Unity 序列化机制（上）：引擎内的应用场景和基本原理

RecursiveFrog · 发表于 2022-9-20 08:16

写在前面
这篇文章讨论 unity引擎的一个核心功能，也是开发中经常遇见的话题：序列化。
内容比较多，分了两部分。这篇讲一些比较基础的前置和背景知识，以及unity序列化到底在哪些地方用使用。下篇展开说 unity序列化的一些细节和原理，以及unity本身序列化的优缺点，我们需要在什么场景使用什么样的序列进行思考。
下篇传送门: 大可：Unity 序列化机制（下）：技术细节，优缺点分析，序列化方案总结
<hr/>从UnityEngine.Object.Instantiate()说起

Unity里有个很重要的基类，UnityEngine.Object。一般Object这种名字一般不是乱取的，它往往意味着一个系统万物的最底层设计。Unity所有核心的东西：monobehvaiour, gameobject, material 都是继承于UnityEngine.Object.
要了解一个底层的基类对应了哪些底层功能，最直接的方法就是，看它定义了哪些接口（Unity - Scripting API: Object (unity3d.com) ）里面有个Instantiate()，这个接口，可以将任何Object实例化到场景，这几乎是贯穿每个游戏里的功能，最常见的就是动态加载的Prefab在场景里实例化，以及游戏过程中动态生成一些比如子弹，小兵等GameObject实例。而这个接口的实现，就是这篇文章讨论的主题：序列化
UnityEngine.Object.Instantiate 解决的需求是：我要拷贝一个&#34;对象”。这在很多编程语言里都会有这样的问题，对象怎么拷贝，以及那个高频面试题：深拷贝还是浅拷贝（Difference between Shallow and Deep copy of a class - GeeksforGeeks）？
从一个不严谨的角度，实现拷贝对象有两种流派

建新的对象，对成员变量逐一赋值
先序列化，再对数据反序列化创建新实例

UnityEngine.Object.Instantiate拷贝对象的原理

Unity使用的就是后者。简单的说就是Object.Instantiate<T>（）这个函数干的事情它的方式，是先将目标序列化，然后再反序列化。  这个实现原理来自于官方文档，虽然不能看C++的源码没法亲自证实，但是可以通过profilor去看这个接口被调用的时候，确实通过序列化合反序列化实现的。顺带一提，当你实例化一大堆prefab，gameobject的时候，光是这个序列化和反序列化的过程，也是性能开销的一部分。

Profilor 里看到序列化和反序列化的回调在Object.Intstantiate里调用

序列化使用场景

作为最底层的机制之一，序列化从Unity的编辑器到运行时，是无处不在的。有时候甚至都没意识到，这是基于序列化实现的，正所谓润物细无声了。这里列举三处常见的场景。
a) Asset和Scene的加载和保存

所有你存在游戏项目里的资产，无论是Prefab，Material还是Mesh，都可以通过Resource.Load() 或者AssetBundle 方式将磁盘里的Asset加载到游戏的运行时里的Object。整个过程，就是用的序列化。与之相反的，当你引擎里将prefab或场景按cirl+save保存到磁盘里，就是反序列化的过程。
实际上，当你用文本的方式打开这些资产的时候，你会发现他们的数据格式都是长一个样的。因为他们都是用的同一套序列化方式（文章后面会详细剖析Unity这种基于YAML的序列化方式）
b) Inspector Window

我们自己写的MonoBevaiour脚本，C# 类的一些成员，都可以在Inspector面板里，直接监视属性的值，以及实时修改。熟悉UnityEditor拓展编辑器的同学应该知道，Inspector实际上就是一个编辑器面板。我们自定义写编辑器话，怎么编辑都是要写代码的。而我们创建一个monobehaviour的脚本，似乎“自动生成”了这个编辑器代码。

我最开始以为，unity是通过C#的反射来获取，设置C#的对象的成员变量实现的。但其实Inspector不和C#直接交互，而是通过序列化的机制实现。如下图，inspector不和class本身打交道，不会通过调用类的API来读取和设置成员的值。而是和序列化后的数据打交道：展示序列化后的数据，以及通过反序列化设置值。（可以了解一下：Unity - Scripting API: SerializedObject (unity3d.com) ）

Inspector Window 显示/修改 UnityEngine.Object的原理

这也就解释了为什么一些getter和setter在inspector里是看不到的，只有实实在在能被序列化的成员变量才能在inpector上显示
c) 引擎C#层重载（Hot reloading）

开发游戏会频繁修改C#层的逻辑代码，可在应用程序开发中：修改代码意味着关掉运行的程序，重新编译，再重新运行，才能看得见你最新的修改。所以每次你改代码，重新编译，整个C#运行时都会被干掉重启（除了重新编译，游戏运行 /退出也会让整个C# reload）
但是，你会发现unity在重新编译后有一些神奇的现象。比如你游戏正在运行的时候，你改代码，刷新后游戏还能继续运行，运行到一半的变量的值还在（虽然大部分情况都是一堆报错，还是得重新运行）。比如你改了Editor侧的代码，重新运行后，整个UnityEditor的界面还是之前的样子，上次编辑的值还在，inspector里改的值还在，没有丢掉（这个功能其实十分重要，不然你每次一编译，引擎编辑器界面就像被杀进程了一样被重置了）
整个神奇的地方在于，你整个C#层都被扬了，静态变量什么的全都重置了，为什么有些运行时信息还是“幸存”了下来（比如inspector里的刚才调的参数），仿佛都没发生过？

通过把数据序列化到C++层，使得C#在重载恢复之前的状态

因为当要重新编译时，unity会先把C#层里继承UnityEngine.Object 的数据序列化，然后放进C++层避难，然后等c#编译好了后，再通过反序列化回去恢复数据。

UnityEngine.Object 在C#和C++ 双面身份

因为序列化等多个围绕UnityEngine.Object的底层功能是写在C++里的，所以在继续剖析系列化之前，先简单地探究一下UnityEngine.Object在C++和C#的行为。
Unity是个C++引擎，不是C#引擎。底层的基础功能在C++层实现，然后C#层写应用层功能，以及游戏的业务逻辑。对于每个UnityEngine.Object，除了C#层有一个实例之外，C++层也有一个对应的实例。C#侧暴露给业务逻辑，可以在C#层调用接口，C++的实例则用来做一些序列化，ID管理，回调管理等功能。比如Update, OnCollisionEnter 这种回调，实际的主循环和碰撞检测都在C++，C++通过反射，平台调用等方式再调C#

a) 使用new和CreateInstance的区别

有同学可能会疑惑：虽然Unity对Object的拷贝，都是通过序列化实现的，但是我们可不可以用C# new 一个UnityEngine.Object，然后手动一个个拷贝赋值？
这就涉及到了一个危险的操作：自己在C#层通过Activator或者构造函数创建UnityEngine.Object。因为上面说了，UnityEngine.Object是在C++和C#两边都有实例的，你自己在C#层创建了一个实例，C++层是不知道的，创建的这个Object在C++层的实例也没有，是没法正常运作的。
unity在一定程度上保护了这种情况，对于C++侧没有实例的Object，你在C#层会被当作null处理。比如看下面的代码：
MonoBehaviour testBehaviour  = new MonoBehaviour();
Debug.Log(testBehavirour); // 结果为null

UnitEngine.Object testObj = new UnitEngine.Object();
Debug.Log(testObj); // 结果为null
但是为什么这样又可以了？：
GameObject testGO  = new GameObject(&#34;NewGameObject&#34;);
Debug.Log(testGO.name); // 正常显示
为什么GameObject, Material这些也是继承与UnityEngine.Object , 但还是能通过new创建，能正常使用？因为Unity在对应的构造函数C#里调用了C++侧的接口，来生成C++侧的实例。如下图：

Unity的C#源码中用new创建一个Material

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