面向数据技术栈DOTS的C++和C#
在Unity在GDC 2019活动日程中，有一项重要的技术演讲，即分享：连接DOTS：Unity面向数据技术栈，帮助你了解DOTS技术如何应用于Megacity示例项目。
你也许会疑问：什么是DOTS？本文将为你介绍Unity全新的面向数据技术栈DOTS，并分享当前技术的进展以及未来的发展方向。
C++和C#
首先让我们谈谈C++，它是编写Unity的语言。
许多高级游戏程序员遇见的一个常见问题是：他们需要提供带有目标处理器，可理解指令的可执行程序，执行时会运行游戏。
对于代码中性能影响较大的部分，我们明白最终的指令应该是什么。我们希望以一种简单合理方式来描述逻辑，然后确认并验证生成我们希望的指令。
在我们看来，C++在这项任务上并不出色。假设我们希望让循环进行向量化，但可能会出现超级多的情况使编译器无法向量化循环。甚至之前可以成功向量化，但由于一个看似无关紧要的改动却无法再次向量化。让所有C/C++编译器都成功向量化代码是一件困难的事情。
我们决定自己实现“生成机器代码的合理方法”，该方法会具有我们需要的所有特点。我们也可以耗费大量精力来调整C++代码的设计，稍微改进其工作效果，但我们更想把精力用在开发可实现所有设计的工具链，针对游戏开发者遇到的问题来进行设计。
实现特点
我们要实现的特点有：
性能的准确性。我们希望的效果是：如果循环因为某些原因无法向量化，它应该会出现编译器错误，而不是使代码运行速度慢8倍，并得到正确结果，完全不报错。
跨平台架构特性。我们编写的输入代码无论是面向iOS系统还是Xbox，都应该是相同的。
我们应该有不错的迭代循环。在修改代码时，可以轻松查看为所有架构生成的机器代码。机器代码“查看器”应该很好地说明或解释所有机器指令的行为。
安全性。大多数游戏开发者不把安全性放在很高的优先级，但我们认为，解决Unity出现内存损坏问题是关键特性之一。在运行代码时应该有一个特别模式，如果读取或写入到内存界限外或取消引用Null时，它能够提供我们明确的错误信息。
语言选择
明确需要的特点后，下一步是决定机器代码生成器所使用的输入语言。
我们有三个选择：
自定义语言
C或C++的改编或子集
C#的子集
你或许会想：难道要为性能最敏感的内部循环使用C#语言？没错。
C#是非常自然的选择，它为Unity提供了很多好处：
C#是Unity用户的常用语言。
C#有很好的IDE工具，包括：编辑，重构和调试等功能。
我们已经有了C#转换为中间语言的编译器，即微软的Roslyn C#编译器，我们可以使用该编译器，而不必重新编写。
我们有大量修改中间语言的经验，因此对实际程序进行代码生成和后期处理会简单许多。
使用C#能避免C++的问题，例如：头文件包含问题、PIMPL模式、漫长的编译时间等。
我们很喜欢使用C#语言进行编码，但是从性能角度看，传统的C#不是很好的语言。
C#语言团队，标准库团队和运行时团队在过去二年取得了很大进展。但是，当我们使用C#语言时，仍然无法控制数据在内存中如何进行分布，但这是我们提升性能的关键点。
除此之外，标准库面向的是“堆上的对象”和“具有其它对象指针引用的对象”。
也就是意味着，当处理性能敏感代码时，我们可以放弃使用大部分标准库，例如：Linq、StringFormatter、List、Dictionary。禁止内存分配，即不使用类，只使用结构、映射、垃圾回收器和虚拟调用，并添加可使用的部分新容器，例如：NativeArray和Friends。
这样剩余C#语言会有很好的效果，该子集让我们在常用循环中实现所有需要的功能。因为它是C#的有效子集，所以我们也可以把它作为常规C#代码来运行。
我们可以在越界访问时得到错误和错误信息，以及使用C++代码时的调试器支持和编译速度。我们通常把该子集称为高性能C#或HPC#。
Burst编译器开发进展
我们构建了名为Burst的代码生成器和编译器，它自从Unity 2018.1开始作为预览资源包推出。
Burst有时运行速度比C++快，有时也会比C++慢。后面的情况源于性能问题，我们将在之后解决它。
仅对比性能是不够的，同样重要的还有为了取得性能所要做的事情。例如：我们曾把C++渲染器的剔除代码移植到Burst，我们得到了相同的性能，但是C++版要进行大量处理才能使C++编译器进行向量化，而Burst版的代码约不到C++版的1/4。
并非所有Unity内部成员都支持“应该把性能最敏感的代码移植到C#”的说法。对于我们多数人来说，这种说法听起来就像说，使用C++时“代码和Metal接口更近”，但这种情况不会持续太久。
当使用C#时，我们对整个流程有完整的控制，包括从源代码编译到机器代码生成，如果有我们不想要的部分，我们会找到并修复它。我们会逐渐把C++语言的性能敏感代码移植为HPC#代码，这样会更容易得到想要的性能，更难出现Bug，更容易进行处理。
下图是Burst检视窗口的截图，你可以轻松查看它为不同Burst常用循环生成的程序集指令。
Unity有大量不同水平的用户，有些用户可以通过记忆列举出整个Arm64指令集，有些用户喜欢开发创造本身，但所有用户都会受益于运行引擎代码的帧时间变快的效果。
如果Asset Store资源插件的开发者在资源中使用HPC#代码，资源插件在运行时代码会运行得更快。除此之外，高级用户也会通过使用HPC#编写出自定义高性能代码而受益。
优化粒度
在C++中，要求编译器对项目的不同部分进行不同的优化取舍是很困难的，最好的情况是根据指定优化等级的文件粒度来处理。
Burst被设计为把该程序的单个方法作为输入，即常用循环的切入点。Burst将会编译函数及其调用的所有内容。
因为Burst仅处理程序的较小部分，我们把优化等级设为11。Burst会内联每个调用位置，我们要移除IF检查，否则它不会被自动移除，因为在内联形式中，我们有更多函数参数的信息。
对解决常见多线程问题的帮助
C++和C#都无法为开发者编写线程安全代码提供太多帮助。即使在今天，拥有多个核心游戏消费级硬件发展至今已经过去了十年，但依旧很难有效处理使用多个核心的程序。
数据冲突，不确定性和死锁是使多线程代码难以编写的挑战。我们想要的特性是“确保代码调用的函数和所有内容不会在全局状态下读取或写入”。我们希望违反规则的是编译器错误，而不是“程序员应遵守的准则”，Burst则会提供编译器错误。
我们鼓励Unity用户编写“作业化”代码：将所有需要发生的数据转换划分为作业。
每个作业都具有“功能性”，因为作业没有副作用。作业会明确指定使用的只读缓冲区和读写缓冲区，尝试访问其它数据会出现编译器错误。
作业调度程序会确保在作业运行时，任何程序都不会写入只读缓冲区。我们会确保在作业运行时，任何程序都不会读取读写缓冲区。
如果调度的作业违反了这些规则，我们会得到运行时错误。这种错误不仅在竞态条件下得到，错误信息会说明，你正在尝试调度的作业想要读取缓冲区A，但你之前已经调度了会写入缓冲区A的作业，所以如果想要执行该操作，需要把之前的作业指定为依赖。
我们发现这种安全机制可以在提交代码前检查到大量Bug，并高效使用所有内核。这样我们就无法编写出死锁或竞态条件。这样也确保运行结果具有确定性，无论正在运行多少线程，或线程被其它过程中断多少次。
处理栈
由于能够处理所有组件，我们可以使这些组件了解各自的存在。例如：向量化无法进行的常见情况是，编译器无法确保二个指针不指向相同的内存，即混淆情况。
我们知道，二个NativeArray从不会混淆，因为已经编写了集合库，我们可以在Burst中运用这个知识，使它不会由于害怕二个数组指针指向相同内存而放弃优化。
类似的，我们编写了Unity.Mathemetics数学库。Burst拥有数学库的丰富知识，未来Burst将能够为math.sin()等计算作出牺牲精度的优化。
对于Burst而言，math.sin()不仅是要编译的C#方法，Burst还会把它理解为sin()的三角函数属性，Burst知道x值较小时会出现sin(x)等于x的情况，并了解它能替换为泰勒级数展开，以便牺牲特定精度。
跨平台和架构的浮点准确性也是Burst未来的目标，我们相信这是可以实现的目标。
消除引擎代码和游戏代码的区别
通过使用HPC#编写Unity的运行时代码，引擎和游戏会使用相同语言来编写。
我们将会发布源代码转换为HPC#的运行时系统，这样每个人都可以从中学习、改进和调整，用户可以编写更好的粒子系统，物理系统和渲染器。
通过让我们的内部开发过程更像用户的开发过程，我们会更直接地感受用户的痛点，我们可以集中精力改进单个工作流程，而不是二个不同的工作流程。
小结
关于Unity全新的面向数据技术栈DOT的进展以及未来的发展方向为大家介绍到这里，后续的系列文章中，我们会介绍DOTS的不同部分－实体组件系统，尽请期待。
更多Unity技术文章分享，尽在Unity Connect平台(Connect.unity.com)。
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