深入浅出再谈Unity内存泄漏

fjxmtd80 · 发表于 2023-4-3 14:21

作者：Arthuryu，腾讯高级开发工程师
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WeTest导读

本文通过对内存泄漏（what）及其危害性（why）的介绍，引出在Unity环境下定位和修复内存泄漏的方法和工具（how）。最后提出了一些避免泄漏的方法与建议。在之前推送的文章
《内存是手游的硬伤——腾讯游戏谈Unity游戏Mono内存管理及泄漏问题》中，已经对腾讯游戏在Unity游戏开发过程中常见的Mono内存管理问题进行了介绍，收到了很多用户的反馈，希望能够更全面的介绍关于unity内存管理的问题。本期微信推送腾讯WeTest团队邀请到了公司中资深的测试专家Arthuryu，对Unity内存泄漏进行一个更加系统的介绍。
内存泄漏及其危害

相信各位程序猿们或多或少都会听到过内存泄漏这个名词，但是对于一些新手猿来说，或许不是很了解。内存泄漏？是内存漏出来了么？和霸气侧漏一样么？让我们先来看一下wikipedia的定义：
看了一遍冗长的定义，或许各位猿们心中就是一个大写的“晕”字。让我们打一个通俗的比方来解释下这个定义。

内存泄漏，可以通俗解释为“借银行钱不还”。在计算机的二进制世界里，操作系统就是银行；每一笔贷款，都是一次内存的申请；而你，就是一个应用程序。即你向银行贷款 = 应用程序向操作系统申请内存。当然，在计算机世界中，我们需要感谢操作系统，因为他是一个不收利息的银行，你借了多少内存，你就只需要还回多少内存。那么我们可以总结一下，内存泄漏的简单定义，就是申请了内存，却没有在该释放的时候释放。

如果你总是贷款而不还钱，那么银行里的钱就越来越少，最终导致其他人要借钱时，就无钱可借了。现实生活中，银行为了避免无钱可接，就会把总是借钱不还的人拉入黑名单，不再借他钱；而操作系统则更加凶残，他会直接“做了你”，操作系统将会直接kill掉应用程序。由此可以看出，内存泄漏的危害性与严重性，如果持续泄漏，将因内存占用过大而导致应用崩溃。当然泄漏还有其他的危害，例如内存被无用对象占用，导致接下来的内存分配需要更高的时间成本，从而造成游戏的卡顿等等。

Unity中的内存泄漏
在对内存泄漏有一个基本印象之后，我们再来看一下在特定环境——Unity下的内存泄漏。大家都知道，游戏程序由代码和资源两部分组成，Unity下的内存泄漏也主要分为代码侧的泄漏和资源侧的泄漏，当然，资源侧的泄漏也是因为在代码中对资源的不合理引用引起的。

代码中的泄漏 – Mono内存泄漏

熟悉Unity的猿类们应该都知道，Unity是使用基于Mono的C#（当然还有其他脚本语言，不过使用的人似乎很少，在此不做讨论）作为脚本语言，它是基于Garbage Collection（以下简称GC）机制的内存托管语言。那么既然是内存托管了，为什么还会存在内存泄漏呢？因为GC本身并不是万能的，GC能做的是通过一定的算法找到“垃圾”，并且自动将“垃圾”占用的内存回收。那么什么是垃圾呢？
我们先来看一下wikipedia上对于GC实现的简介：
定义还是过于冗长，我们来联想一下生活中，我们一般把没有利用价值的东西，称为垃圾，也就是没有用的东西，就是垃圾。在GC的世界中，也是一样的，没有引用的东西，就是“垃圾”。因为没有引用了，就意味着对于其他任何对象而言，都认为目标对象对我已经没有利用价值了，那它就是“垃圾”了。根据GC的机制，其占用的内存就会被回收。

基于以上的知识，我们很容易就可以想到为什么在托管内存的环境下，还是会出现内存泄漏了。这就像现实生活中的宅男宅女，吃了泡面总是忘记把盒子扔到门外的垃圾箱里；从计算机的角度来说，则是，在某对象超出其作用域时，我们 “忘记”清除对该无用对象的引用了。说到这，有的同学可能会有疑问：我每次在代码中申请的内存都非常小，少则几B，多则几十K，现在设备的内存都比较大（几百M还是有的吧），即使泄漏会产生什么大影响么？首先，水滴石穿的典故相信大家都知道，实际代码中，并非只有显示调用new才会分配内存，很多隐式的分配是不容易被发现的，例如产生一个List来存储数据，缓存了服务器下发的一份配置，产生一个字符串等等，这些操作都会产生内存的分配。你分配几十K，他分配几十K，一会儿内存就没了。
其次，有一点需要说明的是，在Unity环境下，Mono堆内存的占用，是只会增加不会减少的。具体来说，可以将Mono堆，理解为一个内存池，每次Mono内存的申请，都会在池内进行分配；释放的时候，也是归还给池，而不会归还给操作系统。如果某次分配，发现池内内存不够了，则会对池进行扩建——向操作系统申请更多的内存扩大池以满足该次的内存分配。需要注意的是，每次对池的扩建，都是一次较大的内存分配，每次扩建，都会将池扩大6-10M左右（此处无官方数据，是观察所得）。
上图是某游戏经过Cube测试的结果，可以看到Mono堆内存为39M左右，而建议值一般为 50M。

我们必须知道，Mono内存泄漏是Unity游戏开发中需要特别重视的部分。

资源中的泄漏 – Native内存泄漏

资源泄漏，顾名思义，是指将资源加载之后占有了内存，但是在资源不用之后，没有将资源卸载导致内存的无谓占用。
同样的，在讨论资源内存泄漏的原因之前，我们先来看一下Unity的资源管理与回收方式。为什么要将资源内存和代码内存分开讨论，也是因为其内存管理方式存在不同的原因。
上文中说的代码分配的内存，是通过Mono虚拟机，分配在Mono堆内存上的，其内存占用量一般较小，主要目的是程序猿在处理程序逻辑时使用；而Unity的资源，是通过Unity的C++层，分配在Native堆内存上的那部分内存。举个简单的例子，通过UnityEngine命名空间中的接口分配的内存，将会通过Unity分配在Native堆；通过System命名空间中的接口分配的内存，将会通过Mono Runtime分配在Mono堆。

了解了分配与管理方式的区别，我们再来看看回收的方式。如上文所说，Mono内存是通过GC来回收的，而Unity也提供了一种类似的方式来回收内存。不同的是，Unity的内存回收是需要主动触发的。就好比说，我们把垃圾扔在门口的垃圾桶里，GC是每天来看一次，有垃圾就收走；而Unity则需要你打个电话给它，通知它有垃圾要回收，它才会来。主动调用的接口是Resources.UnloadUnusedAssets()。其实GC也提供了同样的接口GC.Collect()

用来主动触发垃圾回收，这两个接口都需要很大的计算量，我们不建议在游戏运行时时不时主动调用一番，一般来说，为了避免游戏卡顿，建议在加载环节来处理垃圾回收的操作。有一点需要说明的是，Resources.UnloadUnusedAssets()
内部本身就会调用GC.Collect()。Unity还提供了另外一个更加暴力的方式——Resources.UnloadAsset()来卸载资源，但是这个接口无论资源是不是“垃圾”，都会直接删除，是一个很危险的接口，建议确定资源不使用的情况下，再调用该接口。
基于上述基础知识，我们再来看一下为什么会有资源的泄漏。首先和代码侧的泄漏一样，由于“存在该释放却没有释放的错误引用”，导致回收机制认为目标对象不是“垃圾”，以至于不能被回收，这也是最常见的一种情况。

针对资源，还有一种典型的泄漏情况。由于资源卸载是主动触发的，那么清除对资源引用的时机就显得尤为重要。现在游戏的逻辑趋于复杂化，同时如果有新成员加入项目组，也未必能够清楚地了解所有资源管理的细节，如果“在触发了资源卸载之后，才清除对资源引用”，同样也会出现内存泄漏了。
赶上了资源回收
错过了资源回收
还有一种资源上的泄漏，是因为Unity的一些接口在调用时会产生一份拷贝（例如Renderer.Material参考Unity - Scripting API: Renderer.material），如果在使用上不注意的话，运行时会产生较多的资源拷贝，造成内存的无端浪费。但是此类内存拷贝一般量较少，修复起来也比较简单，这里不做大篇幅的介绍。

修复内存泄漏

根据上文描述，我们知道只要在回收到来之前，将引用解开就可以避免内存泄漏了，似乎是个很简单的问题。但是由于实际项目的逻辑复杂度往往超出想象，引用关系也不是简单的一层两层（有时候往往会多达十几层，甚至数十层才连接到最终的引用对象），并且可能存在交叉引用、环状引用等复杂情况，单纯从代码review的角度，是很难正确地解开引用的。如何查找导致泄漏的引用，是修复泄漏的难点和重点，也是本文主要想介绍的部分，下面就针对如何查找引用介绍一些思路和方法。至于时序问题，比较简单，在此不做赘述。

New Memory Profiler For Unity5

Unity的Memory Profiler一直就是一个被用户诟病的地方，对于内存的使用量，被谁使用等信息，没有很好的反映。Unity5作为最新一代的Unity产品，对于这个弱点进行了一些补强，推出了新一代的内存分析工具，较好地解决了上述问题。但是没有提供两次（或多次）内存快照的比较功能，这点比较遗憾。注：内存快照比较是寻找内存泄漏的常用手段，将两次内存的状态截取出来，进行比较，可以清楚地发现内存的变化，寻找内存的增量与泄漏点。一般会在游戏进关前以及出关后做两次dump，其中新增的内存分配，可以视为泄漏。
由于是Unity官方的工具，网上有比较详细的使用教程，在此不加赘述，可以参考下列链接或Google:

Unity-Technologies MemoryProfiler
memoryprofiler intro由于Unity5普及度及稳定性还有待提升，公司内普遍还是4.x的环境，那么上述的新工具就不适用了。有的同学说，升级一个5的工程来做Memory Profile嘛，这个当然也可以，不过Unity5对于4的兼容性不太好，升级过程中需要修改不少东西，维护两个工程也是比较麻烦的事。
那么，下面就给出两个在Unity4环境下也可以使用的泄漏追踪工具。

Mono内存的放大镜——Cube

Cube是腾讯游戏下的腾讯WeTest平台上针对Unity项目的性能指标收集工具，通过Cube可以较方便地获取到游戏的各项性能指标，为性能优化提供了方向。同时Cube也是游戏性能一个很好的衡量工具。微信号没法直接点开链接，所以点击“阅读原文”可以进到工具页面。（我真的不是在做广告）
这里我们利用“MONO内存对象深度分析”的特点。该功能可以允许用户抓取某一时刻的Mono内存状态，并且提供不同时刻内存状态的比较，快速定位到新增的内存分配。

鉴于Cube官方已经给出了详细的使用说明，就不再赘述数据的抓取过程。这里简单聊一下如何通过Cube抓取的数据更好地追踪和解决问题。

如下图所示，假设我们已经抓取了两次数据（snapshot1 & snapshot2），并且进行比较，得到两次内存快照之间新增的分配数据。

比较之后得到如下图所示的一系列数据，总结来说，就是在某个堆栈，分配了某个类型的对象，占用xx内存。这样的数据会有成千上万条（上文所说，代码中的内存分配，是非常细碎，并且数量极多的，在这里得到了验证），并且其中有很多堆栈是重复的，因为每一次的内存分配（即使是同一处位置产生的分配），都会产生一条记录。无序的数据影响了我们对数据的处理，这里我们对数据做一些分析整理。

我们举一些简单的例子来说明处理的过程。

每一条记录，都是经过一系列的函数调用（堆栈），最终分配了一些内存，用图形化的方式表示为：

让我们多加一些数据：

通过对图的观察，我们发现可以把上述离散的图整理成一棵树：

将所有数据都做同样的归类处理之后，可以得到一棵或多棵这样的分配树。这么做的好处是：

1）根据函数，可以将内存的分配做一个模块的划分，快速定位到相关的模块。2）可以清晰地看到每一层函数的分配总量（如A函数总共分配4096+20+4096B），可以根据占用内存的多少决定修复的优先级。
将对比之后的新增项一一清理之后，就可以基本清除Mono内存的多余分配和泄漏了。

顺藤摸瓜——从Mono中寻找资源引用

在尝试寻找资源引用，修复资源泄露之前，我们需要先了解一下如何在Unity中定位资源泄漏。
我们需要使用Unity自带的Memory Profiler（注意不是上文说的Unity5的新Profiler，是老的残疾版Profiler）。举个简单的例子，在Unity编辑器环境下运行游戏工程，经过“大厅”页面，进入到“单局”。此时打开Unity Profiler，切换到Memory并做一次内存采样（具体请参考Unity - Manual: Memory Profiler，不赘述）。在采样的结果中（其中包含采样时刻内存中所有的资源），点开Assets->Texture2D，如果其中可以看到有“大厅”UI使用的贴图（如下图），那么我们可以定义这张UI贴图，属于资源上的泄漏。
为什么说这种情况就属于资源泄漏呢，因为这张UI贴图，是在“大厅”时申请的，但是在“单局”时，它已经不被需要了，可是它还在内存中。这种在不需要的时候，却还存在的内存占用，就是上文我们定义的内存泄漏。
那么在平时项目中，我们如何找到这些泄漏的资源呢？
最直观的方法，当然也是最笨的方法，就是在每次游戏状态切换的时候，做一次内存采样，并且将内存中的资源一一点开查看，判断它是否是当前游戏状态真正需要的。这种方法最大的问题，就是耗时耗力，资源数量太多眼睛容易看花看漏。
这里介绍两种讨巧的方法：1）通过资源名来识别。即在美术资源（如贴图、材质）命名的时候，就将其所属的游戏状态放在文件名中，如某贴图叫做BG.png，在大厅中使用，则修改为OG_BG.png（OG = OutGame）。这样在一坨IG（IG=InGame）资源里面，混入了一个OG，可以很容易地识别出来，也方便利用程序来识别。这么做还有一个好处，可以强化美术对资源生命周期的认识，在制作资源，特别是规划UI图集时，可以有一个指导意义。2）通过Unity提供的接口Resources.FindObjectsOfTypeAll()进行资源的Dump，可以根据需求Dump贴图、材质、模型或其他资源类型，只需要将Type作为参数传入即可。Dump成功之后我们将结果保存成一份文本文件，这样可以用Beyond Compare对多次Dump之后的结果进行比较，找到新增的资源，那么这些资源就是潜在的泄漏对象，需要重点追查。
结合上述的方法与思路，应该可以轻松找到泄漏的资源了。
此时我们再回头看一下Unity Profiler，其实Unity提供了资源索引的查找功能，只不过该功能是以一个树形结构的文本来展示的（如下图）。上文曾提到过，Unity内部的引用关系往往是非常复杂的，可能需要通过十几甚至几十层的引用，才能找到最终的引用者，并且引用关系错综复杂，形成一张庞大的图，此时光靠展开树形结构来查找，几乎是不可能的事了。
防微杜渐，避免内存泄漏

介绍完对于Unity内存泄漏的追踪方法，我还想往下多讲一步，只要我们在平时开发的过程多做思考，防微杜渐，内存泄漏是完全可以避免的。相对于等泄漏发生了再回头来追查，平时多花点时间清理“垃圾”反而是更加高效的做法。落地到平时的开发流程中，在这里提出几点建议，欢迎各位大牛补充：1）在架构上，多添加析构的abstract接口，提醒团队成员，要注意清理自己产生的“垃圾”。2）严格控制static的使用，非必要的地方禁止使用static。3）强化生命周期的概念，无论是代码对象还是资源，都有它存在的生命周期，在生命周期结束后就要被释放。如果可能，需要在功能设计文档中对生命周期加以描述。相信大家出门旅游，都有看过下图类似的标语，作为一名合格的程序猿，也应该能够处理好代码中的“垃圾”，不要让我们的游戏成为一个“垃圾场”。为了避免以上手游性能方面对游戏的负面影响，腾讯WeTest平台下的Cube工具可以帮助开发者发现游戏内分类资源的一个占用情况，帮助在游戏开发过程中不断改善玩家的体验。目前功能还在免费开放中。点击
http://wetest.qq.com/cube/立即体验！

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