Unity性能优化的最佳实践

本文Unity技术经理Ian Dundore将分享改进性能和优化的技巧，这些技巧反映了Unity支持面向数据设计的架构的演变。

Unity不断发展与演变，因此旧技巧可能不再是提升引擎性能的最佳方法。本文我们将介绍从Unity 5.x到Unity 2018.x的一些功能变化，以及如何利用它们。

本文中的最佳实践来自Unite 2018中Ian Dundore的演讲《Unity性能优化的最佳实践》。

脚本性能

优化过程中最困难的任务之一是在发现热点后选择如何优化代码。涉及许多不同的因素：操作系统的平台的CPU和GPU、线程处理、内存访问等。我们很难预先知道哪种优化方法会产生最大的增益效果。

通常情况下，最好在小型测试项目进行原型优化，这样可以更快进行迭代。

但将代码分离到测试项目也会带来相应的挑战。仅仅分离部分代码会改变它所运行的环境。线程时间可能会发生变化，托管堆可能变得更小，或有更少的碎片化。因此，在设计测试项目要小心谨慎。

我们首先要考虑代码的输入内容，以及在修改输入时，代码会作出什么反应：

• 它会如何应对位于内存连续位置的高度一致的数据？

• 它会如何处理缓存不一致的数据？

• 你从代码运行的循环中删除了多少代码？是否更改了处理器指令缓存的使用情况？

• 代码运行在什么硬件上？该硬件实现分支预测的效果如何？该硬件执行无序微操作的效果如何？它是否有SIMD支持？

• 如果有重度使用多线程的系统，而且运行在带有多核心的系统而不是核心较少的系统，该系统会如何应对？

• 代码的缩放参数是什么？它是否在输入集增长时线性增长，或以大于线性的幅度增长。

我们必须考虑好要使用测试项目测量的确切内容。请考虑这个简单操作的测试：对比二个字符串。

在C# API对比二个字符串时，它们会执行特定区域设置的转换，以确保不同字符可以匹配不同文化的其它字符，该过程往往速度非常缓慢。

虽然C#中的大多数字符串API是对文化敏感的，但有一个名为String.Equals的API却不是这样的。

如果你从GitHub打开String.CS ，查看String.Equals部分，你会看到下图：一个非常简单的函数会执行一系列检查，然后再把控制权交给EqualsHelper函数，该函数是私有函数，没有反射的话无法直接调用。

EqualsHelper是一个简单的方法，它会以每次4个字节的速度遍历字符串，对比输入字符串的原始字节。如果它发现不匹配情况，它会停止遍历并返回“False”。

我们也有其它检查字符串相等的方法，看起来最好的方法的是String.Equals的重载，它会接收二个参数：要对比的字符串和StringComparison枚举。

我们已经知道，String.Equals的单参数重载在把控制权交给EqualsHelper前，仅会做少量工作，那么双参数的重载会有什么作用呢？

如果观察双参数重载的代码，它会在进入大型Switch语句前执行一些额外检查。该语句会测试输入的StringComparison枚举的数值。由于我们正在寻找和单参数重载的同等情况，我们要进行序数比较，即逐字节进行比较。

在我们的示例中，控制会经过4次检查，然后再到达StringComparison.Ordinal，此时代码看起来类似单参数的String.Equals重载。这意味着，如果使用String.Equals的双参数重载，而不是单参数重载，处理器会执行一些额外的比较操作。也许这样会使速度变慢，但这是值得测试的。

如果对所有比较字符串相等情况的方法感兴趣的话，你可能不只想测试String.Equals。String.Compare重载可以执行序号比较，此外还有一个方法叫String.CompareOrdinal，它自身拥有二个不同重载。

这是一段手工编码示例可用作参考实现，它是一个简单的函数，其中的长度检查会迭代二个输入字符串中的每个字符，并进行检查。

在查看这些代码后，我们发现有四个不同的测试用例很有效：

• 二个相同字符串，用于测试最差用例的性能。

• 二个字符随机且长度相同的字符串，用于绕过长度检查。

• 二个字符随机且长度相同的字符串，它们的第一个字符相同，用于绕过仅在String.CompareOrdinal中发现的相关优化。

• 二个字符随机而长度不同的字符串，用于测试最佳用例性能。

运行完几次测试后，无论平台、脚本运行时版本、使用Mono还是IL2CPP，很明显String.Equals是最好的。

请注意：String.Equals是字符串相等运算符==使用的方法，所以别把代码中所有“a == b”的部分改为“a.Equals(b) ”。

实际上，我们通过观察结果会发现，手工编码的参考实现非常糟糕。查看IL2CPP代码时，我们可以发现在代码进行交叉编译时，Unity会注入一些数组边界检查和Null检查。

这些检查都可以禁用。在Unity安装文件夹中，找到IL2CPP文件夹。在其中，可以找到IL2CPPSetOptionAttributes.cs脚本。把该脚本拖到项目中，然后就可以访问Il2CppSetOptionAttribute。

我们可以使用该属性修饰类型和方法，配置该属性，使它禁用自动Null检查和自动数组边界检查。这样可以加速代码的执行，有时可以大幅加快速度。在这个测试用例中，它会给手工编写的字符串比较方法带来20%的速度提升效果。

Transform

仅仅观察Unity编辑器的层级窗口无法了解Transform组件，但Transform组件在Unity 5和Unity 2018之间发生了很多变化，这也为性能提升过程提供了新的可能性。

回到Unity 4和Unity 5，在创建Transform数据时，对象会被分配到Unity本地内存堆的某个位置。该对象可能在本地内存堆的任何位置，我们无法保证二个连续分配的Transform数据会分配到相邻位置，也无法保证子Transform会分配到父Transform的附近位置。

这意味着，在线性迭代Transform层级时，我们不会在连续内存区域上进行线性迭代。这会造成处理器重复发生停顿，因为它要等待从L2缓存或主内存获取Transform数据。

在Unity后端中，每当Transform的位置，角度或缩放发生改变时，该Transform都会发送OnTransformChanged信息。所有子Transform必须接收此消息，从而使它们可以更新自己的数据，而且它们也可以通知其它和Transform变化有关的组件，例如：在子Transform或父Transform发生变化时，带有碰撞体的子Transform必须更新物理系统。

这个无法避免的信息会造成很多性能问题，而且我们没有内置方法来避免虚假信息。如果你要修改Transform，也会改变它的子对象，无法避免Unity在每次修改后发送OnTransformChanged信息，这样会浪费大量CPU时间。

因为这一细节，对于旧版本Unity最常见的建议之一便是对Transform的改动进行批处理。也就是说，在一帧开始的时候，一次获取Transform的位置和角度信息， 在一帧的时间内使用和更新那些缓存的数值，仅在帧的结尾对位置和角度应用一次改动。这是一个很好的建议，一直适用到Unity 2017.2。

在Unity 2017.4和Unity 2018.1中，新的TransformChangeDispatch替代了OnTransformChanged。

TransformChangeDispatch最初在Unity 5.4加入。在该版本中，Transform不再是可以位于Unity本地内存堆中任何位置的独立对象。场景中的每个根Transform都会由连续数据缓冲区表示。该缓冲区叫TransformHierarchy结构，它包含位于根Transform下所有Transform的数据。

此外，TransformHierarchy还存储其中每个Transform的元数据，元数据包含表示特定Transform是否被污染的位掩码，它表示：自从上次Transform被标记为“Clean”（干净）后，它的位置，角度或缩放是否发生变化。它还包含一个特别的位掩码，用于跟踪Unity有哪些系统和特定Transform的改动有关。

通过使用该数据，Unity可以为每个内部系统创建受污染Transform的列表，例如：粒子系统可以查询TransformChangeDispatch，以获取自从上次粒子系统运行FixedUpdate后，数据发生变化的Transform列表。

为了收集改动Transform的列表，TransformChangeDispatch不应该迭代场景中的所有Transform，如果场景包含大量Transform，那会使速度变得非常慢，而且在多数情况下，仅有少量Transform会发生改变。

为了解决该问题，TransformChangeDispatch会跟踪受污染TransformHierarchy结构的列表。当Transform发生变化时，它会把自身和子对象标记为“Dirty”（受污染的），然后使用TransformChangeDispatch系统注册存储它的TransformHierarchy结构。

在Unity中的其它系统请求发生变化的Transform列表时，TransformChangeDispatch会迭代保存在每个受污染TransformHierarchy结构中的每个Transform。带有污染位组和相关位组的Transform会添加到列表中，该列表会返回到提出请求的系统。

因为这种架构，层级分离得越多，可以更好地让Unity功能以粒度等级跟踪变化。存在场景根位置的Transform越多，在变化时要检查的Transform就越少。

但还有潜在影响。在检查TransformHierarchy结构时，TransformChangeDispatch会使用Unity内部的多线程处理系统来划分它需要做的工作。每次某个系统需要从TransformChangeDispatch请求变化的列表时，这种划分操作和组合结果的操作会增加少量性能开销。

Unity的大多数内部系统会在运行前，在每帧请求一次更新内容，例如：动画系统会在它评估场景中所有活动Animators前，请求更新内容。类似的，渲染系统会在开始剔除可见对象列表前，请求对场景中所有活动渲染器的更新。

只有一个系统与众不同，那就是Physics物理系统。

在Unity 2017.1及更早版本，物理更新是同步的。当移动或旋转带有碰撞体的Transform时，会立即更新物理场景。这样会确保碰撞体的改动位置或角度可以反映到物理世界中，从而使光线投射和其它物理查询是准确的。

在Unity 2017.2中，我们把物理功能转变为使用TransformChangeDispatch会造成一些性能问题。在执行光线投射的时候，我们必须查询TransformChangeDispatch，获取发生变化的Transform列表，然后把它们应用到物理世界。这会耗费较多性能，具体取决于Transform Hierarchies的大小，以及代码调用Physics API的方法。

这种行为由新的设置Physics.autoSyncTransforms管理。从Unity 2017.2到Unity 2018.2，这项设置默认设为”True”，每次调用Raycast或Spherecast等物理查询API时，Unity会自动同步物理世界到Transform更新。

这项设置也可以进行修改，既可以在Unity编辑器的Physics Settings修改，也可以通过设置Physics.autoSyncTransforms属性在运行时修改。如果将它设为"False"，并禁用自动物理同步功能，那么物理系统仅会查询TransformChangeDispatch，以了解特定时间即在运行FixedUpdate之前的变化。

如果在调用物理查询API时遇到性能问题，我们有二个方法进行处理。

第一种方法，我们可以把Physics.autoSyncTransforms设为“False”，它会消除由TransformChangeDispatch和来自物理查询的物理场景更新造成的峰值情况。但是，如果执行此操作，在执行下一次FixedUpdate之前，对碰撞体的改动不会立即同步到物理场景。

这意味着，如果禁用AutoSyncTransforms，移动碰撞体，然后调用光线投射，使光线的方向为碰撞体新位置的话，光线投射可能不会击中碰撞体。这是因为光线投射会作用于物理场景的上一次更新版本，而那时物理场景还没有使用碰撞体的新位置来更新。

这会造成奇怪的Bug，所以应该小心测试自己的游戏，以确保禁用自动Transform同步功能不会造成问题。如果需要让物理效果通过Transform变化更新物理场景，我们可以调用Physics.SyncTransforms。由于该API速度较慢，因此最好别在每帧多次调用它。

请注意：从Unity 2018.3开始，Physics.autoSyncTransforms将默认设为“False”。

第二种方法，优化TransformChangeDispatch查询时间是重新安排查询和更新物理场景的顺序，使它对新系统更加友好。

由于Physics.autoSyncTransforms设为”True”，所有物理查询都会检查TransformChangeDispatch的变化，但如果TransformChangeDispatch没有任何受污染的TransformHierarchy结构要检查，而且物理系统没有更新的Transform要应用到物理场景，那么物理查询几乎没有任何开销。

所以，我们可以在一次批处理中执行所有物理查询，然后在一次批处理应用所有Transform变化，但是不要把Transform改动和物理查询API的调用混合。

下面的示例展示了它们的区别。

这二个示例之间的性能差异非常明显，在场景仅包含小型Transform层级时，性能差异会更加显着。

音频系统

Unity内部使用一个名为FMOD的系统来播放音频剪辑（AudioClips），FMOD运行在自有线程上，那些线程负责解码和混合音频。

但音频播放不是完全不消耗性能的，一些工作会在主线程上为场景中每个活动音频源（Audio Source）而执行。而在如较老的移动手机这样内核数量较少的平台上，FMOD的音频线程可能会和Unity的主线程及渲染线程竞争处理器内核。

在每一帧上，Unity都会循环所有活动音频源。对于每个音频源，Unity会计算音频源和活动音频监听器之间的距离，以及一些其它参数。该数据用于计算音量衰减，多普勒频移等其它影响音频源的效果。

Audio Source组件上的Mute勾选框有一个常见问题：我们可能认为勾选“Mute”会取消所有和静音音频源相关的计算，但实际并非如此。

实际上，在执行包括距离检查在内的所有和音量相关的计算后，Mute设置仅会把Volume参数限制为0。Unity也会把静音的音频源提交给FMOD，而FMOD会无视这些音频源。音频源参数的计算和音频源提交给FMOD的过程都会在Unity性能分析器中作为AudiosSystem.Update显示。

如果你注意到有大量时间分配给该Profiler标记，请检查是否有大量静音的活动音频源。如果是，请考虑禁用静音的Audio Source组件，而不是把它们设为静音，或者禁用它们的游戏对象。你也可以调用AudioSource.Stop，它会停止音频播放。

我们也可以限制Unity的Audio Settings内的声音数量。为此，我们可以调用AudioSettings.GetConfiguration，它会返回包含二个相关数值的结构：一个数值为Virtual Voices虚拟声音数量，另一个是Real Voices真实声音数量。

减少Virtual Voices数量会减小FMOD在检查实际播放的音频源时要检查的音频源数量。减小Real Voice数量会减小FMOD混合的音频源数量，混合的音频源用于产生游戏的音频。

为了修改FMOD使用的Virtual Voices或Real Voice数量，我们可以修改AudioConfiguration结构中的对应数值，该结构由AudioSettings.GetConfiguration返回，然后通过把AudioConfiguration结构作为参数传递给AudioSettings.Reset，重置音频系统为新的配置。

请注意：这样会影响音频播放，所以建议在玩家不会注意到变化的时候进行操作，例如在加载画面或启动的时候。

动画

Unity中有二个不同系统可以用于播放动画：Animator系统和Animation系统。

Animator系统指的是和Animator组件相关的系统，该组件会附加给游戏对象，以给对象添加动画，该系统也和AnimatorController资源有关，该资源会被一个或多个Animator引用。该系统过去曾被称作Mecanim，拥有非常丰富的功能。

在Animator Controller中，我们会定义状态，这些状态可以是Animation Clip或Blend Tree。状态可以组织为图层，在每一帧中，每个图层的活动状态都会进行评估，来自每个图层的结果会混合起来，应用到动画模型上。在二个状态之间过渡时，二个状态都会进行评估。

另一个系统是Animation系统，它由Animation组件表示，使用起来非常简单。每一帧中，每个活动的Animation组件都会线性迭代它附带的动画剪辑的所有曲线，对那些曲线进行评估，然后应用结果。

Animator和 Animation这二个系统的区别不仅仅是功能，还有底层实现细节。

Animator系统会大量使用多线程功能，它的性能会在拥有不同内核的CPU上发生很大变化。通常情况下，随着动画剪辑中的曲线数量提高，它会以小于线性的增长速度变化。因此，在评估带有大量曲线的复杂动画时，它的执行效果很好，但Animator系统会有很高的性能开销成本。

虽然Animation系统几乎没有任何开销，它的性能会按照动画剪辑中播放的曲线数量而线性调整。

如果在二个系统播放相同动画剪辑时进行对比，我们会发现明显的区别。

所以在播放动画剪辑时，请选择最适合自己内容复杂度及游戏运行平台的系统。

另一个常见问题是过度使用Animator Controllers中的图层。

在Animator运行时，它会在每帧评估Animator Controllers中的所有图层，这包含Layer Weight设为0的图层，意味着它不会对最终动画结果产生可见影响。

每个额外图层都会在每帧给每个Animator Controller增加额外的计算，所以通常要谨慎使用图层。如果在Animator Controller中有调试、演示或影视的图层，请尝试重新制作它们，把它们合并为现有图层，或在发布游戏前把它们移除掉。

通用绑定和人形绑定

默认情况下，Unity会使用通用绑定（Generic rig）导入动画模型，但在给角色制作动画时，开发人员经常会切换为人形绑定（Humanoid rig），这是有性能开销的。

人形绑定会给Animator系统增加二个额外功能：反向动力学和动画重定向。动画重定向功能很实用，它允许我们对不同角色重用动画。

即使没有使用IK或动画重定向，人形绑定角色的Animator也会在每帧计算IK和重定向数据，这会比使用通用绑定多消耗30%～50%的CPU时间，因为通用绑定不会进行这些计算。如果没有使用人形绑定的特殊功能，你应该使用通用绑定。

Animator的对象池处理

使用对象池是在游戏期间避免发生性能峰值的关键策略，但Animator一直很难用于对象池。在Animator的游戏对象启用时，它必须重新构造中间数据的缓冲区，从而在评估Animator的Animator Controller时使用，这被称为Animator Rebind，它在Unity性能分析器中显示为Animator.Rebind。

在Unity 2018之前，唯一的应对方法是禁用Animator组件，而不是其游戏对象，这会产生副作用：如果角色上有MonoBehaviors，Mesh Colliders或Mesh Renderers，我们可能也想把它们都禁用掉，以便节省角色使用的所有CPU时间，但这样会给代码增加复杂度，而且容易被破坏。

在Unity 2018.1中，我们加入了Animator.KeepControllerStateOnEnable API，该属性默认设为“False”，表示Animator会以它原有的方式使用，即：在禁用Animator时，取消分配它的中间数据缓冲区，在启用Animator时，重新分配这些缓冲区。

如果把该属性设为”True”，Animator将在被禁用时保留它们的缓冲区，这意味着在Animator重新启用时，不会发生Animator.Rebind，从而使Animator可以使用对象池。

小结

本文中关于脚本性能、Transform、音频、动画四个部分的优化技巧为大家介绍到这里，有不少底层的知识内容，虽稍有枯燥，但一旦我们理解清楚方法，就会在实际的开发中让项目性能得到提升。

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