XLua中lua读写cs对象的原理

LuaCallCS

1. 传递C#对象到Lua

XLua在C#维护了两个数据结构,ObjectPool和ReverseMap。

首次传递一个C#对象obj到Lua时,对象被加入到ObjectPool中,并为它创建一个唯一标识objId,建立obj和objId的双向映射。

ObjectPool: objId->obj ReverseMap: obj->objId

如果该对象的类型是第一次传到Lua,还会为类型创建一个元表typeMetatable。

typeMetatable:包含类成员的访问方法。

把typeMetatable注册到Lua的全局表中,这样就不会被lua gc掉。

LUA_REGISTRY: typeFullName->typeMetatable

创建一个userdata对象放到C#和Lua交互的栈上,userdata的值设为objId,userdata的元表设为typeMetatable。这样userdata就可以通过value找到C#对应的对象,通过元表找到类成员的访问方法。

userdata: value = objId, metatable = typeMetatable

至此,完成了C#对象到Lua的传递,lua从栈上拿到这个userdata对象。

对于引用类型,还会把这个userdata记录到Lua的全局表cache_ref。

cache_ref:objId->userdata

下次再传递同一个对象时,通过obj在ReverseMap里找到objId,通过objId去cache_ref里找到userdata,放到lua栈上。

cache_ref表的value是弱引用,userdata没有其他引用后,gc时会把cache_ref里的键值对删除。

2. 对象释放

对象的释放有两种方式。

Lua gc

在userdata的元表里,设置了__gc方法

 typeMetatable{  __gc = LuaGC,  }

当一个userdata被gc时,触发LuaGC方法。从userdata上拿到objId, 从ObjectPool和ReverseMap中移除对应的C#对象。cache_ref里的userdata是弱引用,会被gc清理掉。

Destroy UnityEngine.Object

XLua可以定期检查ObjectPool里的UnityEngine.Object对象,如果已经被Destroy,则主动从ObjectPool和ReverseMap中删除,C#对象可以被GC。userdata对象等待lua gc再释放。

3. Lua访问C#成员

一个C#对象在Lua中有一个对应的userdata对象。比如一个GameObject对象go,访问它的transform成员。

  local transform = go.transform

go的元表是GameObject的typeMetatable,XLua为GameObject生成了一个*g*get_transform C#函数,并注册到typeMetatable中,

这部分比较复杂,可以简单的认为类的元表中生成了类成员的访问方法,通过成员变量的名字可以查询到对应的方法。

GameObject_metatable{
    __index = function(key)
        field = {
            transform = _g_get_transform,
            ...
        },
        ...
        if fields[key] ~= nil then            return fields[key]
        end        ...
    end,
    __newIndex同理。
}

访问字段transform会触发__index方法,查询到gget_transform,这是xlua生成的一段C#函数,该函数通过userdata拿到objId,从而在ObjectPool中拿到C#对象go,将go.transform传给lua。

4. Struct对象的传递

默认情况下,将一个Struct对象传递给Lua,首先会装箱成一个Object对象,记录到ObjectPool中,生成objId,再创建一个userdata给lua,userdata中记录着objId。跟引用类型不同,值类型的userdata不会存到cache_ref中。 所以lua每读取一个struct,都会创建一个C#对象和一个userdata。XLua提供了一个优化方案:GCOptimize。

5. GCOptimize

可以对指定的Struct类型加上GCOptimize标签,XLua会为其生成专门的Push,Get,Update代码。

以Vector3为例。

Push

local pos = transform.position

C#传递一个Vector3到Lua时,创建一个userdata并设置它的元表。

userdata申请的value申请12个字节(Vector3有3个float),把Vector3对象的xyz的值依次复制到userdata的三个float上。userdata不再记录objId,而是直接存储struct的值。

通过GCOptimize的方式,省掉了C#的gc消耗,不过每次push一个vector3对象还会创建一个userdata。

Get

transform.positon = pos

XLua支持两种从lua传值对象到C#。

第一种是传userdata,即这个对象本来就是从C#传到lua的,lua再传回去。这时会直接把userdata里的值取出来,赋给C#的Vector3对象。没有gc,性能比较好。

第二种是构建一个字段相同的table传给C#,transform.positon = {x=0,y=0,z=0}。xlua会查询table里同名的字段,复制值给c#的成员变量。由于根据变量名字的字符串去查表,这个性能没有第一种好。

Update

pos.x = 1

lua修改一个GCOptimize的userdata。

先Get,上文讲了,会创建一个Vector3对象,复制userdata的值。然后在C#修改它的值x。

接下来Update操作,拿到栈顶的userdata,把Vector3对象的值复制到userdata。

6. 在Lua中读写transform position

修改transform的position是一个很常见的需求,看看下面这段lua代码正确吗:

transform.position.x = 1

这段代码可以执行,但并没有效果,transform的position不会被改变。

如果这段代码用c#写,会直接编译器报错。来看看Transform里的position源码:

public Vector3 position
{
    get    {
        Vector3 ret;
        this.get_position_Injected(out ret);
        return ret;
    }
    set => this.set_position_Injected(ref value);
}

position并不是一个变量,而是一个属性。所以在C#中,transform.position是一个返回值,C#不允许修改一个返回值,因为修改一个临时变量并没有意义。所以在C#中你得这么写:

var pos = transform.position;
pos.x = 1;
transform.position = pos;

再回头看看那句lua代码 transform.position.x = 1 ,它不过是把get出来的值修改了,要想把位置修改,只能通过position的set访问器。

local pos = transform.position;
pos.x = 1;
transform.position = pos;

看起来很繁琐?但这不是lua的问题,在c#里就这么繁琐。

再来分下这段代码的性能,对Vector3开启GCOptimize,

local pos = transform.position; --transform Get position: Push Vector3,有一个userdata gc
pos.x = 1; --Vector3 set x: 1.Get Vector3,复制userdata的值到Vector3,2.修改Vector3的x,3.Update Vector3,把Vector3的值复制回userdata
transform.position = pos; --transform Set position: Get Vector3,复制userdata的值给Vector3,这个性能不差。

接下来,介绍一种性能比较好的方式。

7. 不带来GC的值类型传递方式

可以看到,引入GCOptimize之后,除了Push操作有lua GC,Get和Update是没有GC的。

传递一个userdata到C#比传递table效率更高,因为传递table会通过字符串查表。

修改一个table的值比修改一个userdata的值效率更高(看起来,但没测过),因为每修改userdata的一个成员,就会拷贝两次Vector3,而修改一个table只用一次查表。

常见的一个需求是,在lua维护一个位置信息,lua会更新这个位置数据,并设置到c#对象上。如果创建一个Vector3的userdata对象,传值给C#比较快,但更新它的值比较低效。如果创建一个table对象,更新它的值比较高效,但传给C#的时候会有3次查表。

综上所述,推荐最简单的方案,在C#封装一些Util函数,把对象的成员变量通过参数的方式进行传递,在lua维护x,y,z。

public static void GetPosition(Transform t, out float x, out float y, out float z) {
    Vector3 v = t.position;
    x = v.x;
    y = v.y;
    z = v.z;
}
public static void SetPosition(Transform t, float x, float y, float z) {
    t.position = new Vector3(x, y, z);
}

CSCallLua

1.传递Lua函数到c#

首先在lua全局表注册lua函数,避免被GC

LUA_REGISTRY: luaReference->luaFunction

创建DelegateBridgeBase对象,记住luaReference

bridge:
    luaReference

bridge对象里根据类型创建Delegate,一个lua函数可能在C#侧被用作不同类型的Delegate

bridge:
    luaReference
    <DelegateType,Delegate>

Delegate 的实例是生成的C#代码,通过luaReference访问lua函数,这里面有对bridge的引用,所以持有这个delegate对象就不会释放bridge对象。

最后返回Delegate给使用者持有。bridge是局部变量,没有被其他对象引用。

2. DelegateBridge gc过程

c#侧释放对delegate对象,delegate对象释放后,bridge的引用计数归零,被GC,在gc方法中,从lua全局注册表清理luaReference,对应的lua函数引用计数减一。

交互总结

无论是cs call lua还是lua call cs,原理是一样的。

从A环境传递一个对象a到B环境,会先在A环境的全局存储这个对象并建立一个a_id,保证这个对象不被GC,把a_id传递到B环境并构建一个包装对象a_wrapper,包含a_id,这样a_wrapper可以通过a_id访问到a。a_wrapper的GC方法里,需要把A全局表里的a清除掉,这样就能触发a的GC。

对于引用对象,还会记录到一个弱引用表,<a_id,a_wrapper>,下次传递a对象时,就能找到a_wrapper不用再创建。

globalReg: a_id-a

[a_wrapper{a_id,GC={delete in globalReg}}]

weaktable:<aid,a_wrapper>

两个GC系统的延迟GC问题

一个C#对象被lua持有着引用,当lua释放引用时,c#对象不会直接gc,需要等lua gc,lua gc可能会很慢触发,但它背后的引用的c#对象可能占用着较大的内存。

解决方案是lua对象释放的时候,手动调用一下c#对象的释放,把较大的内存释放掉,比如RawFileAsset对象中的byte数组data,lua释放这个对象时,手动把data置null,这样data就可以及时被GC,不用等lua gc。

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