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。

我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。

虽然使用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!