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Unity内存

在游戏开发的世界中，程序的优劣与内存的使用有着密不可分的关系。从很多方面来说Unity对于内存的使用并不是最优解，正因为如此，Unity的内存管理与优化就显得尤为重要。

内存域

Unity引擎中的内存空间本质上可以分为3个不同的内存域，分别为托管域、本地域以及外部库，每个域存储不同的数据类型，关注不同的任务集。

- 托管域

在使用Mono编译的情况下，托管域就是Mono VM使用的运行时内存。“托管”的本意是Mono可以自动地改变堆的大小来适应所需要的内存，并且适时地调用垃圾回收（Garbage Collection）操作来释放已经不需要的内存。我们编写的任何MonoBehaviour脚本以及自定义C#类都会在此域中实例化对象，因此我们编写的任何C#代码都会很明确的与此域交互。目前绝大部分Unity游戏逻辑代码所使用的语言为C#，C#代码所占用的内存又称为mono内存，这是因为Unity是通过mono来跨平台解析并运行C#代码的，在Android系统上，游戏的lib目录下存在的libmono.so文件，就是mono在Android系统上的实现。

- 本地域

Unity有一些底层的本地代码功能是由C++编写的，并根据目标平台编译到不同的应用程序中。该域关心内部内存空间的分配，比如为各种子系统（渲染管线、物理系统、用户输入系统等）分配资源数据（纹理、音频、网格等）和内存空间。它还包括GameObject、Component等重要游戏对象的本地描述，以便和这些内部系统交互。这也是大多数内建Unity类（如Transform、Rigidbody组件）保存其数据的地方。

- 外部库

外部库是DirectX、OpenGL以及项目中包含的自定义库和插件所使用的内存域，在C#代码中引用这些库将导致类似的内存上下文切换和后续成本。

- 跨桥操作

托管域也包含存储在本地域中的对象描述包装器，当和Transform等组件交互时，大多数指令会请求Unity进入本地代码，在本地域生成结果，然后将结果复制回托管域。这就是托管域和本地域之间的本地-托管桥。当两个域对相同实体有自己的描述时，跨域他们之间的桥需要进行上下文切换，而这会为游戏带来很多相当严重的潜在性能问题。所以，我们在开发的过程中要尽量避免跨桥操作。具体如何避免跨桥操作请参考另一篇文章：【Unity】Unity开发进阶（一）减少跨桥（上下文切换）

堆和栈

在大多数现代操作系统中，运行时的内存空间分为两种类型：栈和堆。

- 栈

栈是内存中预留的特殊空间，专门用于存储小的、短期的数据值，这些值一旦超出作用就会自动释放，因此成为栈。与数据结构中的栈一样，内存栈也有入栈和出栈。
所有声明过的本地变量（比如int a;）都会放入栈内，当调用函数时处理他们的加载和卸载。也就是说在程序运行前变量已经定义到栈中了。这些函数调用通过所谓的调用栈进行拓展与收缩，当对当前函数完成调用栈处理时，它跳回调用栈之前的调用点，并从之前离开的位置继续执行剩余内容。之前内存分配的位置总是已知的，不需要执行内存清理操作，因为新的内存分配指挥覆盖旧数据，因此栈是相对高效的。
栈的总大小通常很小，大约为兆字节（MB）。当分配超过栈可支持的空间时，可能会导致栈溢出，这会出现在执行大量调用栈时（例如无限循环）或有大量本地变量时，但大多数时候，尽管栈的大小相对较小，但很少会引起栈溢出。

- 堆

堆表示所有其他的内存空间，并用于大多数内存分配**。由于我们想让大多数内存分配的持有时间比当前函数调用更长，因此不能栈上分配他们，因为栈会在方法执行结束后覆盖执行前后产生的结果。因为数据类型有时往往过大，或者需要保留到函数之外，这时就有了堆。在物理上堆和栈并没有什么区别，它们都只是内存空间，包含存在于RAM中的数据字节。操作系统会请求并保存这些数据字节。不同之处在于使用它们的时机、场合和方式。
在本地代码中，例如用C++编写的语言，这些内存分配通过手动处理，我们有责任确保正确地分配所有内存块，并在不需要时显式地释放内存。不然容易造成内存泄漏，直到内存不够，程序崩溃为止。
在托管语言中，内存释放通过垃圾回收器自动处理，在Unity程序的初始化期间，Mono平台向操作系统申请一串内存，用于生成堆内存空间（通常称为托管堆），供C#代码使用。这个堆空间开始相对较小，不到1MB，但是随着脚本代码需要新的内存块而增长。如果Unity不再需要它，那么该空间可以通过释放回操作系统来缩小。

- 堆栈的使用

下面通过图的方式展现在一个方法执行时堆栈的大致情况：

Mono VM根据数据类型的不同决定哪些需要存在于栈中，哪些要存在于堆中。通常值类型的数据都直接存在栈中，而引用型数据则会在堆内开辟一段连续的空间，并将该段空间的堆内存地址放到栈中。具体在堆中开辟多大的空间，取决于实例化变量的实际类型，而不是取决于变量的声明类型。

垃圾回收

垃圾回收器（Garbage Collector，GC）有一个重要的工作，该工作确保不使用比所需要的更多的托管内存，而不再需要的内存会自动回收。也就是说，对象的创建以及销毁，GC都会参与其中。例如：如果创建一个GameObject，接着销毁它，那么GC将标记该对象使用的内存空间，以便在后续的时间回收这段内存。注意，内存回收不是实时的，而是只在不要的时候才会回收内存。

Unity使用的Mono版本中的GC是一种追踪式GC，它使用标记与清除策略。该算法分为两个阶段：

1. 每个分配的对象通过一个额外的数据位追踪。该数据位表示对象是否被标记。这些标记设置为false，标识它尚未被标记。当收集过程开始时，它通过设置对象的标识位Alive为true，标记所有依然对程序可访问的对象。可访问对象要么是直接引用（例如栈上的静态或本地变量），要么是通过其他直接或间接可访问对象的字段（成员变量）来间接引用。理论上所有没有被引用的对象都应该被回收。
2. 第二阶段涉及迭代这类引用（GC将在程序的整个生命周期中跟踪这些引用），并基于它的标记状态决定是否应该回收。如果对象未被标记，就会被视为回收的候选者。这个阶段会直接跳过已被标记过的对象，但在下次垃圾回收扫描之前会将它们重新设置为false，以完成新一轮的标记。

当第二个阶段执行结束，所有没被标记的对象会被正式回收以释放空间，然后重新访问创建对象的出事请求，如果GC已经释放了足够的空间，就在新释放的空间内分配内存并返回给调用者。如果释放后的空间不够，就只能再向系统申请更多的托管堆。

事实上，GC在内存中维护所有对象的列表，而应用程序维护了另一个独立的列表，其中仅包含它们中的一部分。只要程序用完对象，就简单的忘记它的存在，将其从列表中移除，而不去考虑对象是否需要被回收。也就是说，垃圾回收的工作是GC自己独立完成的，程序只需要维护自己的对象列表即可。

游戏对于性能的要求较高，为提高效率，可在场景切换时或资源使用不频繁时调用GC。

- Mono内存分配过程

Mono内存分为两部分：已用内存（Used）和堆内存（Heap），已用内存指的是Mono实际使用的内存，堆内存是Mono向系统申请的内存。当程序需要申请内存时，垃圾回收器（GC）会先在堆中查找是否有连续的且空间足够的内存位置，如果有这样的空位，则直接分配内存，如果没有则会先执行垃圾回收再尝试分配，如果仍然不够则会向系统申请更多的内存空间以供使用。

- 内存泄漏

通常情况下，GC所标记的对象都是可访问对象，但在某些特定情况下（互相引用、静态引用等），GC会产生错误的标记，将一些永远无法访问的对象标记为Alive，这将导致这部分内存一直未被回收，这部分内容就被称为内存泄漏。如果程序中定期的产生此类代码，程序会在运行一段时间后耗尽系统内存，导致程序强退、闪退，甚至系统重启。

腾讯的WeTest平台提供了一系列测试工具，其中就有测试内存泄漏的工具，详见文章：Unity游戏Mono内存管理及泄漏

- 内存碎片

在理想状态下，持续的分配和回收对象能够让堆保持恒定大小。然而，程序中的所有对象很少以他们分配的顺序被回收，而且他们占用的内存大小也很少一样，这就导致了内存碎片。

因为对象在堆中的存储方式必须是连续的，那么大的对象就无法完美的分段安插在已经被回收过的小空间内，这些回收后没有被重新利用起来的小空间就被称为内存碎片。这样的碎片多了以后，GC就经常需要申请新的堆，而新的分配也将花费更多的时间来寻找空间和申请空间。

- 运行时垃圾回收

在最坏的情况下，当游戏请求新的内存分配时，CPU在完成分配之前需要花费CPU周期来完成下面的任务：

1. 验证是否有足够的连续空间用于分配新对象。
2. 如果没有足够空间，迭代所有已知的直接和间接引用，标记他们是否可达。
3. 再次迭代所有这些引用，标识未标记的对象用于回收。
4. 迭代所有标识对象，以检查回收一些对象是否能为新对象创建足够大的连续空间。
5. 如果没有，从操作系统请求新的内存块，以便拓展堆。
6. 在新分配的块前面分配新对象，并返回给调用者。

此时CPU需要处理很多工作，特别当该新内存分配用于重要的对象，如粒子特效，新进入场景的角色，火切换场景过渡等。用户极有可能注意到此时GC冻结了游戏以处理极端情况。更糟的是，GC工作负载随着已分配的堆空间的增长而变差，因为擦除几兆字节的空间比扫描几千兆字节快得多。这也是很多游戏越玩越卡的原因所在，轻则掉帧，重则卡顿，甚至闪退。

- 垃圾回收

GC运行在两个独立线程上：主线程和所谓的Finalizer Thread。当调用GC时，它运行在主线程上，并标志堆内存块为后续回收。这不会立刻发生，由Mono控制的Finalizer Thread在内存最终释放并可用于重新分配之前，可能会延迟几秒。

可以通过Projiler窗口中Memory Area的Total Allocated块观察此行为（绿线）。垃圾回收后可能需要几秒钟总分配值才会下降。由于这种延迟，不应该依赖内存一旦回收就可以使用这一观念，而且因此不应该浪费时间尝试消耗可用内存的最后一个字节，必须确保有某种类型的缓冲区用于未来的分配。

GC释放的块有时会在一段时间后返回到操作系统，这将减少堆消耗的保留空间，并允许内存分配给其他应用程序。然而这是不可预测的，它取决于目标平台，因此不应该依赖它。唯一的安全假设是一旦内存分配给Mono，它就会被保留，不再可用于本地域或相同系统上运行的任何其他程序。

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