Unity内存与资源管理（一）

yukamu · 发表于 2021-12-8 14:10

内存管理是程序开发的核心问题，而资源的使用又与内存息息相关，因此本章想要梳理整个开发流程中Unity对于内存与资源的管理方式。
一、内存基础

1.1 基础概念
内存是暂时存放CPU中的运算数据，与硬盘等外部存储器交换的数据。在操作系统中，内存分为物理内存与虚拟内存。
CPU读取数据
CPU进行数据处理时，从内存或缓存中取出指令，放入指令寄存器，并对指令译码进行分解，进而对数据进行处理。从内存中读取数据很慢，通常CPU会将之前读取的数据缓存在多级Cache中，提升数据访问效率。因此，CPU会先从Cache中查找数据，若没有找到（Cache Miss），才会访问内存。

物理内存：物理内存可以理解为运行时内存，其对应于实际的存储硬件。
虚拟内存：管理不同进程使用的进程内部内存地址和物理内存地址的映射体系。
页：内存管理、映射中的基本单位。
内存交换（页面交换）：当系统内存不足时，操作系统会创建交换文件（Swap file）或者分页文件（Paging file）记录暂时不用的物理内存页面中的数据，并将这部分数据交换到硬盘上，节省更多的物理内存。
1.2 移动设备与PC差异

没有独立显卡，显存与CPU数据会存储在同一区域。
CPU的Cache与内存更小。因此移动端会严格限制资源大小。
没有内存交换（IO速度慢、可擦写次数少）
IOS可以进行内存压缩：将不活跃的内存压缩到特定空间。

1.3 Android内存分布

上图可以看出运行时内存包括：方法区、堆栈以及线程内存。
Android中对内存有4种统计方式：VSS（虚拟内存）、RSS（实际物理内存：APP+所有共享内存）、PSS（APP+平均共享库内存）、USS（APP内存）。通常使用PSS来统计。
Android对进程的管理策略称为LMK(Low Memory Killer)，kill优先级如下：

1.4 IOS内存分布

IOS内存分布

Clear Memory包括系统框架数据、可执行的二进制数据以及内存映射文件。Clear Memory以外的内存都是Dirty Memory。
当系统存在内存压力时，会先卸载一部分Clear Memory，当再次需要时会对其重新创建。但系统无法对Dirty Memory进行卸载，直到到达App的限制才会被终止回收。内存不足时，IOS会对Dirty Memory做压缩处理。
IOS中Resident Memory指的是App分配的物理内存。当App向系统申请内存时，虚拟内存是直接增长的。但如果申请完的内存并没有向里面写入数据，它并不会产生实际的物理内存分配。
iOS的进程管理策略称为Jetsam，GitHub有人测试了其kill进程的优先级：

Jetsam优先级

二、Unity内存与GC

从Editor与Runtime比较，在Runtime时，只有Load资源才会影响内存，而Editor模式下，为了方便开发，只要打开Unity资源就会被加载（Unity打开很慢，2019.3的Asset Pipeline 2.0做了优化）。
2.1 Mono与IL2CPP的跨平台
Mono与IL2CPP是Unity的两种跨平台解决方案，目前官方推荐使用IL2CPP。

Mono跨平台流程

Mono的跨平台方案：编译器mcs将代码编译为IL，通过Mono运行时中的编译器将IL编译成对应平台的原生码。
Unity Mono是针对每个特定平台做了处理，因此才能跨平台。若出现新的硬件平台，则需要额外造轮子，其可移植性很差，因此Unity给出了IL2CPP方案。并且IL2CPP相比Mono有一定的性能提升。

IL2CPP方案流程（来自官方文档）

编译工程时，IL2CPP将Unity Scripting API 代码编译为常规 .NET DLL（托管程序集）。将所有托管程序集转换为标准C++代码。使用本机平台编译器编译生成的C++代码和IL2CPP的运行时部分。最后将代码链接到可执行文件或 DLL，具体取决于目标平台。
IL2PP相比于Mono，最大的变化在于由JIT编译变为了AOT编译。由此带来的变化体现在：（1）开发编译时间变长；（2）无法动态生成代码；（3）应用程序体积变小;（4）应用程序启动时间短。
在开发过程中可以选择Mono，提升开发效率，发布应用时使用IL2CPP得到更好的程序性能。
2.2 Unity VM GC
当Unity VM需要分配内存时，会检查当前内存。若内存足够时，可以直接分配内存，但内存不足时会触发GC，再次检测内存。若此时内存仍然不足，VM会向操作系统申请内存。
触发GC时，VM会暂停所有线程，可能引起程序卡顿。Unity采用了BOEHM处理GC，其为标记清除法。在标记阶段通过访问根节点，并遍历到叶子节点，最终将所有存在引用的内存都标记出来，清除未被标记的托管内存。
Unity的VM以Block管理内存，当一个Block连续6次GC没有被访问到（很难触发），这块内存会被返回给系统。
由于此种处理方式没有内存压缩，并且可能出现内存黑名单，因此容易出现内存碎片。在开发过程中，要尽量减少内存的申请，申请的内存尽量保持连续，对于资源加载应该优先加载较大的资源。
2.3 Unity内存分布

Unity内存分布

Unity内存分为Native堆内存、第三方库、虚拟机以及GfxDriver。Native堆内存中存储由Unity底层管理的数据，如音频、视频、Texture、Mesh、GameObject等。第三库常见的如tolua、Wwise。虚拟机通常指C#所产生的内存。GfxDriver是指当前驱动使用的Textures、RenderTargets、Shaders和Mesh数据内存。
三、Editor Asset

Unity 中的资源工作流程（来自官方文档）

Unity中的资源通常是指3D模型、音频文件、图像等用于程序使用的数据（代码数据也是一种资源）。程序开发阶段，将外部资源导入或复制到Asset目录下，Unity会监听到所导入的数据，并生成相应的Unity默认资源。
3.1 创建asset
Unity检测到新资源（文件夹）时会向此资源分配GUID，这是Unity在内部使用的ID，用于索引资源，以便Unity移动或重命名此资源不会破坏引用关系。
Unity对导入的外部文件格式不会进行修改，对内置格式资源（prefab/material/unity等），Unity以YAML格式进行存储。

prefab在Unity中的存储格式

文件前两行是文件格式版本注释，后续以--- !u!classID &fileID对组件数据进行标记。classID是Unity为组件类型分配的id，fileID为prefab中组件实例化的局部id，由此可以进行索引。上图GameObject挂载了3个组件，所以可以看到m_Component通过fileID映射到相应的组件实例。由于EventSystem是自定义组件，由此可以看到m_Script通过guid来引用到相应的代码资源。
由于这种格式化的存储方式，在非Unity Editor情况下处理或者查找带有特定参数的资源，可以通过纯文本替换或查找处理。（需要以下设置）

以文本格式存储序列化资源

3.2 监听资源导入
Unity提供了用于监听资源导入的基类，方便开发者对资源做标准化处理，具体基类如下：

来自Unity用户手册

3.3 资源处理
Unity在导入资源后，会在Library文件夹下生成真正用于Unity处理的资源。例如，Unity 将 .png 图像文件导入为纹理时，在运行时不会使用原始的 .png 格式数据，而是创建新的图形格式，将其存储在项目的Library文件夹中。Unity的Texture类会使用此导入版本，然后Unity将其上传到GPU进行实时显示。
除了Library，Unity会在Asset文件夹相同位置生成资源的.meta文件，用以记录资源设置参数与GUID。

meta文件

在Unity 2020以前的版本可以通过guid，在Library下搜索到Unity生成的资源。在Unity 2020之后的版本，会在Library下生成ArtifactDB和SourceAssetDB文件。
SourceAssetDB包含.meta相关数据（上次修改日期、文件内容哈希、GUID和其他元数据信息），由此判断是否需要重新导入资源。
ArtifactDB包含每个源资源的导入结果的信息。每个Artifact都包含导入依赖项信息、Artifact元数据信息和 Artifact文件列表。
从上述资源加载流程来看，项目中经常遇到资源引用丢失：（1）美术资源与meta没有一起上传，导致prefab无法通过guid找到资源。（2）美术替换资源时，先删除原有资源，再导入创建新资源，导致原有的prefab引用的guid失效。
对于漏传meta的情况，可在提交版本文件时做强制检测，若Asset下新增资源必须要有对应的meta文件。对于美术资源的替换，不能在Unity Editor下直接删除文件，需要通过import替换，或者在文件夹中替换资源再打开Unity。

参考

[Unity 活动]-浅谈Unity内存管理_哔哩哔哩_bilibili
Unity内存详解
你一定要知道的iOS 内存管理｜干货满满
What is resident and dirty memory of iOS?
https://github.com/conradev/jetsamctl
EnjoyMoving：Java内存模型（JMM）总结
放牛的星星：Unity游戏内存分布概览
为什么在 CPU 中要用 Cache 从内存中快速提取数据？
Windows 8或者Windows10的任务管理器中，内存已提交的两个数字都是什么意思?
IL2CPP 的工作原理 - Unity 手册
Unity - Manual: Memory in Unity
Testplus：解读MONO内存管理和回收
资源工作流程 - Unity 手册

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[笔记] Unity内存与资源管理（一）

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