优化Unity游戏项目的脚本(上)

本文将由捷克独立游戏工作室Lonely Vertex的开发工程师Ondřej Kofroň,分享C#脚本的一系列优化方法,并提供改进Unity游戏性能的最佳实践。

 

在开发游戏时,我们遇到了游戏过程中偶尔出现延迟的问题。在使用Unity性能分析器进行分析后,我们问题主要来源于:未优化的着色器和未优化的C#脚本

 

本文将主要介绍如何优化Unity游戏项目的C#脚本的方法。

寻找问题

Unity性能分析器是寻找造成卡顿脚本的最佳方法。我强烈建议直接在设备上对游戏进行性能分析,而不是在编辑器中进行性能分析。

 

本文中分享的游戏项目面向iOS,所以我们需要连接设备。如下图所示,设置Build Settings,然后性能分析器就会自动连接。

如果我们在网上搜索“Unity中的偶发卡顿”或类似关键词,你可能会发现大多数人建议重点处理垃圾回收。

 

每当停止使用某些对象即类的实例后,便会产生垃圾,然后会不定时运行Unity垃圾回收器来清理垃圾,取消分配相关的内存,这样的工作会占据大量时间,造成帧率降低现象。

 
 
 

如何在性能分析器中找到导致垃圾分配的脚本?

我们选中CPU Usage部分,如下选择Hierarchy视图,单击GC Alloc,从而根据GC Alloc的情况进行排序。

 

下图为垃圾回收的Profiler设置。

 

我们的目标是在游戏场景中,使GC Alloc栏的所有数值都为0。一个不错的做法是根据Time ms(即执行时间)排序记录,然后优化脚本,使其尽可能使用较少时间。

 

这对我们而言极为重要,因为游戏中有一个组件包含一个大型for循环,该循环要使用很多时间来执行,而且我们目前无法处理好这个循环,所以优化所有脚本的执行时间非常必要,我们需要为耗时较长的for循环节省一些执行时间,同时保持60fps。

 

 

根据性能分析的结果,我们将优化过程分为两个部分:

  • 处理垃圾回收

  • 减少执行时间
    第一部分:处理垃圾回收
     

    我们将关注处理垃圾回收的过程。这些内容是每位开发者都应该掌握的基础知识,也是我们平时对同步和合并请求,进行代码评审的重要部分。

     

    规则1:不在Update方法中创建新对象

    理想情况下,开发者在Update、FixedUpdate或LateUpdate方法中不应该使用New关键字,而是应该使用已有对象。

     

    有时新对象创建过程会隐藏在一些Unity内部方法中,所以过程并不明显。

     

    规则2:一次创建,多次重用

    这条规则的意思是:要在Start方法和Awake方法中分配所有内容。这条规则和第一条类似,其实只是从Update方法移除new关键字的另一种方式。

     

    开发者应该从Update方法移除有以下行为的代码:

    • 创建新实例

    • 寻找任意游戏对象

     

    然后,将这些代码移动到Start方法或Awake方法中。

     

    下面是我们进行的改动示例。

     

    我们可以在Start方法分配List列表,在需要时使用Clear函数清空列表,并在任何位置重用这些内容。

    //未优化的代码

    private List<GameObject> objectsList;void Update()
    {
        objectsList = new List<GameObject>();
        objectsList.Add(......)
    }

     

    //优化后的代码

    private List<GameObject> objectsList;void Start()
    {
        objectsList = new List<GameObject>();
    }

     

    void Update()
    {
        objectsList.Clear();
        objectsList.Add(......)
    }

    进行存储和重用引用的过程如下面代码所示。

    //未优化的代码

    void Update()
    {
        var levelObstacles = FindObjectsOfType<Obstacle>();
        foreach(var obstacle in levelObstacles) { ....... }
    }

     

    //优化后的代码

    private Object[] levelObstacles;

     

    void Start()
    {
        levelObstacles = FindObjectsOfType<Obstacle>();
    }

     

    void Update()
    {
        foreach(var obstacle in levelObstacles) { ....... }
    }

    相同的规则也适用于FindGameObjectsWithTag等返回新数组的其它方法。

     

    规则3:小心处理字符串,避免字符串连接

    在涉及到垃圾分配的时候,字符串要特别注意。即使是基本的字符串操作,也可能产生大量垃圾。这是为什么呢?

     

    因为字符串是无法改变的数组。这意味着,如果要把两个字符串连接起来,我们会创建新数组,而旧数组会成为垃圾。所以我们可以使用StringBuilder避免或最小化这类垃圾分配。

     

    下面是改进该过程的示例。

    //未优化的代码

    void Start()
    {
        text = GetComponent<Text>();
    }

     

    void Update()
    {
        text.text = "Player " + name + " has score " + score.toString();
    }

     

    //优化后的代码

    void Start()
    {
        text = GetComponent<Text>();
        builder = new StringBuilder(50);
    }

     

    void Update()
    {

        //StringBuilder为所有类型重载了Append方法
        builder.Length = 0;
        builder.Append("Player ");
        builder.Append(name);
        builder.Append(" has score ");
        builder.Append(score);
        text.text = builder.ToString();

     

    示例中的原代码没什么问题,但仍有很大的改进空间。我们发现,几乎整个字符串都可以视为静态,所以我们把字符串分为两个部分,放到两个UI.Text对象中。

     

    第一个对象只包含静态文字“Player “ + name + “ has score “ ,可以在Start方法中指定。第二个对象包含每帧更新的Score数值,我们要使静态字符串完全是静态的,在Start方法或Awake方法中生成这类字符串。

     

    经过改进,代码已经很好了,但是调用Int.ToString()、Float.ToString()等函数仍会有垃圾产生。

     

    我们通过生成和预分配所有可能的字符串来解决该问题。这样可能听起来不是好方法,而且会消耗很多内存,但它完美满足了我们的需求,并彻底解决了这个问题。

     

    们最后得到可以使用索引直接访问的静态数组,从而获取表示数字的请求字符串。

    public static readonly string[] NUMBERS_THREE_DECIMAL = {
            "000", "001", "002", "003", "004", "005", "006",..........

     

    规则4:缓存访问器返回的数值

    这种方法可能很难使用,因为即使是简单的访问器也会产生垃圾。

    //未优化的代码

    void Update()
    {
        gameObject.tag;
        //or

        //或
        gameObject.name;
    }

     

    尝试避免在Update方法中使用访问器,只在Start方法中调用一次访问器,并缓存返回的数值。

     

    通常,建议不在Update方法中调用任何字符串访问器或数组访问器。在多数情况下,我们只需要在Start方法中获取一次引用。

     

    下面是未优化访问器代码的两个常见示例。

    //未优化的代码

    void Update()
    {

        //分配包含所有touches的新数组
        Input.touches[0];
    }

     

    //优化后的代码

    void Update()
    {
        Input.GetTouch(0);
    }

     

    //未优化的代码

    void Update()
    {

        //返回新的字符串(垃圾),然后对比2个字符串
        gameObject.Tag == "MyTag";
    }

     

    //优化后的代码

    void Update()
    {
        gameObject.CompareTag("MyTag");
    }

     
     

    规则5:使用NonAlloc函数

    对于特定Unity函数,我们可以找到不分配任何内存的替代函数。在我们的项目中,这些函数都和物理功能有关。我们在碰撞检测使用的函数如下。

    Physics2D. CircleCast();

     

    对于该函数,我们可以找到不分配任何内存的版本。

    Physics2D. CircleCastNonAlloc();

     

    许多其它函数都有类似的替代函数,因此请记得查看文档,了解函数是否有相应的NonAlloc版本。

     
     

    规则6:不要使用LINQ

    尽可能不要使用LINQ。也就是说,不要在任何经常执行的代码中使用LINQ。

     

    然使用LINQ可以使代码更容易阅读,但在很多情况下,这类代码的性能和内存分配都非常糟糕。

     
     

    规则7:一次创建,多次重用(续)

    这次我们要讲的是对象池,如果你不了解对象池,请阅读教程:

    https://learn.unity.com/tutorial/object-pooling

     

    在我们的游戏中,有一种情况使用了对象池。我们有一个生成的关卡,里面充满了只在限定时间存在的障碍物,障碍物在玩家通过相应关卡部分后会消失。

     

    在满足特定条件时,障碍物会从预制件进行实例化。相应的代码位于Update方法中,对于性能和执行时间而言,代码是非常低效的。

     

    我们的解决方法是:生成40个障碍物组成的对象池,在需要时从对象池取用这些障碍物对象,在障碍物不再需要时,把障碍物对象返回到对象池。

     
     

    规则8:注意装箱过程

    装箱过程会生成垃圾。什么是装箱过程呢?

     

    最常见的装箱过程是将数值类型,例如int,float,bool等传递到需要Object类型参数的函数时,所发生的过程。

     

    下面是我们要在项目中处理的装箱过程。

     

    我们在项目实现了自定义通信系统。每个信息可以包含数量不限的数据。该数据存储在字典中,字典的定义如下。

    Dictionary<string, object> data;

     

    我们有设置函数(Setter),用来将数值设置到该字典中。

    public Action SetAttribute(string attribute, object value)
    {
        data[attribute] = value;
    }

     

    这里的装箱过程很明显,我们可以这样调用该函数。

    SetAttribute("my_int_value", 12);

     

    因此,这里的数值12进行装箱时,会产生垃圾。

     

    我们的解决方法是:为每个基本类型使用单独的数据容器,之前的Object容器仅用于引用类型。

    Dictionary<string, object> data;

    Dictionary<string, bool> dataBool;
    Dictionary<string, int> dataInt;
    .......

     

    为每个数据类型使用单独的设置函数。

    SetBoolAttribute(string attribute, bool value)
    SetIntAttribute(string attribute, int value)

     

    然后实现所有设置函数,使它们调用相同的通用函数:

    SetAttribute<T>(ref Dictionary<string, T> dict, string attribute, T value)

     

    这样装箱过程就被我们移除了。如果你想了解更多细节,请阅读下面的文档:

    https://docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/csharp/programming-guide/types/boxing-and-unboxing

     
     

    规则9:小心循环代码

    这条规则类似第1,2条规则。尽可能把所有不必要代码从循环中去掉,从而取得更好的性能和内存分配。

     

    我们要尝试避免在Update方法中使用循环,但如果有这个需要,我们至少要在这种循环中避免出现内存分配。因此,不仅是针对Update方法,我们也要在循环代码中遵循前8条规则。

     
     

    规则10:确保外部代码库不产生垃圾

    如果发现部分垃圾由Asset Store资源商店下载的代码产生,我们有多个解决方法。但在我们进行逆向工程并调试前,请再次查看Asset Store资源商店的相应页面,代码库是否有进行更新。

     

    在我们的项目中,我们使用的所有资源一直由资源的开发者进行维护,他们一直在进行性能更新,从而解决了我们的所有问题。

     

    所以,一定要让项目使用的依赖保持更新。如果遇到没有维护的代码库,建议放弃这类代码库。
    小结
     

    由于篇幅限制,本文介绍了优化Unity游戏项目的C#脚本的第一部分处理垃圾回收,下篇我们将分享如何将执行时间减少,敬请期待!

     

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本期就到这里喽,下期见!

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