架构概览
N-Body 粒子仿真系统的系统架构、组件交互和设计模式
架构概览
本文档介绍 N-Body 粒子仿真系统的系统架构、组件交互和设计模式。
📐 高层架构
系统分层
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┌─────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 应用层 │
│ • 窗口管理 (GLFW) │
│ • 输入处理 │
│ • 主事件循环 │
├─────────────────────────────────────────────────────────┤
│ 仿真层 │
│ • ParticleSystem (协调器) │
│ • ForceCalculator (策略模式) │
│ • Integrator (Velocity Verlet) │
│ • CudaGLInterop (CUDA-OpenGL 桥接) │
├─────────────────────────────────────────────────────────┤
│ 渲染层 │
│ • Renderer (OpenGL) │
│ • Camera (轨道控制) │
│ • 着色器管理 │
├─────────────────────────────────────────────────────────┤
│ GPU 内存层 │
│ • ParticleData (SoA 布局) │
│ • Shared VBO (零拷贝互操作) │
│ • 加速结构 │
└─────────────────────────────────────────────────────────┘
🔧 核心组件
1. ParticleSystem
管理所有仿真组件的中央协调器。
职责：
- 初始化粒子分布
- 协调仿真步骤
- 管理组件生命周期
- 处理状态持久化
2. ForceCalculator (策略模式)
力计算算法的抽象接口。
| 类名 | 复杂度 | 适用场景 |
|---|---|---|
DirectForceCalculator |
O(N²) | 小规模系统，精确结果 |
BarnesHutCalculator |
O(N log N) | 大规模引力仿真 |
SpatialHashCalculator |
O(N) | 短程力仿真 |
3. Integrator
Velocity Verlet 辛积分器，长期保持能量守恒。
4. CudaGLInterop
实现 CUDA 和 OpenGL 之间的零拷贝共享。
💾 内存架构
ParticleData (数组结构)
每个粒子内存： 52 字节（13 个 float）
内存预算（100万粒子）
| 组件 | 大小 | 说明 |
|---|---|---|
| ParticleData | 52 MB | 核心粒子状态 |
| Shared VBO | 12 MB | CUDA-OpenGL 互操作 |
| Barnes-Hut 树 | ~100 MB | 八叉树结构 |
| Spatial Hash 网格 | ~20 MB | 单元格查找 |
| 总计 | ~184 MB | 最大使用 |
🧩 设计模式
策略模式：ForceCalculator
用于运行时切换算法。
桥接模式：CudaGLInterop
解耦 CUDA 计算和 OpenGL 渲染。
外观模式：ParticleSystem
简化复杂子系统交互。