2016年1月14日 星期四

技術分享:呼叫1000個Update()

作者:VALENTIN SIMONOV 原文

Unity有一個訊息系統可以在遊戲執行時對腳本內部呼叫各種Mothod。對於初學者也非常簡單又容易理解。只需要定義一個Update方法,便可以每幀呼叫Mothod中的內容。
void Update() {
    transform.Translate(0, 0, Time.deltaTime);
}
有經驗的人可能會對此產生疑問:
1.不清楚這個方法究竟是如何被呼叫的
2.不清楚當一個場景中有多個物件時,這些方法的呼叫順序是如何
3.這種程式風格不是十分智能

UPDATE是怎麼被呼叫的

Unity並沒有使用System.Reflection進行方法的定位。
取而代之的是,首先給定類型的MonoBehaviour通過底層腳本進行檢查,判斷腳本執行過程中(無論是Mono或IL2CPP)是否有方法被定義,同時其中內容有沒有被緩存。如果檢查到特定的方法,便增加到一個合適的列表中。例如,當一個腳本中定義了Update方法後,這個腳本便被增加到一個需要每幀更新的腳本列表中。

在遊戲過程中,Unity只需要重複執行所有列表中的方法即可。所以你的Update方法究竟是public還是private並不重要。

UPDATE方法的執行順序

UPDATE方法的執行順序可以從Script Execution Order Settings來設定。(Edit > Project Settings > Script Execution Order)要手動設定1000個腳本的執行順序不是什麼好主意,但是要微調某些特定腳本的執行順序還是可以的。當然,未來我們將會提供更加方便的方式來指定執行順序,比如在程式中使用一個屬性。

無法與INTELLISENSE一起使用

在Unity中,我們使用某類IDE編譯C#腳本,這些IDE大多無法識別這些特定方法應該在何處被呼叫。因此常會導致警告以及不容易指向程式。
有一些開發者用一個叫BaseMonoBehaviour或類似名字的抽象類別擴展MonoBehaviour,然後在他們的項目中的每個腳本裡都擴展這個類。他們在其中寫了一些有用的功能以及一堆虛擬的特殊方法:
public abstract class BaseMonobehaviour : MonoBehaviour {
    protected virtual void Awake() {}
    protected virtual void Start() {}
    protected virtual void OnEnable() {}
    protected virtual void OnDisable() {}
    protected virtual void Update() {}
    protected virtual void LateUpdate() {}
    protected virtual void FixedUpdate() {}
}
這個結構可以使你在程式中使用MonoBehaviour時更有邏輯性,但存在一個小缺點。或許你已經發現了

所有你的MonoBehaviour都會儲存在Unity的內部更新列表裡,所有你的腳本都會在每幀裡呼叫這些基本上沒怎麼用到的方法!
有人可能會問為什麼會有人關心一個空方法?因為這些從C++到託管C#的呼叫有效能上的開銷。讓我們來看看成本為何。

呼叫10000個UPDATE

我為這篇文章在Github上做了一個範例,它有兩個場景,可以透過點擊手機設備或在編輯器中按任意鍵互相切換:

(1) 在第一個場景中,使用下面這樣的程式建立了10000個MonoBehaviour:
private void Update() {
    i++;
}
(2) 在第二個場景中,建立了另外10000個MonoBehaviour。不過,不同的是,這個程式中並不是只呼叫Update,而是像下面這樣,加入了一個由Manager腳本在每幀都呼叫一次的自訂UpdateMe方法。
private void Update() {
    var count = list.Count;
    for (var i = 0; i < count; i++) list[i].UpdateMe();
}
測試專案在兩台iOS設備上被編譯為Mono以及IL2CPP,發佈設定中都設為non-Development 模式。它們的執行時間記錄如下:

1. 在第一次Update呼叫時設定一個Stopwatch (在Script Execution Order中配置)
2. 在LateUpdate時停止Stopwatch
3. 將獲得的時間均攤到幾分鐘上

Unity版本: 5.2.2f1
iOS版本: 9.0

Mono


哇!好多時間!測試肯定哪裡出了問題!

實際上,我只是忘了把Script Call Optimization 設為Fast but no exceptions,但是現在我們能看到這種設定對性能的影響了…至於IL2CPP不必太在意。

Mono (fast but no exceptions)


OK,這樣好多了,讓我們切換到IL2CPP。

IL2CPP


這裡我們發現兩件事情:
1.這個優化對於IL2CPP同樣有用
2.IL2CPP仍有改進空間,而且在寫這篇文章的同時Scripting 與IL2CPP團隊正在努力提高性能。比如,最新的Scripting分支內包含的優化可以讓測試執行快35%。

我後面會說明Unity在背後做了什麼,現在先讓我們修改下Manager程式,讓它加速5倍!

介面呼叫,虛擬呼叫以及陣列存取

如果你沒讀過This great series of posts about IL2CPPinternals這篇文章,你可以在讀完本篇之後看一下。

結果告訴我們如果你想在每幀裡都迴圈反覆運算擁有10000個元素的清單,那應該使用陣列而不是List,因為這樣生成的C++程式會更簡單,而陣列存取就會快很多。

在下一個測試中,我把List<ManagedUpdateBehavior> 改為了ManagedUpdateBehavior[]。

這看起來好多了! 我用陣列的方式在Mono上執行測試花了0.23ms。

解救之道!

我們發現了從C++呼叫C#函數較慢,不過讓我們再研究下當呼叫所有這些對象的Update方法時,Unity實際上做了些什麼。最簡單的方法就是使用Apple Instruments的Time Profiler。
注意這不是Mono與IL2CPP 的對比測試 - 討論的大多數內容對Mono iOS構建同樣適用。
我在iPhone6上用Time Profiler啟動了測試專案,記錄了幾分鐘的資料,然後選擇了一分鐘檢視一次。從這行程式開始的所有東西我們都很感興趣:
void BaseBehaviourManager::CommonUpdate<BehaviourManager>()

如果你以前沒有使用過Instruments,右邊是按照執行時間排序的函數,以及它們呼叫的其他函數。最左邊的列是以毫秒為單位的CPU時間,以及這些函數及其呼叫的函數所占的CPU時間百分比。左邊第二列是函數自己的執行時間。注意,在這個實驗中Unity並沒有將CPU使用完,所以我們能看到在60秒間隔內有10秒的CPU時間花在了我們的Update上。顯然,我們關心的是那些執行時間最長的函數。

我用矬矬的Photoshop技術畫了一張圖分幾區顏色,說明到底發生了什麼事。

UpdateBehavior.Update()
在中間你能看到我們的Update方法,以及IL2CPP是如何呼叫它的 —UpdateBehavior_Update_m18。但是Unity在那之前還做了很多其他事。
迴圈反覆運算所有的Behaviour
Unity迴圈反覆運算所有的Behaviour並執行更新。特殊的反覆運算類SafeIterator確保了即使移除了列表中的下一項,整個迴圈也不會中斷。僅僅是迴圈反覆運算所有已註冊的Behaviour就用了9979ms中的1517ms。
檢測呼叫是否有效
下一步,Unity做了一堆檢測,確保呼叫的方法是屬於某個已啟動已初始化且Start方法已呼叫過的GameObject的。你肯定不希望在Update裡銷毀一個GameObject時讓遊戲當機,對吧?這些檢測花去了整個9979ms中的另外2188ms。
準備呼叫方法
Unity建立了一個ScriptingInvocationNoArgs實例 (代表了一個從原生到託管的呼叫)以及ScriptingArguments,然後命令IL2CPP虛擬機器呼叫方法(scripting_method_invoke函數)。這一步消耗了整個9979ms中的2061ms。
呼叫方法
scripting_method_invoke函數檢測傳入的參數是否有效(900ms),然後呼叫IL2CPP 虛擬機器的Runtime::Invoke方法 (1520ms)。開始時,Runtime::Invoke檢測方法是否存在 (1018ms)。而後,它呼叫一個生成的RuntimeInvoker函數獲取方法簽名(283ms)。接著再依次呼叫我們的Update函數,根據Time Profiler,這一步花了42ms。

再來一個漂亮的彩色表格。


託管更新

現在使用Time Profiler來測試我們的Manager。你在螢幕上可以看到還是同樣的一些方法(有些方法因為執行時間少於1ms,甚至都沒出現),但是大部分的執行時間實際上都花在了UpdateMe函數上(或者說花在了IL2CPP呼叫ManagedUpdateBehavior_UpdateMe_m14上)。另外,IL2CPP還插入了一個null檢測,確保我們迴圈反覆運算的陣列不會為null。

下面這個圖片使用了和上面相同的顏色分類。

所以,你現在覺得如何,我們應該忽略那小小的方法呼叫嗎?

有關測試的幾句話

老實說,這個測試並不是完全公平的。Unity為了防止你的遊戲出錯或當機,做了很多事:這個GameObject是否已啟動?它是否在Update迴圈中被銷毀了?物件上是否存在Update方法?怎麼處理在這個Update迴圈中建立的MonoBehaviour?—我的Manager腳本沒有處理這其中任何一項,僅僅是迴圈反覆運算了一堆的物件,呼叫它們的Update而已。

在真實世界中,Manager腳本可能會更加複雜,執行得更慢。但是,我是個開發者—我知道我的程式要做什麼,我架構我的Manager類時,知道可能的行為是什麼,什麼不會出現在我的遊戲中。而不幸的是,Unity並不知道這些。


下一步你應該怎麼做?

當然這完全視你的專案而定,但實戰中碰到一個遊戲在單一場景中使用大量需要在每幀都執行一些程式的GameObject的情況並不少見。而且通常這看起來都是些不起眼的小程式,似乎不會影響到任何東西,但當其數量非常巨大時,呼叫幾千個Update方法的開銷將變得很大。這個時候再去修改遊戲架構,可能已經為時已晚。

現在你明白了,在你開始下一個專案時考慮一下吧。

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