用好lua+unity,让性能飞起来——lua与c#交互篇

前言

在看了uwa之前发布的《Unity项目常见Lua解决方案性能比较》,决定动手写一篇关于lua+unity方案的性能优化文。

整合lua是目前最强大的unity热更新方案,毕竟这是唯一可以支持ios热更新的办法。然而作为一个重度ulua用户,我们踩过了很多的坑才将ulua上升到一个可以在项目中大规模使用的状态。事实上即使到现在lua+unity的方案仍不能轻易的说可以肆意使用,要用好,你需要知道很多。

因此,这篇文章是从一堆简单的优化建议里头,逐步挖掘出背后的原因。只有理解了原因,才能很清楚自己做的优化,到底是为了什么,有多大的效果。

从最早的lua纯反射调用c#,以及云风团队尝试的纯c#实现的lua虚拟机,一直发展到现在的各种luajit+c#静态lua导出方案,lua+unity才算达到了性能上实用的级别。

但即使这样,实际使用中我们会发现,比起cocos2dx时代luajit的发扬光大,现在lua+unity的性能依然存在着相当的瓶颈。仅从《性能比较》的test1就可以看到,iphone4s下二十万次position赋值就已经需要3000ms,如果是coc这样类型的游戏,不处理其他逻辑,一帧仅仅上千次位置赋值(比如数百的单位、特效和血条)就需要15ms,这显然有些偏高。

是什么导致lua+unity的性能并未达到极致,要如何才能更好的使用?我们会一些例子开始,逐步挖掘背后的细节。

由于我们项目主要使用的是ulua(集成了topameng的cstolua,但是由于持续的性能改进,后面已经做过大量的修改),本文的大部分结论都是基于ulua+cstolua的测试得出来的,slua都是基于其源码来分析(根据我们分析的情况来看,两者原理上基本一致,仅在实现细节上有一些区别),但没有做过深入测试,如有问题的话欢迎交流。

既然是lua+unity,那性能好不好,基本上要看两大点:

lua跟c#交互时的性能如何

纯lua代码本身的性能如何

因为这两部分都各有自己需要深入探讨的地方,所以我们会分为多篇去探讨整个lua+unity到底如何进行优化。

lua与c#交互篇

1.从致命的gameobj.transform.position = pos开始说起

像gameobj.transform.position = pos这样的写法,在unity中是再常见不过的事情

但是在ulua中,大量使用这种写法是非常糟糕的。为什么呢?

因为短短一行代码,却发生了非常非常多的事情,为了更直观一点,我们把这行代码调用过的关键luaapi以及ulua相关的关键步骤列出来(以ulua+cstolua导出为准,gameobj是GameObject类型,pos是Vector3):

第一步:

GameObjectWrap.get_transform    lua想从gameobj拿到transform,对应gameobj.transform

LuaDLL.luanet_rawnetobj            把lua中的gameobj变成c#可以辨认的id

ObjectTranslator.TryGetValue      用这个id,从ObjectTranslator中获取c#的gameobject对象

gameobject.transform                准备这么多,这里终于真正执行c#获取gameobject.transform了

ObjectTranslator.AddObject         给transform分配一个id,这个id会在lua中用来代表这个transform,transform要保存到ObjectTranslator供未来查找

LuaDLL.luanet_newudata            在lua分配一个userdata,把id存进去,用来表示即将返回给lua的transform

LuaDLL.lua_setmetatable            给这个userdata附上metatable,让你可以transform.position这样使用它

LuaDLL.lua_pushvalue                返回transform,后面做些收尾

LuaDLL.lua_rawseti

LuaDLL.lua_remove

第二步:

TransformWrap.set_position                     lua想把pos设置到transform.position

LuaDLL.luanet_rawnetobj                       把lua中的transform变成c#可以辨认的id

ObjectTranslator.TryGetValue                 用这个id,从ObjectTranslator中获取c#的transform对象

LuaDLL.tolua_getfloat3                          从lua中拿到Vector3的3个float值返回给c#

lua_getfield + lua_tonumber 3次         拿xyz的值,退栈

lua_pop

transform.position = new Vector3(x,y,z) 准备了这么多,终于执行transform.position = pos赋值了

就这么一行代码,竟然做了这么一大堆的事情!如果是c++,a.b.c = x这样经过优化后无非就是拿地址然后内存赋值的事。但是在这里,频繁的取值、入栈、c#到lua的类型转换,每一步都是满满的cpu时间,还不考虑中间产生了各种内存分配和后面的GC!

下面我们会逐步说明,其中有一些东西其实是不必要的,可以省略的。我们可以最终把他优化成:

lua_isnumber + lua_tonumber 4次,全部完成

2.在lua中引用c#的object,代价昂贵

从上面的例子可以看到,仅仅想从gameobj拿到一个transform,就已经有很昂贵的代价

c#的object,不能作为指针直接供c操作(其实可以通过GCHandle进行pinning来做到,不过性能如何未测试,而且被pinning的对象无法用gc管理),因此主流的lua+unity都是用一个id表示c#的对象,在c#中通过dictionary来对应id和object。同时因为有了这个dictionary的引用,也保证了c#的object在lua有引用的情况下不会被垃圾回收掉。

因此,每次参数中带有object,要从lua中的id表示转换回c#的object,就要做一次dictionary查找;每次调用一个object的成员方法,也要先找到这个object,也就要做dictionary查找。

如果之前这个对象在lua中有用过而且没被gc,那还就是查下dictionary的事情。但如果发现是一个新的在lua中没用过的对象,那就是上面例子中那一大串的准备工作了。

如果你返回的对象只是临时在lua中用一下,情况更糟糕!刚分配的userdata和dictionary索引可能会因为lua的引用被gc而删除掉,然后下次你用到这个对象又得再次做各种准备工作,导致反复的分配和gc,性能很差。

例子中的gameobj.transform就是一个巨大的陷阱,因为.transform只是临时返回一下,但是你后面根本没引用,又会很快被lua释放掉,导致你后面每次.transform一次,都可能意味着一次分配和gc。

3.在lua和c#间传递unity独有的值类型(Vector3/Quaternion等)更加昂贵

既然前面说了lua调用c#对象缓慢,如果每次vector3.x都要经过c#,那性能基本上就处于崩溃了,所以主流的方案都将Vector3等类型实现为纯lua代码,Vector3就是一个{x,y,z}的table,这样在lua中使用就快了。

但是这样做之后,c#和lua中对Vector3的表示就完全是两个东西了,所以传参就涉及到lua类型和c#类型的转换,例如c#将Vector3传给lua,整个流程如下:

1.c#中拿到Vector3的x,y,z三个值

2.push这3个float给lua栈

3.然后构造一个表,将表的x,y,z赋值

4.将这个表push到返回值里

一个简单的传参就要完成3次push参数、表内存分配、3次表插入,性能可想而知。

那么如何优化呢?我们的测试表明,直接在函数中传递三个float,要比传递Vector3要更快。

例如void SetPos(GameObject obj, Vector3 pos)改为void SetPos(GameObject obj, float x, float y, float z)

具体效果可以看后面的测试数据,提升十分明显。

4.lua和c#之间传参、返回时,尽可能不要传递以下类型:

严重类: Vector3/Quaternion等unity值类型,数组

次严重类:bool string 各种object

建议传递:int float double

虽然是lua和c#的传参,但是从传参这个角度讲,lua和c#中间其实还夹着一层c(毕竟lua本身也是c实现的),lua、c、c#由于在很多数据类型的表示以及内存分配策略都不同,因此这些数据在三者间传递,往往需要进行转换(术语parameter mashalling),这个转换消耗根据不同的类型会有很大的不同。

先说次严重类中的bool string类型,涉及到c和c#的交互性能消耗,根据微软官方文档,在数据类型的处理上,c#定义了Blittable Types和Non-Blittable Types,其中bool和string属于Non-Blittable Types,意思是他们在c和c#中的内存表示不一样,意味着从c传递到c#时需要进行类型转换,降低性能,而string还要考虑内存分配(将string的内存复制到托管堆,以及utf8和utf16互转)。

可以参考https://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/ms998551.aspx,这里有更详细的关于c和c#交互的性能优化指引。

而严重类,基本上是ulua等方案在尝试lua对象与c#对象对应时的瓶颈所致。

Vector3等值类型的消耗,前面已经有所提及。

而数组则更甚,因为lua中的数组只能以table表示,这和c#下完全是两码事,没有直接的对应关系,因此从c#的数组转换为lua table只能逐个复制,如果涉及object/string等,更是要逐个转换。

5.频繁调用的函数,参数的数量要控制

无论是lua的pushint/checkint,还是c到c#的参数传递,参数转换都是最主要的消耗,而且是逐个参数进行的,因此,lua调用c#的性能,除了跟参数类型相关外,也跟参数个数有很大关系。一般而言,频繁调用的函数不要超过4个参数,而动辄十几个参数的函数如果频繁调用,你会看到很明显的性能下降,手机上可能一帧调用数百次就可以看到10ms级别的时间。

6.优先使用static函数导出,减少使用成员方法导出

前面提到,一个object要访问成员方法或者成员变量,都需要查找lua userdata和c#对象的引用,或者查找metatable,耗时甚多。直接导出static函数,可以减少这样的消耗。

像obj.transform.position = pos。

我们建议的方法是,写成静态导出函数,类似

class LuaUtil{

static void SetPos(GameObject obj, float x, float y, float z){obj.transform.position = new Vector3(x, y, z); }

}

然后在lua中LuaUtil.SetPos(obj, pos.x, pos.y, pos.z),这样的性能会好非常多,因为省掉了transform的频繁返回,而且还避免了transform经常临时返回引起lua的gc。

7.注意lua拿着c#对象的引用时会造成c#对象无法释放,这是内存泄漏常见的起因

前面说到,c# object返回给lua,是通过dictionary将lua的userdata和c# object关联起来,只要lua中的userdata没回收,c# object也就会被这个dictionary拿着引用,导致无法回收。

最常见的就是gameobject和component,如果lua里头引用了他们,即使你进行了Destroy,也会发现他们还残留在mono堆里。

不过,因为这个dictionary是lua跟c#的唯一关联,所以要发现这个问题也并不难,遍历一下这个dictionary就很容易发现。ulua下这个dictionary在ObjectTranslator类、slua则在ObjectCache类

8.考虑在lua中只使用自己管理的id,而不直接引用c#的object

想避免lua引用c# object带来的各种性能问题的其中一个方法就是自己分配id去索引object,同时相关c#导出函数不再传递object做参数,而是传递int。

这带来几个好处:

1.函数调用的性能更好;

2.明确地管理这些object的生命周期,避免让ulua自动管理这些对象的引用,如果在lua中错误地引用了这些对象会导致对象无法释放,从而内存泄露

3.c#object返回到lua中,如果lua没有引用,又会很容易马上gc,并且删除ObjectTranslator对object的引用。自行管理这个引用关系,就不会频繁发生这样的gc行为和分配行为。

例如,上面的LuaUtil.SetPos(GameObject obj, float x, float y, float z)可以进一步优化为LuaUtil.SetPos(int objID, float x, float y, float z)。然后我们在自己的代码里头记录objID跟GameObject的对应关系,如果可以,用数组来记录而不是dictionary,则会有更快的查找效率。如此下来可以进一步省掉lua调用c#的时间,并且对象的管理也会更高效。

9.合理利用out关键字返回复杂的返回值

在c#向lua返回各种类型的东西跟传参类似,也是有各种消耗的。

比如

Vector3 GetPos(GameObject obj)

可以写成

void GetPos(GameObject obj, out float x, out float y, out float z)

表面上参数个数增多了,但是根据生成出来的导出代码(我们以ulua为准),会从:

LuaDLL.tolua_getfloat3(内含get_field + tonumber 3次)

变成

isnumber + tonumber 3次

get_field本质上是表查找,肯定比isnumber访问栈更慢,因此这样做会有更好的性能。

实测

好了,说了这么多,不拿点数据来看还是太晦涩

为了更真实地看到纯语言本身的消耗,我们直接没有使用例子中的gameobj.transform.position,因为这里头有一部分时间是浪费在unity内部的。

我们重写了一个简化版的GameObject2和Transform2。

class Transform2{

public Vector3 position = new Vector3();

}

class GameObject2{

public Transform2 transform = new Transform2();

}

然后我们用几个不同的调用方式来设置transform的position

方式1:gameobject.transform.position = Vector3.New(1,2,3)

方式2:gameobject:SetPos(Vector3.New(1,2,3))

方式3:gameobject:SetPos2(1,2,3)

方式4:GOUtil.SetPos(gameobject, Vector3.New(1,2,3))

方式5:GOUtil.SetPos2(gameobjectid, Vector3.New(1,2,3))

方式6:GOUtil.SetPos3(gameobjectid, 1,2,3)

分别进行1000000次,结果如下(测试环境是windows版本,cpu是i7-4770,luajit的jit模式关闭,手机上会因为luajit架构、il2cpp等因素干扰有所不同,但这点我们会在下一篇进一步阐述):

方式1:903ms

方式2:539ms

方式3:343ms

方式4:559ms

方式5:470ms

方式6:304ms

可以看到,每一步优化,都是提升明显的,尤其是移除.transform获取以及Vector3转换提升更是巨大,我们仅仅只是改变了对外导出的方式,并不需要付出很高成本,就已经可以节省66%的时间。

实际上能不能再进一步呢?还能!在方式6的基础上,我们可以再做到只有200ms!

这里卖个关子,下一篇luajit集成中我们进一步讲解。一般来说,我们推荐做到方式6的水平已经足够。

这只是一个最简单的案例,有很多各种各样的常用导出(例如GetComponentsInChildren这种性能大坑,或者一个函数传递十几个参数的情况)都需要大家根据自己使用的情况来进行优化,有了我们提供的lua集成方案背后的性能原理分析,应该就很容易去考虑怎么做了。

下一篇将会写lua+unity性能优化的第二部分,luajit集成的性能坑

相比起第一部分这种看导出代码就能大概知道性能消耗的问题,luajit集成的问题要复杂晦涩得多。

附测试用例的c#代码:

public class Transform2

{

    public Vector3 position = new Vector3();

}

public class GameObject2

{

    public Transform2 transform = new Transform2();

    public void SetPos(Vector3 pos)

    {

        transform.position = pos;

    }

    public void SetPos2(float x, float y, float z)

    {

        transform.position.x = x;

        transform.position.y = y;

        transform.position.z = z;

    }

}

public class GOUtil

{

    private static List<GameObject2> mObjs = new List<GameObject2>();

    public static GameObject2 GetByID(int id)

    {

        if(mObjs.Count == 0)

        {

            for (int i = 0; i < 1000; i++ )

            {

                mObjs.Add(new GameObject2());

            }

        }

        return mObjs[id];

    }

    public static void SetPos(GameObject2 go, Vector3 pos)

    {

        go.transform.position = pos;

    }

    public static void SetPos2(int id, Vector3 pos)

    {

        mObjs[id].transform.position = pos;

    }

    public static void SetPos3(int id, float x, float y ,float z)

    {

        var t = mObjs[id].transform;

        t.position.x = x;

        t.position.y = y;

        t.position.z = z;

    }

}
时间: 10-26

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