JoltPhysics —— 多核友好的刚体物理与碰撞检测库

这是什么

JoltPhysics 是一个面向多核 CPU 的刚体物理与碰撞检测库，使用 C++ 编写，主仓库在 GitHub 上开源（jrouwe/JoltPhysics），目前拥有超过 10,900 颗星。它被用于《地平线：西之绝境》和《死亡搁浅 2：海滩》等大型游戏，定位是游戏与 VR 应用的物理引擎。与常见物理引擎不同，JoltPhysics 从设计之初便强调多线程友好、确定性模拟以及后台数据加载/卸载能力，核心只依赖 C++17 标准库，不依赖 RTTI 和异常。

解决的问题

大多数物理引擎在设计时假设物理模拟是主线程的唯一任务，但现代游戏需要同时处理大量系统（AI、渲染、网络、流式加载）。JoltPhysics 直接面对以下痛点：

• 多线程竞争：游戏行为发生在多个线程上，物理数据需要被并发访问。JoltPhysics 允许在物理模拟主循环之外，多个线程安全地读取、添加或移除物理体，而不阻塞主模拟。
• 后台加载/卸载：关卡流式加载时，需要在不锁住物理世界的前提下准备一批物理体。JoltPhysics 支持在后台线程上批量构建，然后以极小的性能开销插入模拟世界。
• 碰撞查询与模拟并行：通常碰撞查询（如射线检测、形状投射）需要等物理模拟完成才能进行。JoltPhysics 允许在模拟步骤之前进行粗检测（broadphase），然后在后台线程进行细检测（narrowphase），使耗时的任务（如导航网格生成）可以跨帧分布。
• 意外唤醒导致性能抖动：加载/卸载内容时，创建或删除物理体常常会意外唤醒相邻物体，导致性能毛刺。JoltPhysics 默认新物体创建时不自动唤醒，删除物体时也不唤醒邻居，可由开发者手动触发。
• 确定性模拟：联网游戏需要客户端与服务器同步物理状态。JoltPhysics 提供确定性模拟，仅通过同步输入即可复现模拟结果（有明确限制，见文档）。

核心功能

• 刚体形状支持：球体、盒子、胶囊、锥形胶囊、圆柱、锥形圆柱、凸包、平面、复合体、网格（三角形）、地形（高度场），并支持连续碰撞检测（CCD）。
• 约束系统：固定、点、距离（含弹簧）、铰链、滑块（棱柱）、锥、齿条与齿轮、齿轮、滑轮、平滑样条路径、摆动-扭转（用于类人肩部）、6 自由度约束，以及驱动这些约束的电机。
• 碰撞检测：射线投射、形状与形状测试、形状投射、粗检测（仅 broadphase）快速找出可能相交的物体、传感器（触发体积）。
• 动画布娃娃（ragdoll）：硬关键帧（仅运动学刚体）、软关键帧（设置动力学刚体速度）、驱动约束电机到动画姿势、高细节骨架与低细节骨架之间的映射。
• 角色模拟：胶囊体刚体角色（物理模拟中移动，成本最低且与动态体碰撞最准确）、虚拟角色（无物理体，通过碰撞检测模拟，在物理更新外运行，控制更灵活但动态交互精度较低）。
• 车辆模拟：轮式车辆、履带式车辆、摩托车。
• 软体模拟：软球、布料等。包括边约束、二面角弯曲约束、Cosserat 杆约束（带方向的边，可定向几何体，如植物叶片）、四面体体积约束、远程附着约束（tether）、限制模拟在蒙皮顶点范围内、内部压力、与刚体碰撞、软体之间的碰撞检测。
• 头发模拟（GPU）：基于 Cosserat 杆的束状头发模拟，支持引导发和渲染发，利用网格累积平均速度处理发间碰撞，支持环境碰撞（目前仅凸包和复合体），发根可蒙皮到头骨网格。
• 浮力计算：水体浮力。
• 双精度模式：可选，用于大世界场景。
• 跨平台支持：Windows（x86/x64/ARM64）、Linux（Ubuntu x86/x64/ARM32/ARM64/RISC-V64/LoongArch64/PowerPC64LE）、FreeBSD、Android（x86/x64/ARM32/ARM64）、Platform Blue（游戏主机，x64，需 NDA 提供平台头文件）、macOS（x86/ARM64）、iOS（x86/ARM64）、MSYS2 MinGW64、WebAssembly。
• 指令集优化：x86/x64 最低要求 SSE2，可选 SSE4.1、SSE4.2、AVX、AVX2、AVX512；ARM64 使用 NEON 和 FP16。

亮点 / 与同类相比

与 Bullet、PhysX、Havok 等主流物理引擎相比，JoltPhysics 最突出的差异在于：

1. 多线程数据访问的细粒度控制：不止是模拟并行，而是允许外部线程在模拟进行中并发地添加/删除/更新物理体，并保证一致的 before/after 状态。这种设计直接服务于现代游戏引擎的 job 系统，例如 Horizon Forbidden West 的流式加载。
2. 确定性模拟：许多引擎宣称确定性，但实际受浮点精度和线程调度影响。JoltPhysics 明确给出限制条件和文档，方便复制到远程客户端。
3. 后台批处理：批量构建物理体时不锁定主世界，插入时影响极小，非常适合开放世界关卡切换。
4. 毛发模拟原生支持 GPU：大多数引擎将毛发作为独立插件或付费中间件，JoltPhysics 内置了 GPU 头发生成与模拟系统。
5. 轻量依赖：只依赖 C++17 STL，无 RTTI，无异常，编译速度快，集成方便。
6. 开源 MIT 许可：商业友好，可自由使用修改。

适合谁用 / 上手

• 游戏引擎开发者：需要将物理集成到自有引擎中，且对多线程、大世界流式加载、确定性要求高。
• VR 应用开发者：需要精确的碰撞反馈和低延迟，JoltPhysics 的 CCD 和传感器机制适合 VR 交互。
• 独立游戏或小团队：希望避开 PhysX 的闭源限制或 Bullet 的线程模型不足，JoltPhysics 提供成熟、文档齐全的解决方案。
• 研究或教学：代码结构清晰，单元测试完善，可作为学习物理引擎实现的参考。

上手方式：仓库中提供了 HelloWorld 示例（含 CMake FetchContent 版本），以及 Samples 应用（每个功能对应一个独立示例）。构建文档位于 Build 目录，支持 VS 2022+、Clang 16+、GCC 12+。官方文档包括架构说明和 API 参考，GDC 2022 演讲幻灯片详细解释了设计决策。