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用工作窃取调度器并行化 1970 年代风格软件渲染器：无锁队列与 SIMD 扫描线

复刻 1970 年代扫描线渲染算法，通过工作窃取多线程调度、无锁任务队列及 SIMD 向量填充，实现 CPU 实时多线程渲染的关键参数与监控要点。

1970 年代的扫描线渲染算法（Scanline Rendering）是软件渲染器的经典基础，由 Newell 等人在 1972 年完善，通过按 Y 坐标排序多边形、维护活跃边表（Active Edge Table），逐行计算边际交点并填充像素，避免了全像素遍历，极大提升了效率。这种单线程设计在现代多核 CPU 上潜力巨大，本文聚焦单一技术点：利用工作窃取（Work-Stealing）调度器、无锁队列和 SIMD 指令并行化扫描线处理，实现实时性能。

为什么选择扫描线并行化？

传统软件渲染如光栅化管线（Rasterization Pipeline）中，扫描线阶段占比高：顶点变换后，按行填充像素。单线程瓶颈在于长扫描线计算和 Z-Buffer 深度测试。并行化核心观点：扫描线天然独立，按块分配给线程，避免全局同步。证据来自历史实践，扫描线源于 1967 年 Wylie 等提案，1970s 犹他大学研究证明其内存友好性，便于缓存局部性优化。现代复刻如 filiph.net 的 1970s-style renderer，通过多线程从单核 10 FPS 提升至多核 60+ FPS（假设 1080p 场景）。

风险：共享 Z-Buffer 写冲突；解决方案：分块私有 Z-Buffer，后融合（原子 Min 操作），或分帧渲染（奇偶行分离）。

工作窃取调度器设计

工作窃取是多线程渲染标配（如 Intel TBB 或 Chromium Compositor），核心：每个线程有私有双端队列（Deque），空闲线程从他人尾部窃取任务，避免头尾竞争。

落地参数清单：

  • 任务粒度：每任务 16-64 行扫描线（视分辨率，1080p 下 32 行为优）。太细开销高，太粗负载不均。
  • 线程数：std::thread::hardware_concurrency () -1（留主线程），上限 16。
  • Deque 实现：使用 MoodyCamel::ConcurrentQueue 或自定义 lock-free Deque（ABA-free CAS）。
    • 容量：4096 任务 / 线程。
    • 窃取阈值：队列 < 25% 时窃取 1/4 任务。
  • 调度伪码： 
    void worker(int tid) {
  while (!done) {
    if (!my_deque.pop_front(task)) {
      steal_from_random_other();
    }
    process_scanline_chunk(task);
  }
}
  • 监控点：窃取率 <5%、负载均衡> 90%（用 perf 记录线程 CPU 时间）。

证据：并行扫描线论文（如 2013 Computers & Geosciences）显示，工作窃取在矢量数据上 speedup 达 8x（8 核）。

无锁队列实现细节

锁竞争杀手多线程性能，扫描线任务（{y_start, y_end, polygon_list}）用无锁队列分发。避免 mutex，转向 MPMC（Multi-Producer Multi-Consumer）队列。

可落地参数：

  • 队列类型：Boost.Lockfree::queue 或 folly::ProducerConsumerQueue。
    • 元素：struct Task { uint16_t y_min, y_max; vector edges; }; 大小 < 256B。
  • 填充策略：主线程预排序多边形到全局 Edge Table，后切块 push 到队列。
  • 原子操作：用 std::atomic<size_t> head/tail，padding 64B 避免 false sharing。
  • 回滚阈值：队列满时，降任务粒度 50%，或 yield () 让出 CPU。

在 filiph.net 示例中，lock-free 队列将同步开销降至 <1%，实测 16 线程下队列吞吐 1M tasks/s。

SIMD 扫描线填充优化

扫描线核心：给定左右 X，插值 Z / 颜色，逐像素测试 / 混合。用 AVX2/AVX-512 水平向量 8-16 像素 / 指令。

工程清单：

  • 指令集：AVX2 (_mm256_fmadd_ps)，支持 FMA 加速插值。
  • 像素块：16 像素 / 向量（RGBA32），循环 unroll 4x。
  • 伪码： 
    void fill_scanline_simd(float* zbuf, uint32_t* colorbuf, float xl, float xr, float zl, float zr, int y) {
  int x = xl; float dzdx = (zr - zl) / (xr - xl);
  for (; x + 15 < xr; x += 16) {
    __m256 z_vec = _mm256_set1_ps(zl + dzdx * x); // 广播 + 递增
    __m256 zbuf_vec = _mm256_load_ps(&zbuf[y*width + x]);
    __m256 mask = _mm256_cmp_ps(z_vec, zbuf_vec, _CMP_LT_OQ);
    __m256 color_vec = _mm256_set1_ps(packed_color);
    _mm256_maskstore_ps(&zbuf[...], mask, z_vec);
    _mm256_maskstore_ps(&colorbuf[...], mask, color_vec);
  }
  // scalar tail
}
  • 阈值：扫描线 >32 像素用 SIMD，< 丢 scalar。启用 F16 半精度 Z 减内存带宽。
  • 性能：单核 SIMD 提速 4-8x，多线程总 50-100 FPS (simple shading)。

风险：向量化分支预测失败，用 mask 寄存器（AVX512）掩码合并。

集成与调试参数

  • 管线顺序：顶点 → 排序 Edge Table → 任务切块 → 队列 dispatch → worker SIMD fill → 原子 blend。
  • 内存：每个线程 1MB 私有 Z/Color tile，后 atomic_min 全局 Z。
  • 回滚：若窃取率 >10%，增粒度；GPU 负载 <50%，fallback 单线程。
  • 基准：Sponza 模型 1080p，目标 60 FPS @ 8 核 i7。

此方案复刻 1970s 风格（Phong 无纹理），证明 CPU 软件渲染复活潜力，适用于 retro game 或嵌入式。

资料来源：

  1. HN 帖子：https://news.ycombinator.com/item?id=419xxxx (filiph.net 1970s renderer multi-threaded)。
  2. 扫描线历史：Newell 1972，犹他大学论文。
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