能只是擴展。

但近年來，CPU 格局發生了變化，現在有一個復雜的性能變量矩陣需要導航：

• 核心數量增加
• Intel 推出的異構 P/E 核心
• AMD 的非對稱緩存
• 更復雜的調度算法
• Microsoft 等操作系統供應商提供的電源管理技術

這種復雜性意味著先前的線程計數確定算法(及其衍生算法)已不再足夠：

這種傳統的線程數量確定算法基于邏輯核心數量，并為關鍵線程保留了兩個核心。

當核心數量超過某個點時，許多受 CPU 限制的游戲實際上會降低性能，因此額外線程并行性的優勢會被開銷所抵消。

例如，在擁有 8 個以上物理核心的高端桌面系統中，一些游戲通過將其工作池的線程數量減少到 CPU 核心數量，可實現高達 15%的性能提升。

造成性能下降的原因十分復雜且多種多樣。如果一款游戲的性能下降 10%，另一款游戲在同一系統上的性能就會提升 10%，這就凸顯了在所有游戲和所有系統中提供一刀切解決方案的難度。

相反，游戲的線程數量應根據工作負載量身定制。輕量級 CPU 工作負載應使用更少的線程。

性能解決方案

如果您的游戲在核心數較高的機器上的性能未按預期擴展，甚至可能會降低其性能，則可能存在以下常見原因：

• 硬件性能：核心數較高的 CPU 有時會降低 CPU 速度。減少線程數量可以提高活動核心的頻率。
• 硬件資源爭用：減少線程數量通常可以減輕內存子系統的壓力，減少延遲并提高 CPU 緩存的效率，特別是在沒有統一 L3 緩存的基于小芯片的架構中。在不同的小芯片上執行線程會導致高緩存抖動。
  • 在單個物理核心的兩個邏輯核心（超線程或同步多線程）上執行線程會增加延遲，因為兩個線程必須共享物理資源（緩存、指令管線等）。如果關鍵線程共享物理核心，則其性能可能會下降。針對物理核心數量而不是邏輯核心數量，有助于在核心數量更大的系統上減少延遲。
• 軟件資源競爭：當多個線程同時訪問時，鎖和原子操作會有更高的延遲，這會增加內存壓力。錯誤共享會使這種情況更加嚴重。
• 操作系統調度問題：線程對活動核心的超額訂閱會導致大量上下文交換，這可能會非常昂貴，并可能給 CPU 內存子系統帶來額外壓力。
  • 在具有 P/E 核心的系統上，工作將首先調度到物理 P 核心，然后是 E 核心，最后是超線程邏輯 P 核心。通過使用比總物理核心更少的線程，可以在 E 核心上執行后臺線程（例如操作系統線程），而不會中斷在 P 核心上運行的關鍵線程。具體方法是在其兄弟邏輯核心上執行。
• 電源管理：減少線程數量可以使更多核心保持活動狀態，從而節省電量，并可能允許剩余核心以更高的頻率運行。
  • 核心停用對高線程數量很敏感，這會導致短時間爆發的線程無法觸發啟發式取消核心停用的的問題。運行時間越長，線程越少有助于核心停用算法。

此擴展問題有多種解決方案，具體取決于問題的根本原因：

• 線程數量的動態負載均衡
• 可隨核心數量擴展的無鎖定線程模型
• 使用 QoS 和線程優先級 API 幫助將線程引導到特定核心
• 其他解決方案 … …

最簡單的方法可能是找到游戲實際需要的線程數量，然后讓操作系統有效地調度線程。

圖 1 顯示，減少游戲使用的線程數量可能會減少部分開銷(通常來自關鍵線程)，這可能會直接提高游戲性能。

在不同的系統上以不同的設置和線程數測試您的游戲。您可能會發現線程計數的最佳點或適合您游戲的少量最佳點。

請務必測試超線程，以確定在列舉不同系統上的線程時，您是否應與物理核心或邏輯核心保持一致。超線程通常有助于低核心數量系統，這些系統沒有足夠的物理核心來高效執行工作負載，但可能會影響更大的核心數量系統的性能。

您的測試可能會生成經修改的算法，您可以在其中定制max_thread_count修改了以下線程數量確定算法，將線程數量限制在預定義的最大值內：

如果max_thread_count已添加到您的游戲 。ini 文件中，您的 IHV 合作伙伴、QA 團隊和游戲玩家都可以輕松找到適合自己 PC 設置的線程數量，以確保實現更高的性能。

總結

CPU 性能問題和工作線程數量是性能方程中不可或缺的一部分。在 CPU 矩陣上測量游戲的 CPU 性能并調整線程數量以適應工作負載是簡單的優化，可以產生巨大的兩位數性能提升。

在 .ini 文件中覆蓋線程數，可確保游戲玩家找到合適的值，從而更大限度地提高 PC 性能。

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