优化Unity游戏项目的脚本
本文将由捷克独立游戏工作室Lonely Vertex的开发工程师Ondřej Kofroň，分享C#脚本的一系列优化方法，并提供改进Unity游戏性能的最佳实践。
在开发游戏时，我们遇到了游戏过程中偶尔出现延迟的问题。在使用Unity性能分析器进行分析后，我们问题主要来源于：未优化的着色器和未优化的C#脚本。
本文将主要介绍如何优化Unity游戏项目的C#脚本的方法。
寻找问题
Unity性能分析器是寻找造成卡顿脚本的最佳方法。我强烈建议直接在设备上对游戏进行性能分析，而不是在编辑器中进行性能分析。
本文中分享的游戏项目面向iOS，所以我们需要连接设备。如下图所示，设置Build Settings，然后性能分析器就会自动连接。
如果我们在网上搜索“Unity中的偶发卡顿”或类似关键词，你可能会发现大多数人建议重点处理垃圾回收。
每当停止使用某些对象即类的实例后，便会产生垃圾，然后会不定时运行Unity垃圾回收器来清理垃圾，取消分配相关的内存，这样的工作会占据大量时间，造成帧率降低现象。
如何在性能分析器中找到导致垃圾分配的脚本？
我们选中CPU Usage部分，如下选择Hierarchy视图，单击GC Alloc，从而根据GC Alloc的情况进行排序。
下图为垃圾回收的Profiler设置。
我们的目标是在游戏场景中，使GC Alloc栏的所有数值都为0。一个不错的做法是根据Time ms（即执行时间）排序记录，然后优化脚本，使其尽可能使用较少时间。
这对我们而言极为重要，因为游戏中有一个组件包含一个大型for循环，该循环要使用很多时间来执行，而且我们目前无法处理好这个循环，所以优化所有脚本的执行时间非常必要，我们需要为耗时较长的for循环节省一些执行时间，同时保持60fps。
根据性能分析的结果，我们将优化过程分为两个部分：
-
处理垃圾回收
-
减少执行时间
第一部分：处理垃圾回收
我们将关注处理垃圾回收的过程。这些内容是每位开发者都应该掌握的基础知识，也是我们平时对同步和合并请求，进行代码评审的重要部分。
规则1：不在Update方法中创建新对象
理想情况下，开发者在Update、FixedUpdate或LateUpdate方法中不应该使用New关键字，而是应该使用已有对象。
有时新对象创建过程会隐藏在一些Unity内部方法中，所以过程并不明显。
规则2：一次创建，多次重用
这条规则的意思是：要在Start方法和Awake方法中分配所有内容。这条规则和第一条类似，其实只是从Update方法移除new关键字的另一种方式。
开发者应该从Update方法移除有以下行为的代码：
-
创建新实例
-
寻找任意游戏对象
然后，将这些代码移动到Start方法或Awake方法中。
下面是我们进行的改动示例。
我们可以在Start方法分配List列表，在需要时使用Clear函数清空列表，并在任何位置重用这些内容。
//未优化的代码 private List objectsList;
void Update() {
objectsList = new List();
objectsList.Add(......) ;
}
//优化后的代码
private List objectsList;
void Start() {
objectsList = new List();
} void Update()
{ objectsList.Clear();
objectsList.Add(......)
}
进行存储和重用引用的过程如下面代码所示。
//未优化的代码
void Update() {
var levelObstacles = FindObjectsOfType();
foreach(var obstacle in levelObstacles) {
....... }
}
//优化后的代码
private Object[] levelObstacles;
void Start() {
levelObstacles = FindObjectsOfType();
}
void Update() {
foreach(var obstacle in levelObstacles) {
....... }
} 相同的规则也适用于FindGameObjectsWithTag等返回新数组的其它方法。
规则3：小心处理字符串，避免字符串连接
在涉及到垃圾分配的时候，字符串要特别注意。即使是基本的字符串操作，也可能产生大量垃圾。这是为什么呢？
因为字符串是无法改变的数组。这意味着，如果要把两个字符串连接起来，我们会创建新数组，而旧数组会成为垃圾。所以我们可以使用StringBuilder避免或最小化这类垃圾分配。
下面是改进该过程的示例。
//未优化的代码
void Start() {
text = GetComponent();
}
void Update() {
text.text = "Player " + name + " has score " + score.toString();
}
//优化后的代码
void Start() {
text = GetComponent();
builder = new StringBuilder(50);
}
void Update() {
//StringBuilder为所有类型重载了Append方法
builder.Length = 0;
builder.Append("Player ");
builder.Append(name);
builder.Append(" has score ");
builder.Append(score);
text.text = builder.ToString();
｝ 示例中的原代码没什么问题，但仍有很大的改进空间。我们发现，几乎整个字符串都可以视为静态，所以我们把字符串分为两个部分，放到两个UI.Text对象中。
第一个对象只包含静态文字“Player “ + name + “ has score “ ，可以在Start方法中指定。第二个对象包含每帧更新的Score数值，我们要使静态字符串完全是静态的，在Start方法或Awake方法中生成这类字符串。
经过改进，代码已经很好了，但是调用Int.ToString()、Float.ToString()等函数仍会有垃圾产生。
我们通过生成和预分配所有可能的字符串来解决该问题。这样可能听起来不是好方法，而且会消耗很多内存，但它完美满足了我们的需求，并彻底解决了这个问题。
我们最后得到可以使用索引直接访问的静态数组，从而获取表示数字的请求字符串。
public static readonly string[] NUMBERS_THREE_DECIMAL = { "000", "001", "002", "003", "004", "005", "006",..........规则4：缓存访问器返回的数值
这种方法可能很难使用，因为即使是简单的访问器也会产生垃圾。
//未优化的代码
void Update() {
gameObject.tag;
//或 gameObject.name;
}
尝试避免在Update方法中使用访问器，只在Start方法中调用一次访问器，并缓存返回的数值。
通常，建议不在Update方法中调用任何字符串访问器或数组访问器。在多数情况下，我们只需要在Start方法中获取一次引用。
下面是未优化访问器代码的两个常见示例。
//未优化的代码
void Update() {
//分配包含所有touches的新数组
Input.touches[0];
}
//优化后的代码
void Update() {
Input.GetTouch(0);
}
//未优化的代码
void Update() {
//返回新的字符串（垃圾），然后对比2个字符串
gameObject.Tag == "MyTag"; }
//优化后的代码
void Update() {
gameObject.CompareTag("MyTag");
}
规则5：使用NonAlloc函数
对于特定Unity函数，我们可以找到不分配任何内存的替代函数。在我们的项目中，这些函数都和物理功能有关。我们在碰撞检测使用的函数如下。
Physics2D. CircleCast();
对于该函数，我们可以找到不分配任何内存的版本。
Physics2D. CircleCastNonAlloc();
许多其它函数都有类似的替代函数，因此请记得查看文档，了解函数是否有相应的NonAlloc版本。
规则6：不要使用LINQ
尽可能不要使用LINQ。也就是说，不要在任何经常执行的代码中使用LINQ。
虽然使用LINQ可以使代码更容易阅读，但在很多情况下，这类代码的性能和内存分配都非常糟糕。
规则7：一次创建，多次重用（续）
这次我们要讲的是对象池，如果你不了解对象池，请阅读教程：https://learn.unity.com/tutorial/object-pooling
在我们的游戏中，有一种情况使用了对象池。我们有一个生成的关卡，里面充满了只在限定时间存在的障碍物，障碍物在玩家通过相应关卡部分后会消失。
在满足特定条件时，障碍物会从预制件进行实例化。相应的代码位于Update方法中，对于性能和执行时间而言，代码是非常低效的。
我们的解决方法是：生成40个障碍物组成的对象池，在需要时从对象池取用这些障碍物对象，在障碍物不再需要时，把障碍物对象返回到对象池。
规则8：注意装箱过程
装箱过程会生成垃圾。什么是装箱过程呢？
最常见的装箱过程是将数值类型，例如int，float，bool等传递到需要Object类型参数的函数时，所发生的过程。
下面是我们要在项目中处理的装箱过程。
我们在项目实现了自定义通信系统。每个信息可以包含数量不限的数据。该数据存储在字典中，字典的定义如下。
Dictionary
我们有设置函数（Setter），用来将数值设置到该字典中。
public Action SetAttribute(string attribute, object value) { data[attribute] = value; }
这里的装箱过程很明显，我们可以这样调用该函数。
SetAttribute("my_int_value", 12);
因此，这里的数值12进行装箱时，会产生垃圾。
我们的解决方法是：为每个基本类型使用单独的数据容器，之前的Object容器仅用于引用类型。
Dictionary
为每个数据类型使用单独的设置函数。
SetBoolAttribute(string attribute, bool value) SetIntAttribute(string attribute, int value)
然后实现所有设置函数，使它们调用相同的通用函数：
SetAttribute
这样装箱过程就被我们移除了。如果你想了解更多细节，请阅读文档：https://docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/csharp/programming-guide/types/boxing-and-unboxing
规则9：小心循环代码
这条规则类似第1，2条规则。尽可能把所有不必要代码从循环中去掉，从而取得更好的性能和内存分配。
我们要尝试避免在Update方法中使用循环，但如果有这个需要，我们至少要在这种循环中避免出现内存分配。因此，不仅是针对Update方法，我们也要在循环代码中遵循前8条规则。
规则10：确保外部代码库不产生垃圾
如果发现部分垃圾由Asset Store资源商店下载的代码产生，我们有多个解决方法。但在我们进行逆向工程并调试前，请再次查看Asset Store资源商店的相应页面，代码库是否有进行更新。
在我们的项目中，我们使用的所有资源一直由资源的开发者进行维护，他们一直在进行性能更新，从而解决了我们的所有问题。
所以，一定要让项目使用的依赖保持更新。如果遇到没有维护的代码库，建议放弃这类代码库。
第二部分：减少脚本的执行时间
如果代码不经常调用，这部分提到的一些规则可能不会产生明显的作用。在我们的项目中，我们有一个每帧执行的大型循环，因此在该代码中，即使做很小的改动，也会产生很明显的作用。
如果使用方法不当或在不合适的情形下使用，部分改动可能会产生更差的执行时间。每次对代码进行优化方面的改动后，要记得查看性能分析器，确保改动有理想的效果。
这部分的一些规则可能会导致代码变得难以理解，甚至可能会破坏最佳编程实践。这部分的许多规则和第一部分的规则有所重复。和不分配垃圾的代码相比，垃圾分配代码通常有更差的执行效果，建议在阅读这部分内容之前，先仔细阅读本文的第一部分。
规则1：使用合适的执行顺序
将代码从FixedUpdate，Update和LateUpdate方法转移到Start和Awake方法中。虽然这听起来不现实，但如果深入分析代码，你会发现有数百行代码可以移动到仅执行一次的方法中。
在我们的项目中，这类代码通常和下面操作有关：
-
GetComponent<> Calls
-
每帧返回相同结果的计算过程
-
重复实例化相同的对象，通常这类对象为List列表
-
寻找某些游戏对象
-
获取对Transform的引用，使用其它访问器
下面是我们从Update方法移动到Start方法的代码。
//将GetComponent留在Update方法必须有很好的理由
gameObject.GetComponent();
gameObject.GetComponent();
//每帧返回相同结果的计算过程示例
Mathf.FloorToInt(Screen.width / 2);
var width = 2f * mainCamera.orthographicSize * mainCamera.aspect;
var castRadius = circleCollider.radius * transform.lossyScale.x;
var halfSize = GetComponent().bounds.size.x / 2f;
//寻找对象
var levelObstacles = FindObjectsOfType();
var levelCollectibles = FindGameObjectsWithTag("COLLECTIBLE");
//引用
objectTransform = gameObject.transform;
mainCamera = Camera.main; 规则2：仅在需要时运行代码
在我们的项目中，这种情况大多和更新UI的脚本有关。下面是我们修改的代码实现，它们作用是显示关卡中“可收集物品”的当前状态。
//未优化的代码
Text text;
GameState gameState;
void Start() {
gameState = StoreProvider.Get();
text = GetComponent();
}
void Update() {
text.text = gameState.CollectedCollectibles.ToString();
}
因为我们在每关中只有少量可收集物品，每帧都修改UI文本不会产生很大作用，因此我们仅在实际数字变化时改变文本。
//优化后的代码
Text text;
GameState gameState;
int collectiblesCount;
void Start() {
gameState = StoreProvider.Get();
text = GetComponent();
collectiblesCount = gameState.CollectedCollectibles;
}
void Update() {
if(collectiblesCount != gameState.CollectedCollectibles) {
//该代码每关只运行5次
collectiblesCount = gameState.CollectedCollectibles;
text.text = collectiblesCount.ToString();
}
} 这样的的代码性能会更好，特别在代码作用不只是简单的UI变化时，会有更好的效果。如果想要更复杂的解决方法，建议通过使用C#事件实现观察者设计模式。
但对于对我们而言还不够好，我们希望实现完全通用的解决方案，因此我们创建了在Unity实现Flux架构的代码库。
这样可以实现非常简单的解决方案，我们把所有游戏状态都存储到“Store”对象，在任何状态发生改变时，所有UI元素和其它组件都会得到通知，然后它们会对改变做出反应，整个过程不需要在Update方法使用任何代码。
规则3：小心循环代码
这条规则和第一部分的第9条规则相同。如果代码中有循环会迭代大量元素，请使用本文第二个部分提到的所有规则，来改进循环代码的性能。
规则4：使用For循环代替Foreach循环
Foreach循环很容易编写，但是执行起来却很复杂。Foreach循环在内部会使用枚举器来迭代特定数据集，并返回数值。
这比在For循环迭代索引复杂很多。因此在我们的项目中，只要可以的话，我们都会把Foreach循环改为For循环，如下所示。
//未优化的代码
foreach (GameObject obstacle in obstacles)
//优化后的代码
var count = obstacles.Count;
for (int i = 0; i < count; i++) {
obstacles[i];
}在我们的大型For循环中，这项改动的效果非常明显。通过使用简单的For循环，我们实现了速度比原来快2倍的代码。
规则5：使用Array数组代替List列表
在代码中，我们发现大多数列表有固定的长度，或是可以计算出最大成员数量。因此我们使用数组重新实现了这些列表，在特定情况下，可以在迭代数据的时候得到原先2倍的速度。
在某些情况下，我们无法避免使用列表或其它复杂的数据结构。常见的情况是：需要经常添加或移除元素的时候，使用列表的效果更好的时候。通常来说，我们会对固定大小的列表使用数组。
规则6：使用Float运算替代Vector运算
Float运算和Vector运算的区别不是很明显，除非像我们一样进行上千次运算，因此对我们来说，这项改动的性能提升效果非常明显。
改动如下所示。
Vector3 pos1 = new Vector3(1,2,3);
Vector3 pos2 = new Vector3(4,5,6);
//未优化的代码
var pos3 = pos1 + pos2;
//优化后的代码
var pos3 = new Vector3(pos1.x + pos2.x, pos1.y + pos2.y, ......);
Vector3 pos1 = new Vector3(1,2,3);
//未优化的代码
var pos2 = pos1 * 2f;
//优化后的代码
var pos2 = new Vector3(pos1.x * 2f, pos1.y * 2f, ......);规则7：寻找对象属性
一定要考虑是否必须使用GameObject.Find()方法。该方法会产生很大开销，占据大量时间。最好不在Update方法中使用GameObject.Find()方法。
我们发现大多数GameObject.Find()调用可以替换为编辑器中直接引用的关联，这是更好的方法。
//未优化的代码
GameObject player;
void Start() {
player = GameObject.Find("PLAYER");
}
//优化后的代码
//在编辑器中把该引用指定给玩家对象
[SerializeField]
GameObject player;
void Start() { }如果无法这样处理，开发者至少应该考虑使用Tag标签，通过使用GameObject.FindWithTag，根据标签来找到对象。
总体上说，三种方法的优先级为：直接引用 > GameObject.FindWithTag() > GameObject.Find()。
规则8：只处理相关对象
在我们的项目中，该规则对使用RayCasts和CircleCasts等函数的碰撞检查功能有明显的效果。我们不必在代码中检测所有碰撞并决定哪些对象是相关的，只需把游戏对象都移动到合适的图层即可，这样我们可以只对相关对象计算碰撞。
下面是示例代码。
//未优化的代码
void DetectCollision() {
var count = Physics2D.CircleCastNonAlloc( position, radius, direction, results, distance);
for (int i = 0; i < count; i++) {
var obj = results[i].collider.transform.gameObject;
if(obj.CompareTag("FOO")) {
ProcessCollision(results[i]);
}
}
}
//优化后的代码
//我们把所有带有标签FOO的对象都放入了相同的图层
void DetectCollision() {
//8是相应图层的编号
var mask = 1 << 8;
var count = Physics2D.CircleCastNonAlloc( position, radius, direction, results, distance, mask);
for (int i = 0; i < count; i++) {
ProcessCollision(results[i]);
}
}规则9：使用标签属性
标签非常实用，可以提升代码的性能，但请记住：只有一种正确方法适合比较对象标签。
//未优化的代码
gameObject.Tag == "MyTag";
//优化后的代码
gameObject.CompareTag("MyTag");规则10：小心棘手的摄像机
使用Camera.main很简单，但是这种操作的性能非常糟糕。这是因为在每个Camera.main调用背后，Unity其实会执行FindGameObjectsWithTag()来获取结果，因此频繁调用Camera.main并不好。
最好的解决方法是在Start或Awake方法中缓存Camera.main的引用。
//未优化的代码
void Update() {
Camera.main.orthographicSize
//对摄像机的一些操作
}
//优化后的代码
private Camera cam;
void Start() {
cam = Camera.main;
}
void Update() {
cam.orthographicSize
//对摄像机的一些操作
}规则11：使用LocalPosition替代Position
在代码允许的位置，为获取函数(Getter)和设置函数（Setter）使用Transform.LocalPosition替代Transform.Position。
这样的原因是：每次Transform.Position调用的背后，都会有更多操作要执行，包括在调用获取函数时计算全局位置，或是在调用设置函数时从全局位置计算出本地位置。
在项目中，我们发现在出现Transform.Position的几乎所有情况中都可以用LocalPosition替代Transform.Position，无需在代码中做其它改动。
规则12：不要使用LINQ
这条规则已经第一部分讲解，别使用LINQ就好。
规则13：不要害怕破坏最佳实践
有时候，即使是一个简单的函数调用，都可能造成过多的开销。在这种情况下，我们应该考虑使用代码内联。
代码内联是什么？代码内联意味着，我们可以把代码从函数中取出，把这些代码直接复制到打算使用函数的位置，从而避免额外的方法调用。
因为代码内联会在编译时自动完成，所以在大多数情况下，这样不会产生太明显的效果。在编译器决定代码是否内联时，会使用特定的规则。例如：Virtual方法从不会内联，更多详细信息，请访问：https://docs.unity3d.com/Manual/BestPracticeUnderstandingPerformanceInUnity8.html
我们需要打开性能分析器，在实际设备上运行游戏，从而了解是否仍有改进的空间。
在项目中，我们发现一些函数可以通过代码内联实现更好的性能，特别是游戏的大型For循环中的函数。
小结
通过使用本文介绍的规则，我们在iOS游戏中轻松实现了稳定的60fps，即使在iPhone 5S也有这样的运行效果。
本文的部分规则针对我们的用例而使用，但我认为在进行编程或代码评审时，开发者应该考虑这些规则，从而避免在后期阶段出现问题。在考虑性能因素的同时编写代码会比之后重构大量代码更简单。