Unity 系列 -- 内存管理

前言

内存是游戏的硬伤，如果没有做好内存的管理问题，游戏极有可能会出现卡顿甚至闪退等极其影响用户体验的现象。

什么是 Mono 内存

对于目前绝大多数基于 Unity 引擎开发的项目而言，其托管堆内存是由 Mono 分配和管理的。"托管" 的本意是 Mono 可以自动地改变堆的大小来适应所需要的内存 ，并且适时地调用垃圾回收 （Garbage Collection ）操作来释放已经不需要的内存，从而降低开发人员在代码内存管理方面的门槛。

Unity 游戏在运行时的内存占用情况可以用下图表示：

目前绝大部分 Unity 游戏逻辑代码所使用的语言为 C#，C# 代码所占用的内存又称为 Mono 内存，这是因为 Unity 是通过 Mono 来跨平台解析并运行 C# 代码的（详细见Unity 系列 -- Unity 跨平台原理及编译过程）C# 代码通过 Mono 解析执行，所需要的内存自然也是由 Mono 来进行分配管理

占用内存的是什么

值类型存在栈中，引用类型存在堆中。

一般引用类型占用的内存很大，如 string、int[]、List 等，它们放在堆中，并使用指针（值类型，放在栈中）来记住它的位置。

如果能通过指针引用到变量，那么这个变量就要一直占用着堆内存，不能被垃圾回收机制回收掉

垃圾回收机制（GC）

Mono 向操作系统申请得到堆内存 = 已用内存 + 空闲内存

每当 Mono 需要分配内存时，会先查看空闲内存是否足够，如果足够的话，直接在空闲内存中分配，否则 Mono 会进行一次 GC 以释放更多的空闲内存，如果 GC 之后仍然没有足够的空闲内存，则 Mono 会向操作系统申请内存，并扩充堆内存，具体如下图所示：

要点：

• 需要分配内存 + 空闲内存不够 => GC 才会自动运行
• GC 能把不再使用 （如不能被引用到的变量）的已用内存释放为空闲内存
• GC 释放的空闲内存只会留给 Mono 自己使用，并不会交还给操作系统
• GC 运行后空闲内存还是不够才会去向操作系统申请更多内存，操作系统内存爆了就会把 APP 杀掉（闪退）

垃圾回收具体流程

1. 停止所有需要 Mono 内存分配的线程。
2. 遍历所有已用内存，找到那些不再需要使用的内存，并进行标记。
3. 释放被标记的内存到空闲内存。
4. 重新开始被停止的线程。

手动执行垃圾回收

除了空闲内存不足时 Mono 会自动调用 GC 外，也可以在代码中调用GC.Collect()手动进行 GC，但是，GC 本身是比较耗时 的操作，而且由于 GC 会暂停 那些需要 Mono 内存分配的线程（C# 代码创建的线程和主线程），因此无论是否在主线程中调用，GC 都会导致游戏一定程度的卡顿，需要谨慎处理。

垃圾回收原理

是通过引用关系的方式来进行的。Mono会跟踪每次内存分配的动作，并维护一个分配对象表，当GC的时候，以全局数据区和当前寄存器中的对象为根节点，按照引用关系进行遍历，对于遍历到的每一个对象，将其标记为活的（alive）

如上图所示，假设 A 是处于全局数据区 的一个对象，那么在 GC 的时候以 A 为根节点进行遍历，由于 B、C、D 对象都可以由 A 遍历到，E、F 对象则没有被标记，它们被认为是"失联"了，GC 会将所有"失联"的对象内存进行回收，最终上图中的 E 和 F 会在 GC 过程中被回收

示例：

using UnityEngine;
using UnityEngine.UI;
using System.Collections;

public class ExampleScript : MonoBehaviour {
    public int score;
    
    void Start() {
        int res = 0;
        Debug.Log(res);
    }
    
    void Update() {
        string scoreText = score.ToString();
        Debug.Log(scoreText);
    }
}

• Start：仅当启用脚本实例后，才会在第一次帧更新之前调用
• Update：每帧调用一次

在 Start 函数里的 res 变量在新一轮 GC 中不会被遍历到，所以 res 变量所占用的内存会在新一轮 GC 被回收；相反，private 变量 score 每帧都会被访问到，即在新一轮 GC 会被遍历到，所以不会被 GC 回收。

从根源上避免垃圾产生

例子1：int 数组转成字符串

优化前：

using UnityEngine;
using System.Collections;

public class ExampleScript : MonoBehaviour {
    void ConcatExample(int[] intArray) {
        string line = intArray[0].ToString();
        
        for (i = 1; i < intArray.Length; i++) {
            line += ", " + intArray[i].ToString();
        }
        
        return line;
    }
}

• 存在问题：每次调用这个函数，line 变量的先前内容变为死亡状态（变成垃圾），如果字符串特别长，那将会浪费很多没有必要的堆内存空间
• 优化方式：直接用 string.Join() 这个方法即可

using UnityEngine;
using System.Collections;

public class ExampleScript : MonoBehaviour {
    void ConcatExample(int[] intArray) {
        return string.Join(", ", intArray);
    }
}

例子2：分数显示

优化前：

using UnityEngine;
using UnityEngine.UI;
using System.Collections;

public class ExampleScript : MonoBehaviour {
    public Text scoreBoard;
    public int score;
    
    void Update() {
        string scoreText = "Score: " + score.ToString();
        scoreBoard.text = scoreText;
    }
}

• 存在问题：在每次调用 Update 时都会分配新的字符串 scoreText，由于 Update 每帧执行一次，更新频率极高，会生成源源不断的垃圾。
• 优化方式：通过 仅在 score 发生变化时 才更新 text，可避免大部分的垃圾：

using UnityEngine;
using UnityEngine.UI;
using System.Collections;

public class ExampleScript : MonoBehaviour {
    public Text scoreBoard;
    public string scoreText;
    public int score;
    public int oldScore;
    
    void Update() {
        if (score != oldScore) {
            scoreText = "Score: " + score.ToString();
            scoreBoard.text = scoreText;
            oldScore = score;
        }
    }
}

例子3：产生多个随机数组成的数组

优化前：

using UnityEngine;
using System.Collections;

public class ExampleScript : MonoBehaviour {
    float[] RandomList(int numElements) {
        var result = new float[numElements];
        for (int i = 0; i < numElements; i++) {
            result[i] = Random.value;
        }
        return result;
    }
}

• 存在问题：每次调用这种函数，都会为 result 这个数组分配全新的内存。由于数组可能非常大，因此空闲堆空间可能会迅速耗尽，导致频繁进行垃圾收集
• 优化方式：传入参数由随机数的数量改成数组，实现重复利用数组，这样每次调用该函数时不会产生任何新的垃圾

using UnityEngine;
using System.Collections;

public class ExampleScript : MonoBehaviour {
    void RandomList(float[] arrayToFill) {
        for (int i = 0; i < arrayToFill.Length; i++) {
            arrayToFill[i] = Random.value;
        }
    }
}

例子4：发射子弹的功能

优化前：

• 使用 Instantiate 方法生成子弹

• 使用 Destroy 方法销毁子弹

• 存在问题：每生成一颗子弹都会为其分配新的堆内存，被销毁后的大量子弹游戏对象会短时间内占用很多内存空间；另外，频繁地调用 Instantiate 和 Destroy 方法性能会很差，容易造成卡顿

• 优化方式：采用可重用的对象池，详情见文章 Unity 系列 -- 可重用的对象池

参考文章

• wetest.qq.com/labs/135
• docs.unity3d.com/cn/2019.4/M...