Unity 中的 10个代码优化小技巧

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Unity 中的 10个代码优化小技巧

又到了开学导员开会的时候。满屋子的学生听着比讲课还无聊空洞的东西，于是整齐地打开了手机。于是就在知乎看到了 默然的这篇文章：
Unite Talk 让INSIDE实现稳定60帧的工具，技巧和技术
该文翻译了 Unite 2016 《INSIDE》开发人员的演讲。其中介绍了 10 个 Unity 代码优化技巧。我觉得非常有意思和有启发性，但里面有些地方我持存疑态度，所以写篇文章进行记录，和验证。
1、通过合理的计算顺序来减少矢量操作次数

来看下面这几行代码：
Vector3 vec = new Vector3(1, 2, 3);
Vector3 nvec = vec * 3f * 2f;
Vector3 与 float 相乘，实际上是 Vector3 中的三个分量分别与 float 相乘，也就是进行了 三次乘法运算，然后返回乘后的 Vector3
那么对于上面的代码，vec 与 3f 相乘，进行了 3次 乘法运算，然后得到一个临时的 Vector3 我们称其为 temp。 然后 temp 与 2f 相乘，又进行了 3次 乘法运算。那么总共就进行了 6次 乘法运算。 但我们可以通过调整运算顺序来减少乘法次数：
Vector3 vec = new Vector3(1, 2, 3);
Vector3 nvec = vec * (3f * 2f);
这里我们只是加了一个括号，让 3f * 2f 先进行运算。那么这行代码的运算过程就是这样的：首先计算 3f * 2f 只需要一次乘法运算 得出 6f，然后计算 vec * 6f 需要三次乘法运算，得出最终结果。那么总共进行了 4次 乘法运算，与之前的 6次 相比减少了 2次 乘法运算。
这里我做了简单的测试：






结果显示为，在 100000 次运算下，两者运算时间差了 6ms
2、缓存 transform

故名思意，就是我们在 MonoBehavior 中可以先把物体的 transform 缓存一下，之后使用这个缓存的 transform 指针。这里直接给出测试代码和结果：
不缓存时：






缓存后：






可以看出，在每帧 100000 次计算下，缓存后每帧运算时间优化了近 20ms。
原文并没有解释缓存后性能得到优化的原理。个人猜测是因为过多的继承关系，导致直接获取 transform 指针较慢。
3、尽可能使用localPosition 而不是 position

原因是因为在 transform 中只存储和计算了 localPosition，而在获取 position 时，会根据当前物体的层级结构来一层一层地向上进行坐标转换计算，直到最终转换为世界坐标。
那么，如果该物体所在层级越深，获取 position 时 计算量就越大。下面给出测试代码和结果：
层级：


直接使用 position：






使用 localPosition：



可以看到，在拥有 11 个父物体的层级下，每帧计算 100000 次，使用 localPosition 比 使用 position 优化了 70ms 左右。
同样的道理，使用 localRotation 也能起到优化效果。
4、减少引擎调用

这里给出的例子是，我们对 transform.localPosition 进行修改时，不直接修改，而是缓存一份 transform.localPosition，然后对缓存进行修改，再把缓存值给 transform.localPosition
下面给出测试代码 和 结果：
缓存前：



缓存后：






在每帧 100000 次计算下， 缓存后 比 缓存前 优化了 10ms 左右
同样，缓存 localRotation 也能起到优化效果
原文并没有给出这一优化的原理，本人水平有限，也没有想出合适的解释。
5、不使用 getter 和 setter

getter 和 setter 也就属性。下面给出测试代码 和 结果：
使用属性：






不使用属性：






在 每帧计算 100000 次的情况下，不使用属性 比 使用属性 优化了 4ms 左右。
原文这里仍没有给出解释。这里本人猜测为 属性对于字段又封装了一层，导致获取字段值是会慢一点。
即使用属性，会隐式调用方法，进行栈操作。
同时还要注意，原文指出，在 mono 下 这样做是有优化效果的，但是在 il2cpp 下反而运算更慢了。
6、不要使用矢量运算符

这里说的是 vec1 += vec2 要比 vec1.x += vec2.x; vec1.y += vec2.y; vec1.z += vec2.z; 的效率要慢。
即 两个矢量直接计算，比我们把矢量拆开分别对分量进行计算要慢。下面给出测试代码 和 结果：
矢量直接相加：






矢量的分量对应相加：






可以看出，在每帧 100000 次运算下，把矢量拆分对分量分别进行计算会优化近 5ms。
在原文中，对于这一原理的解释为 Vector3 之间直接进行运算时，会在堆上面分配出一个临时的Vector3 变量。 而对分量直接进行计算，就是直接在分量上进行修改，不会产生临时变量。
个人觉得这一说法不太准确，矢量直接运算确实会封装出一个临时变量，但是矢量作为一个结构(struct) 这个临时变量应该是在栈上分配的。
如果觉得每次向量间进行计算，都要分成三行来写非常麻烦，可以封装出一个方法：


这是本人写的一个扩展方法，因为用了 ref 关键字进行修饰，所以不需要额外封装出一个矢量进行返回。
但因为使用时调用了拓展方法，仍有一定性能损失。每帧进行 100000次 运算情况下，其会比直接写三行代码要慢 2~3 ms
至于为什么封装之后仍慢 2~3ms，因为向量间直接运算会结果封装出一个新的向量，这是在栈上生成的。 而把向量分量进行计算避免了栈操作。
而封装出方法在调用时要进行出栈操作，所以相比下仍要慢一点点。
7、缓存 Time.deltaTime

这里先直接给出测试代码 和 结果：
缓存 Time.deltaTime 之前：






缓存 Time.deltaTime 之后：






可以看出，在每帧 100000 次运算下，缓存 Time.deltaTime 后，优化了 20ms 左右
原文没有给出该优化原理的解释。个人猜测为，每次获取 Time.deltaTime 时 Unity 都会重新计算一次 deltaTime，但这是没有必要的，因为我们只要确保 deltaTime 一帧能更新一次即可。
8、不要使用 foreach 循环

因为 foreach 会产生垃圾回收(GC)。
然而在本人实际测试中，foreach 并没有产生 GC…
我们创建 10 个物体并添加一个脚本，然后在另一个脚本中，每帧遍历 10000 次这 10个物体，并调用它们身上脚本的方法。
下面给出测试代码 和 结果：
使用 foreach 循环：










使用 for 循环：






结果发现并没有产生明显优化。 后来本人又实验了几次，发现 for 循环还是稳定地要比 foreach 快的。
并且发现 foreach 并没有产生 GC。之前我一直觉得 foreach 会产生 GC 是基础常识，结果发现竟没有 GC 也是吃了一惊。于是又做了一些测试，下面是结果：
遍历 数组、列表、字典、哈希表，都没有 GC
不知道是我地测试代码有问题，还是时代变了…
补充: foreach 产生 gc 的问题，在之前版本已经解决。
9、使用 Array(数组)，而不是 List

原文说 List 和 数组 相比，使用下标访问时，List 是从头遍历到 对应下标位置，时间复杂度为 O(n)，而数组为 O(1)
这个说法是有误的。但是从下标访问的速度而言，数组 确实比 List 要快。
如果 List 的下标访问，其 时间复杂度为 O(n)，那么 访问 头元素，和 访问 尾元素的时间应该是不一样的。但经过测试，访问 头、尾 和 中间的元素，所用时间都是一样的。但是也都比 数组访问要慢。
下面给出 测试代码 和 结果：






在计算 100000次 的情况下，List 的下标访问会比 数组慢 2~3 ms
这给了我启发：
在一些集合初始化时，我们无法确定集合的大小，因此会选用 List，但是在初始化完毕之后，我们一般不会再向里面添加新的元素。
例如一些配置文件的初始化。那么我们就可以把这个 List 再转换为数组，这样在其它地方进行下标查找时会更快。
10、尽量避免使用 Update 和 FixedUpdate

原文提到 Unity 的 Update 和 FixedUpdate 存在性能问题，应当避免使用。
那避免之后，一些需要每帧调用，或者一些计时任务该怎么办呢？
那就只能自己实现一个计时回调器了。关于计时回调器的实现，足以另起几篇文章来讲，因此这里不作赘述。
最后总结：

通过合理的计算顺序来减少矢量操作次数，一维向量先运算完毕之后再与 多维向量进行运算。缓存 transform尽可能使用本地坐标下的变量，例如 localPosition 和 loaclRotation，而不是直接使用 position 和 rotation减少引擎API的调用，例如 缓存 transform.localPosition 和 transform.loaclRotation减少使用 getter 和 setter 即属性不使用矢量运算符，而是对矢量的分量进行一一运算。缓存一个全局的 deltaTime，保障其每帧会更新一次即可，然后其它脚本共用这一个 deltaTime。不要使用 foreach，而是使用 for如果 List 初始化完毕之后，以后不会再向里面添加元素，那么最后把它转换为 数组。尽量避免过多的 Update 和 FixedUpdate 存在。可以自行实现计时回调器。

最后的最后

Unity 最近的几个实验功能，其里面的代码都使用到了 Job System 和 Brust编译器。
所以 Unity 之后的内部优化路线应该就是通过底层多线程调度来提高运行效率。
在最后，原文也指出了，在面向对象这一概念产生之后，所形成的代码规范和习惯，对于游戏开发来说，在性能上都是比较低效的。但是面向对象对于开发的效率而言是无需言喻的。
所以，要做出性能最佳的游戏程序，就要跳回到面向对象产生之前的编码方式。
这一思路便诞生了 ECS 框架，即面向数据而非面向对象。
现在 Unity 也提高了现成的 ECS 框架。 但我觉得使用 ECS，就意味着代码更加 难以书写、臃肿 和 难以阅读。且需要做大量的底层重构。
因此在开发前要明确好具体的框架使用。如果使用面向对象的框架来开发，那么为了开发效率，我觉得可以按照面向对象的传统习惯来编码，功能实现完毕之后再对照优化技巧来修改代码。