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多執行緒學習(哲學家進餐,生產者消費者模式)

2021-05-05 09:36:17 其他

多執行緒學習(哲學家進餐,生產者消費者模式)

在C++11的多執行緒編程中,我們首先來看一個最簡單的多執行緒的模型:

#include <iostream>
#include <thread>

void printHello() {
	std::cout << "hello world!" << "this is child thread!"<<std::endl;
}

int main() {
	std::thread t(printHello);
	//std::thread t([](){printHello();});
	std::cout << "this is main thread!" << std::endl;
	if (t.joinable()) {
		t.join();
	}
	return 0;
}

此時,我們有兩個執行緒來完成作業,一個主執行緒主要負責輸出“this is main thread!",另一個子執行緒負責輸出"hello world!this is child thread!",我們可以運行以下,看看輸出結果:
在這里插入圖片描述
這個就是多執行緒下的hello world!
接下來,為了體現多執行緒的高并發,我們以一個簡單的例子來表現,有下面一段程式:

#include <iostream>
#include <thread>
#include <vector>
#include <cstdlib>
#include <atomic>

class Counter {
public:
	void addCount() { m_count++; }
	Counter() : m_count(0) {}
	~Counter() {}
	int count() const { return m_count; }
private:
	int m_count;
};

void realwork(Counter& c, int times) {
	for (int i = 0; i != times; ++i) {
		c.addCount();
	}
}

int main() {
	Counter c;
	int times = 1000000;
	for (int i = 0; i < times; i++) {
		c.addCount();
	}
	std::cout << "this is singal thread!  count = " << c.count() << std::endl;

	Counter thread_c;
	std::thread t([&thread_c,times] {
		realwork(thread_c,times/2);
		});
	realwork(thread_c,times/2);
	if (t.joinable()) {
		t.join();
	}
	std::cout << "this is multipy thread!   thread_count = " << thread_c.count() << std::endl;
	return 0;
}

我們定義了一個Counter類,專門用來計數,然后在主執行緒中,計數100萬次,然后在子執行緒中分別計數50萬次,運行結果如下:
在這里插入圖片描述
我們可以看到,在單執行緒中,確實計數了100萬次,而在多執行緒中只計數了85萬次,問題的原因其實很簡單,就是在于我們的m_count執行++操作時,主要是,首先從暫存器中讀取m_count,再將m_count+1,最后將值重新寫入暫存器,然而在并發程式下,我們可能還沒有來得及寫入暫存器,另一個執行緒就寫入了,導致我們寫入的值會減少,這就是為什么我們多執行緒下的計數次數小于單執行緒下,
也就是說,對于全域變數,或者說執行緒中共有的資源,我們在多執行緒下要將他進行單獨訪問!防止我們在訪問的時候,別的執行緒對該值進行了修改,
那么我們應該如何來實作這一點呢?
簡單來說,有兩種方法!
1. 在C++11中提供了原子操作,在atomic庫中,我們只需要將Counter類中m_count改成原子,見如下代碼:

class Counter {
public:
	void addCount() { m_count++; }
	Counter() : m_count(0) {}
	~Counter() {}
	int count() const { return m_count; }
private:
	std::atomic<int> m_count;
};

我們改變了私有成員m_count,這樣運行的結果就不會有問題,原子操作就完美地實作了執行緒的單獨操作!但是這種原子操作,我們只能對單一變數進行單獨訪問,不太方便,接下來引入鎖的概念,
2.使用互斥鎖mutex
互斥鎖mutex存在頭檔案mutex中,也就是說,我們可以在將要進行的執行緒操作鎖住,不讓別的執行緒進行訪問,知道我們當前執行緒釋放鎖,別的執行緒才可以訪問,代碼實作如下(主函式main不變):

class Counter {
public:
	
	void addCount() { m.lock(); m_count++; m.unlock();}
	Counter() : m_count(0) {}
	~Counter() {}
	int count() const { return m_count; }
private:
	int m_count;
	std::mutex m;
};

void realwork(Counter& c, int times) {
	for (int i = 0; i != times; ++i) {
		c.addCount();
	}
}

注意到,我們在m_count前后加了鎖和釋放鎖,這樣就實作了對m_count的單獨操作,以上兩種方法運行結果如下:
在這里插入圖片描述
特別注意的是,我們在使用鎖的時候,一定要成對的使用,如果只是單純的鎖住,其他的執行緒長時間得不到資源,就會導致執行緒餓死,事實上,mutex的操作時很難的,我們在實際開發中很容易出錯,一是鎖的沒有成對呼叫,二是鎖所鎖住的位置不對,
為了確保鎖的成對呼叫,我們可以聯想到類的默認建構式和解構式,我們清楚,如果一個類被構造出來,那么在程式結束前就一定會呼叫解構式,如果我們的代碼寫的沒問題的話,就不會出錯,所以以上代碼可以這么修改:

template <typename T>
class Lock {
	T& m_mutex;
public:
	Lock(T& mutex) : m_mutex(mutex) { m_mutex.lock(); }
	~Lock() { m_mutex.unlock(); }
};

class Counter {
public:
	void addCount() { Lock<std::mutex> lock(m); m_count++; }
	Counter() : m_count(0) {}
	~Counter() {}
	int count() const { return m_count; }
private:
	int m_count;
	std::mutex m;
};

我們可以看到,我們新加入了一個模板類,在默認建構式中,進行了鎖住,在解構式中釋放鎖,這樣就可以較好地實作鎖的成對呼叫,但是事實上,在C++11中,以及由封裝好了鎖類供我們使用lock_guard,當然C++11給我們提供的肯定更好,但是它的功能可以理解成我上面的Lock類
具體代碼實作如下:

class Counter {
public:
	void addCount() { std::lock_guard<std::mutex> lock(m); m_count++; }
	Counter() : m_count(0) {}
	~Counter() {}
	int count() const { return m_count; }
private:
	int m_count;
	std::mutex m;
};

這樣實作出來的多執行緒就比較好,保證了鎖的成對使用,也給別的人在呼叫的時候隨意更改我們鎖的位置,他們只需要呼叫相應的介面就可以了,

上面比較全面地講述了互斥鎖的使用,接下來我們來講解讀寫鎖的使用!
比如有兩個銀行賬戶,一個是Tom,一個是Jerry,我們在多執行緒下實作Tom向Jerry的賬戶里賺錢!我們該如何實作呢?那我們不是只需要把Tom和Jerry的賬戶分別鎖住操作不就可以了嗎?
先來看看錯誤的代碼:

#include <iostream>
#include <thread>
#include <vector>
#include <mutex>

class BankAccount {
public:
	int Account;
	std::mutex m_mutex;
	BankAccount(int account) : Account(account) {}
};

void transferMoney(BankAccount& a, BankAccount& b, int money) {
	//自己向自己的賬戶賺錢
	if (&a == &b) return;
	std::lock_guard<std::mutex> lockA(a.m_mutex);
	std::lock_guard<std::mutex> lockB(b.m_mutex);
	//自己的賬戶錢不夠
	if (a.Account < money) return;
	a.Account -= money;
	b.Account += money;
}

int main() {
	int money = 10;
	BankAccount Tom(100);
	BankAccount Jerry(100);
	std::thread t1([&Tom, &Jerry, money] {
		transferMoney(Tom, Jerry, money);
	});

	std::thread t2([&Tom, &Jerry, money] {
		transferMoney(Jerry, Tom, money+30);
	});
	if (t1.joinable()) {
		t1.join();
	}
	if (t2.joinable()) {
		t2.join();
	}
	std::cout << "Tom has " << Tom.Account << std::endl;
	std::cout << "Jerry has " << Jerry.Account << std::endl;
	return 0;
}

我們可以看到首先Tom向Jerry轉了10塊錢,然后Jerry向Tom轉了40塊錢,按理說,Jerry和Tom的賬戶余額分別是70和130,但是在某一種情況下運行結果會是這樣的!
在這里插入圖片描述
程式一直卡在這地方,這是為什么呢?
我們可以這么想,我們有兩個執行緒來實作轉賬,在高并發的情況下,執行緒一和執行緒二同時進行,首先Tom向Jerry轉,把Tom的賬戶鎖住了,此時還沒來得及鎖住Jerry的賬戶,第二個執行緒就把Jerry的賬戶鎖住了,此刻執行緒一需要執行緒二的鑰匙,而執行緒二需要執行緒一的鑰匙,所以就發生的死鎖現狀,
那么我們應該如何來避免這種情況呢?我們只需要這么做,也就是說,賬戶要么誰都不鎖,要么兩個都一起鎖住,

void transferMoney(BankAccount& a, BankAccount& b, int money, std::mutex& m) {
	if (&a == &b) return;
	m.lock();
	std::lock_guard<std::mutex> lockA(a.m_mutex);
	std::lock_guard<std::mutex> lockB(b.m_mutex);
	m.unlock();
	if (a.Account < money) return;
	a.Account -= money;
	b.Account += money;
}

int main() {
	int money = 10;
	BankAccount Tom(100);
	BankAccount Jerry(100);
	std::mutex m;
	std::thread t1([&Tom, &Jerry, money, &m] {
		transferMoney(Tom, Jerry, money, m);
	});

	std::thread t2([&Tom, &Jerry, money, &m] {
		transferMoney(Jerry, Tom, money+30, m);
	});
	if (t1.joinable()) {
		t1.join();
	}
	if (t2.joinable()) {
		t2.join();
	}
	std::cout << "Tom has " << Tom.Account << std::endl;
	std::cout << "Jerry has " << Jerry.Account << std::endl;
	return 0;
}

要么一個都不鎖,要么兩個都鎖住,這樣代碼就可以順利跑下去,運行結果如下:
在這里插入圖片描述
這樣就沒有任何問題,但是我們仔細看剛才的代碼,我們前面說過,我們應該盡量減少手動操作鎖的情況,好在C++11中為我們提供了專門的函式實作了對多個鎖的同時鎖定,具體實作如下:

 void transferMoney(BankAccount& a, BankAccount& b, int money, std::mutex& m) {
	if (&a == &b) return;
	std::lock(a.m_mutex, b.m_mutex);
	std::lock_guard<std::mutex> lockA(a.m_mutex, std::adopt_lock);
	std::lock_guard<std::mutex> lockB(b.m_mutex, std::adopt_lock);
	if (a.Account < money) return;
	a.Account -= money;
	b.Account += money;
}

接下來我們可以看幾個leetcode上多執行緒編程的一些實戰:
在這里插入圖片描述
我們有4個執行緒同時呼叫,來交替列印,我們可以使用鎖和條件變數來實作,
使用條件變數condition_variable,condition_variable中提供了wait函式

void wait(std::unique_lock<std::mutex>&_lck, _Predicate _Pred);

其中_Predicate可以加入lamda運算式,在lamda運算式中回傳true時,程式繼續向下運行,否則執行緒會被阻塞,另外提供了notify_one和notify_all函式來喚醒一個執行緒和所有其他被阻塞的執行緒

先看一個錯誤的例子:

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>

class FizzBuzz {
private:
    int n;
    std::mutex m;
    std::condition_variable cv;
    bool fizz_flag = false;
    bool buzz_flag = false;
    bool fizzbuzz_flag = false;
public:
    FizzBuzz(int n) {
        this->n = n;
    }
    void printFizz();
    void printBuzz();
    void printFizzBuzz();
    void printNumber(int x);
    void fizz();
    void buzz();
    void fizzbuzz();
    void number();
};

void FizzBuzz::printFizz() {
    std::cout << " Fizz ";
}

void FizzBuzz::printBuzz() {
    std::cout << " Buzz ";
}

void FizzBuzz::printFizzBuzz() {
    std::cout << " FizzBuzz ";
}

void FizzBuzz::printNumber(int x) {
    std::cout << x ;
}

void FizzBuzz::fizz() {
    for (int i = 1; i <= n; i++) {
        if (i % 3 == 0 && i % 5 != 0) {
            std::unique_lock<std::mutex> lock(m);
            cv.wait(lock, [this] {
                return fizz_flag;
            });
            printFizz();
            fizz_flag = true;
            cv.notify_one();
        }
    }
}

void FizzBuzz::buzz() {
    for (int i = 1; i <= n; i++) {
        if (i % 3 != 0 && i % 5 == 0) {
            std::unique_lock<std::mutex> lock(m);
            cv.wait(lock, [this] {
                return buzz_flag;
                });
            printBuzz();
            buzz_flag = true;
            cv.notify_one();
        }
    }
}

void FizzBuzz::fizzbuzz() {
    for (int i = 1; i <= n; i++) {
        if (i % 3 == 0 && i % 5 == 0) {
            std::unique_lock<std::mutex> lock(m);
            cv.wait(lock, [this] {
                return fizzbuzz_flag;
                });
            printFizzBuzz();
            fizzbuzz_flag = true;
            cv.notify_one();
        }
    }
}

void FizzBuzz::number() {
    for (int i = 1; i <= n; i++) {
        if (i % 3!= 0 && i % 5 != 0) {
            std::unique_lock<std::mutex> lock(m);
            cv.wait(lock, [this] {
                return !fizzbuzz_flag && !fizz_flag && !buzz_flag;
                });
            printNumber(i);
            fizzbuzz_flag = true;
            fizz_flag = true;
            buzz_flag = true;
            cv.notify_one();
        }
    }
}

int main() {
    FizzBuzz f(15);
    std::thread t[4];
    t[0] = std::thread([&] {f.fizz();});
    t[1] = std::thread([&] {f.buzz(); });
    t[2] = std::thread([&] {f.fizzbuzz(); });
    t[3] = std::thread([&] {f.number(); });
    for (auto& cur : t) {
        if (cur.joinable()) {
            cur.join();
        }
    }
    return 0;
}

我們設定三個標記位,分別來標記列印Fizz,Buzz,FizzBuzz,初始階段全為false,所以在各自的行程中都會在wait中回傳false,故等待,只有number函式可以往下執行,number函式執行結束后將每個標志位置為true,導致其他的行程被喚醒,立馬就列印,這樣列印出來的不僅時錯的,還會發生死鎖,輸出結果見下圖:
在這里插入圖片描述
那么,我們該如何處理呢?確實我們只需要用一個count來模擬n的變化就可以了,代碼如下:

void FizzBuzz::fizz() {
    while (count <= n) {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(m);
        cv.wait(lock, [this] {return count > n || (count % 3 == 0 && count % 5 != 0); });
        if (count > n) return;
        printFizz();
        count++;
        cv.notify_all();
    }
}

void FizzBuzz::buzz() {
    while (count <= n) {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(m);
        cv.wait(lock, [this] {return count > n || (count % 3 != 0 && count % 5 == 0); });
        if (count > n) return;
        printBuzz();
        count++;
        cv.notify_all();
    }
}

void FizzBuzz::fizzbuzz() {
    while (count <= n) {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(m);
        cv.wait(lock, [this] {return count > n || (count % 3 == 0 && count % 5 == 0); });
        if (count > n) return;
        printFizzBuzz();
        count++;
        cv.notify_all();
    }
}

void FizzBuzz::number() {
    while (count <= n) {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(m);
        cv.wait(lock, [this] {return count > n || (count % 3 != 0 && count % 5 != 0); });
        if (count > n) return;
        printNumber(count);
        count++;
        cv.notify_all();
    }
}

代碼輸出結果如下:
在這里插入圖片描述
沒有任何問題,

最后我們來看一個學習作業系統中的經典問題,哲學家進餐問題:
在這里插入圖片描述
哲學家進餐問題有三種解決方案:
1.限制哲學家們的就餐數量
2.要么不拿筷子,要么就同時拿兩只筷子
3.限制就餐策略

這里我們僅僅對第二種方法進行實作,具體代碼如下:

#include <cstdio>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>

class DiningPhilosophers {
    std::condition_variable cv;
    std::mutex m;
    bool is_used[5];
public:
    DiningPhilosophers() {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            is_used[i] = true;
        }
    }
    void pickLeftFork(int philosopher);
    void pickRightFork(int philosopher);
    void eat(int philosopher);
    void putLeftFork(int philosopher);
    void putRightFork(int philosopher);
    void wantsToEat(int philosopher);
};

void DiningPhilosophers::pickLeftFork(int philosopher) {
    printf("第%d個哲學家拿起了左邊的筷子\n", philosopher);
}

void DiningPhilosophers::pickRightFork(int philosopher) {
    printf("第%d個哲學家拿起了右邊的筷子\n", philosopher);
}

void DiningPhilosophers::eat(int philosopher) {
    printf("第%d個哲學家正在用餐\n", philosopher);
}

void DiningPhilosophers::putLeftFork(int philosopher) {
    printf("第%d個哲學家放下了左邊的筷子\n", philosopher);
}

void DiningPhilosophers::putRightFork(int philosopher) {
    printf("第%d個哲學家放下了右邊的筷子\n", philosopher);
}


void DiningPhilosophers::wantsToEat(int philosopher) {
    int left = philosopher;
    int right = (philosopher + 1) % 5;
    std::unique_lock<std::mutex> lock(m);
    cv.wait(lock, [&] {return is_used[left] && is_used[right]; });
    pickLeftFork(philosopher);
    pickRightFork(philosopher);
    is_used[left] = false;
    is_used[right] = false;
    eat(philosopher);
    putLeftFork(philosopher);
    putRightFork(philosopher);
    is_used[left] = true;
    is_used[right] = true;
    cv.notify_all();
}

int main() {
    DiningPhilosophers f;
    std::thread t[5];
    t[0] = std::thread([&] {f.wantsToEat(1);});
    t[1] = std::thread([&] {f.wantsToEat(2); });
    t[2] = std::thread([&] {f.wantsToEat(3); });
    t[3] = std::thread([&] {f.wantsToEat(4); });
    t[4] = std::thread([&] {f.wantsToEat(5); });
    for (auto& cur : t) {
        if (cur.joinable()) {
            cur.join();
        }
    }
    return 0;
}

我們定義一個bool陣列來判斷筷子是否被拿起,起初筷子都沒有被拿起,然后一旦拿起,就是拿一雙筷子,所以要判斷is_used[left] && is_used[right],拿起筷子后置為false,吃完放下筷子置為true,利用condition_variable完成代碼實作,輸出結果如下:
在這里插入圖片描述

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    uj5u.com 2020-09-10 02:01:03 more
  • 【CTF】CTFHub 技能樹 彩蛋 writeup

    ?碎碎念 CTFHub:https://www.ctfhub.com/ 筆者入門CTF時時剛開始刷的是bugku的舊平臺,后來才有了CTFHub。 感覺不論是網頁UI設計,還是題目質量,賽事跟蹤,工具軟體都做得很不錯。 而且因為獨到的金幣制度的確讓人有一種想去刷題賺金幣的感覺。 個人還是非常喜歡這個 ......

    uj5u.com 2020-09-10 02:04:05 more
  • 02windows基礎操作

    我學到了一下幾點 Windows系統目錄結構與滲透的作用 常見Windows的服務詳解 Windows埠詳解 常用的Windows注冊表詳解 hacker DOS命令詳解(net user / type /md /rd/ dir /cd /net use copy、批處理 等) 利用dos命令制作 ......

    uj5u.com 2020-09-10 02:04:18 more
  • 03.Linux基礎操作

    我學到了以下幾點 01Linux系統介紹02系統安裝,密碼啊破解03Linux常用命令04LAMP 01LINUX windows: win03 8 12 16 19 配置不繁瑣 Linux:redhat,centos(紅帽社區版),Ubuntu server,suse unix:金融機構,證券,銀 ......

    uj5u.com 2020-09-10 02:04:30 more
  • 05HTML

    01HTML介紹 02頭部標簽講解03基礎標簽講解04表單標簽講解 HTML前段語言 js1.了解代碼2.根據代碼 懂得挖掘漏洞 (POST注入/XSS漏洞上傳)3.黑帽seo 白帽seo 客戶網站被黑帽植入劫持代碼如何處理4.熟悉html表單 <html><head><title>TDK標題,描述 ......

    uj5u.com 2020-09-10 02:04:36 more
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    01 開門見山 隔一個月發一篇文章,不過分。 首先回顧一下《微信系結手機號資料庫被脫庫事件》,我也是第一時間得知了這個訊息,然后跟蹤了整件事情的經過。下面是這起事件的相關截圖以及近日流出的一萬條資料樣本: 個人認為這件事也沒什么,還不如關注一下之前45億快遞資料查詢渠道疑似在近日復活的訊息。 訊息是 ......

    uj5u.com 2023-04-20 08:48:24 more
  • web3 產品介紹:metamask 錢包 使用最多的瀏覽器插件錢包

    Metamask錢包是一種基于區塊鏈技術的數字貨幣錢包,它允許用戶在安全、便捷的環境下管理自己的加密資產。Metamask錢包是以太坊生態系統中最流行的錢包之一,它具有易于使用、安全性高和功能強大等優點。 本文將詳細介紹Metamask錢包的功能和使用方法。 一、 Metamask錢包的功能 數字資 ......

    uj5u.com 2023-04-20 08:47:46 more
  • vulnhub_Earth

    前言 靶機地址->>>vulnhub_Earth 攻擊機ip:192.168.20.121 靶機ip:192.168.20.122 參考文章 https://www.cnblogs.com/Jing-X/archive/2022/04/03/16097695.html https://www.cnb ......

    uj5u.com 2023-04-20 07:46:20 more
  • 從4k到42k,軟體測驗工程師的漲薪史,給我看哭了

    清明節一過,盲猜大家已經無心上班,在數著日子準備過五一,但一想到銀行卡里的余額……瞬間心情就不美麗了。最近,2023年高校畢業生就業調查顯示,本科畢業月平均起薪為5825元。調查一出,便有很多同學表示自己又被平均了。看著這一資料,不免讓人想到前不久中國青年報的一項調查:近六成大學生認為畢業10年內會 ......

    uj5u.com 2023-04-20 07:44:00 more
  • 最新版本 Stable Diffusion 開源 AI 繪畫工具之中文自動提詞篇

    🎈 標簽生成器 由于輸入正向提示詞 prompt 和反向提示詞 negative prompt 都是使用英文,所以對學習母語的我們非常不友好 使用網址:https://tinygeeker.github.io/p/ai-prompt-generator 這個網址是為了讓大家在使用 AI 繪畫的時候 ......

    uj5u.com 2023-04-20 07:43:36 more
  • 漫談前端自動化測驗演進之路及測驗工具分析

    隨著前端技術的不斷發展和應用程式的日益復雜,前端自動化測驗也在不斷演進。隨著 Web 應用程式變得越來越復雜,自動化測驗的需求也越來越高。如今,自動化測驗已經成為 Web 應用程式開發程序中不可或缺的一部分,它們可以幫助開發人員更快地發現和修復錯誤,提高應用程式的性能和可靠性。 ......

    uj5u.com 2023-04-20 07:43:16 more
  • CANN開發實踐:4個DVPP記憶體問題的典型案例解讀

    摘要:由于DVPP媒體資料處理功能對存放輸入、輸出資料的記憶體有更高的要求(例如,記憶體首地址128位元組對齊),因此需呼叫專用的記憶體申請介面,那么本期就分享幾個關于DVPP記憶體問題的典型案例,并給出原因分析及解決方法。 本文分享自華為云社區《FAQ_DVPP記憶體問題案例》,作者:昇騰CANN。 DVPP ......

    uj5u.com 2023-04-20 07:43:03 more
  • msf學習

    msf學習 以kali自帶的msf為例 一、msf核心模塊與功能 msf模塊都放在/usr/share/metasploit-framework/modules目錄下 1、auxiliary 輔助模塊,輔助滲透(埠掃描、登錄密碼爆破、漏洞驗證等) 2、encoders 編碼器模塊,主要包含各種編碼 ......

    uj5u.com 2023-04-20 07:42:59 more
  • Halcon軟體安裝與界面簡介

    1. 下載Halcon17版本到到本地 2. 雙擊安裝包后 3. 步驟如下 1.2 Halcon軟體安裝 界面分為四大塊 1. Halcon的五個助手 1) 影像采集助手:與相機連接,設定相機引數,采集影像 2) 標定助手:九點標定或是其它的標定,生成標定檔案及內參外參,可以將像素單位轉換為長度單位 ......

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  • 在MacOS下使用Unity3D開發游戲

    第一次發博客,先發一下我的游戲開發環境吧。 去年2月份買了一臺MacBookPro2021 M1pro(以下簡稱mbp),這一年來一直在用mbp開發游戲。我大致分享一下我的開發工具以及使用體驗。 1、Unity 官網鏈接: https://unity.cn/releases 我一般使用的Apple ......

    uj5u.com 2023-04-20 07:40:19 more