Unity学习之垃圾回收GC

理解 GC 是 Unity 性能优化的基石，因为不恰当的内存管理会导致游戏在关键时刻卡顿（GC Spike），严重影响玩家体验。

C#内部有两个内存管理池:堆内存和栈内存。栈内存(stack)主要用来存储较小的和短暂的数据，堆内存(heap)主要用来存储较大的和存储时间较长的数据。C#中的变量只会在堆栈或者堆内存上进行内存分配，变量要么存储在栈内存上，要么处于堆内存上。

垃圾回收主要是指堆上的内存分配和回收，C#中会定时对堆内存进行GC操作。

1. 什么是垃圾回收GC

在 C# 中，我们使用 new 关键字来创建对象。这些对象被分配在 ** 托管堆（Managed Heap）** 上。

简单来说，GC 就是一个后台 "清洁工"。它的工作是自动找出那些不再被任何变量引用的对象，并回收它们占用的内存，以便为新对象腾出空间。

为什么需要自动 GC？ 手动管理内存（如 C++ 中的 new 和 delete）非常容易出错。忘记释放内存会导致内存泄漏（Memory Leak），而重复释放或释放正在使用的内存会导致程序崩溃。GC 的出现就是为了让开发者从繁琐且危险的内存管理中解放出来。

2. GC工作流程（简化版描述）

（1） 标记（Mark） ：GC 会暂停应用程序的所有线程（这就是导致卡顿的原因），然后从 "根" 对象（如静态变量、当前栈上的局部变量）开始遍历，标记所有仍然存活的对象。

（2）清除（Sweep）：GC 遍历整个堆，将所有未被标记的对象（即垃圾）占用的内存空间标记为 "空闲"，并将这些空闲空间加入一个 "空闲列表"。

（3）压缩（Compact）（可选）：为了减少内存碎片，GC 可能会移动所有存活的对象，将它们紧凑地排列在堆的一端，从而形成一整块连续的空闲内存。这个过程开销很大。

关键概念：GC 暂停（GC Pause）

GC 在执行 "标记" 和 "压缩" 阶段时，必须暂停主线程 。这个暂停的时间就是我们常说的GC 卡顿（GC Spike）。游戏逻辑越复杂，堆上的对象越多，GC 暂停的时间就越长。

3. Unity 中的 GC：你需要知道的关键点

Unity 使用的是 Mono 或 IL2CPP 后端，它们的 GC 有一些特定的行为和注意事项。

分代回收（Generational GC）

nity 的 GC 是分代的，它将对象分为三代：

（1）第 0 代（Generation 0）：新创建的对象。GC 最频繁地检查这一代。回收成本最低。

（2）第 1 代（Generation 1）：在第 0 代 GC 中存活下来的对象。GC 检查频率较低。

（3）第 2 代（Generation 2）：在第 1 代 GC 中存活下来的对象。GC 检查频率最低，但回收成本最高。

工作原理 ：假设：新创建的对象很快会变成垃圾。因此，GC 专注于频繁清理年轻的对象（第 0 代），而很少去打扰那些长期存活的对象（第 1、2 代）。一次完整的 GC（回收所有代）会产生非常长的停顿。

4. Unity GC触发条件

（1）周期性触发，平台不同周期时间不同

（2）当你 new 一个对象时，如果托管堆的剩余空间不足，GC 会被触发来尝试回收内存。

（3）通过调用 System.GC.Collect()。在游戏的正常逻辑中，你几乎永远不应该手动调用它，除非在一些特定的、可控的场景（如场景切换的加载界面）。

5. Unity的GC执行的问题：

（1）每次执行GC，都会暂停Unity主线程，因此游戏画面会停止渲染，造成卡顿与掉帧

（2）执行GC若内存仍然不足，会申请更大内存空间，造成更长时间卡顿

（3）Unity的GC采取不压缩（内存块不会从离散变连续）的机制，可能导致内存碎片化

6. 优化如何尽量避免不必要的GC

(1) 尽量减少不必要的new对象的次数。谨慎使用new（），并且避免在Update等周期函数中使用，array，class等分配在堆上

(2) 减少临时变量的使用，多使用公共对象，多利用缓存机制。（将容器定义到函数外，用到容器的时候进行修改即可）。

(3) 对于大量字符串拼接时，将StringBuilder代替String。（string不可修改性，修改即创建一个新的string对象，旧的直接抛弃等待GC，但少量字符串拼接用string，性能优于stringbuilder）

cs 复制代码

// Bad
string message = "";
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
    message += "Item " + i + ", "; // 循环10次，产生10个垃圾字符串！
}

// Good
private StringBuilder _stringBuilder = new StringBuilder();
void BuildMessage()
{
    _stringBuilder.Clear();
    for (int i = 0; i < 10; i++)
    {
        _stringBuilder.Append("Item ").Append(i).Append(", "); // 无GC Alloc
    }
    string finalMessage = _stringBuilder.ToString(); // 只在最后产生一次分配
}

(4) 使用扩容的容器时，例如：List，StringBuilder等，定义时尽量根据存储变量的内存大小定义储存空间，减少扩容的操作。（扩容后，旧的容器直接抛弃等待GC）

(5) 闭包：通过匿名函数实现，可以捕获外部变量，不会因为函数执行完就销毁。

cs 复制代码

    void Start()
    {
        int externalVar = 10; // 外部变量（Start函数的局部变量）
 
        // 定义一个匿名函数（闭包），它捕获了externalVar
        System.Action closureFunc = () => 
        {
            externalVar += 5;
            Debug.Log("闭包内的变量值：" + externalVar); // 输出：15
        };
 
        closureFunc();
 
        Debug.Log("外部的变量值：" + externalVar); // 输出：15
    }

(6) 使用struct代替class，管理轻量数据，因为struct分配在栈上

(7) 多使用对象池与Cache（缓存）,实例化对象产生大量垃圾 Instantiate(new GameObject());解决手段是 使用对象池技术来解决这个问题

(8) 在Update中使用射线检测时，会疯狂创建数组，会产生GC

cs 复制代码

void Update() {
    Physics.RaycastAll(new Ray());
}

可以使用 Physics.RaycastNonAlloc避免，下面只创建了一次数组

cs 复制代码

private RaycastHit[] hits = new RaycastHit[10];
void Update() {
    Physics.RaycastNonAlloc(new Ray(), hits);
}

(9) 当使用yield return 的时候也会产生一个新的对象

cs 复制代码

IEnumerator Wait() {
    // 协程返回会创建一个引用类型数据
    yield return new WaitForSeconds(5f);
}

可以用多个协程使用同一个对象来解决问题

cs 复制代码

private WaitForSeconds delay = new WaitForSeconds(5f);
IEnumerator Wait() {
    // 协程返回会创建一个引用类型数据
    yield return delay;
}

可以写一个具体的 YieldHelper 做为一个工具类，来具体处理协程提前应该创建好的变量，进而消除协程的GC

cs 复制代码

// yield 的意思是产出
IEnumerator WaitToDo(float setTime) {
    // 这里的堵塞逻辑其实是 
    yield return YieldHelper.WaitForSeconds(setTime);	
    // do something
}

public static class YieldHelper {
    public static IEnumerator WaitForSeconds(float totalTime) {
        float time = 0;
        while (time < totalTime) {
            time += Time.deltaTime;
            yield return null;		// 等待一帧
        }
    }
}

(10) 装箱（变量转化为object类型）与拆箱（object类型转为基本类型），可以使用.ToString（）使得代码编译减少装箱操作，从而减少堆上内存分配。

避免不必要的装箱

使用泛型集合：`List<int>` 代替 `ArrayList`。`ArrayList` 会将所有元素都装箱为 `object`。

(11) List<T>, StringBuilder等 ：在Start或Awake中初始化，而不是在Update或LateUpdate中。

cs 复制代码

// Bad
string message = "";
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
    message += "Item " + i + ", "; // 循环10次，产生10个垃圾字符串！
}

// Good
private StringBuilder _stringBuilder = new StringBuilder();
void BuildMessage()
{
    _stringBuilder.Clear();
    for (int i = 0; i < 10; i++)
    {
        _stringBuilder.Append("Item ").Append(i).Append(", "); // 无GC Alloc
    }
    string finalMessage = _stringBuilder.ToString(); // 只在最后产生一次分配
}

(12) 谨慎使用 LINQ 和 Lambda 表达式

LINQ 非常方便，但在性能敏感的Update循环中应避免使用。

注意闭包 ：Lambda 表达式（() => { ... }）可能会捕获外部变量，导致创建闭包对象，产生 GC。

Unity学习之垃圾回收GC

1. 什么是垃圾回收GC

2. GC工作流程（简化版描述）

3. Unity 中的 GC：你需要知道的关键点

4. Unity GC触发条件

5. Unity的GC执行的问题：

6. 优化如何尽量避免不必要的GC

避免不必要的装箱

使用泛型集合 ：List<int> 代替 ArrayList。ArrayList 会将所有元素都装箱为 object。

使用泛型集合：`List<int>` 代替 `ArrayList`。`ArrayList` 会将所有元素都装箱为 `object`。