Lua性能优化—Lua内存优化

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导语：大家好，我是舒航，现任职于心动网络，主要负责《仙境传说RO：守护永恒的爱》（下简称"RO"）的优化工作。今天主要想和大家分享一下，我这段时间在Lua性能优化方面的一些经验。

现在市面上大部分Unity游戏都能支持热更，主要热更Lua和一些资源。而Lua主要实现一些UI界面之类的非核心逻辑，这样虽然Lua这部分代码非常灵活，增加功能、修复BUG都非常方便。但是由于Lua实现的大部分都是UI，那么Lua热更出去的功能最多就是一些新UI界面罢了，或者用资源配合配置表来扩充下游戏既有内容。如果想做个特殊的玩法势必受到掣肘，一般最后都会发现导出的接口不全，非得打整包才行。为了使得RO的玩法更灵活，热更的游戏内容更丰富，其实就是为了满足策划们的各种需求啦，RO战斗逻辑的主体都是在Lua中完成。所以RO相对于其他的游戏，对Lua代码的性能要求会更高一些。
在我对Lua代码进行性能优化的时候，主要分为两部分：

1.内存优化

常驻内存优化
内存分配优化
内存泄露优化

2.CPU优化

这篇文章主要是和大家分享第一点，在内存优化上的一些经验和方法。在我进行Lua优化之前，我们已经请过UWA团队进行过深度的优化了，而且收效很好，在此给UWA团队赞一个。那么，面对一个已经进行过一次彻底优化的项目，要进行更深入的优化之前首先要问自己一个问题：

Q：我为什么能比前人优化得更彻底，做到前人没有做到得事情呢？
总的来说就是两点：1）工具更先进，2）项目更熟悉。

所以在这样的策略下，我主要是针对我们的项目编写了两个工具：LuaMemoryMonitor和LuaProfiler。一个用于优化内存泄露和内存分布，一个用于优化内存分配。有了更好的工具之后，再针对性地优化自己项目的代码，无论是效率还是结果都非常好。LuaMemoryMonitor能在十几分钟内就定位到泄露的代码，用这个工具我们一下午就查清了战斗中的内存泄露，并且能清晰地列出Lua的内存分布。而LuaProfiler帮助我们把Lua内存分配速度降低到了原来的40-50%。

LuaMemoryMonitor

LuaMemoryMonitor主要由两部分组成： C库Snapshot 和 UnityEditor ，下面我们分别说明。

一、C库的实现细节

C库的主要工作有：

快照_G
计算Lua对象内存大小
储存快照

1.快照_G
Lua中可回收的对象递归关系如图：

遍历_G时按这个结构关系进行遍历，只需要编写5个函数traverse_object、traverse_table、traverse_function、traverse_userdata、traverse_thread，然后从traverse_table(_G)开始递归即可。在统计内存大小时，即要统计对象本身占用的内存，也要递归地遍历它所引用的所有对象占用的内存。其中string是Lua内部管理的，统计时要注意同一字符串的不同引用不能重复统计内存。

2.计算Lua对象内存大小
对Lua当前内存进行快照时，我主要是快照_G，如果有需要的话可以快照Registry。如果仅仅是查内存泄露，那么不统计_G内每一Entry的内存大小也可以。但是我为了分析内存分布，那么必须得统计每一Entry的内存大小。统计Lua对象的内存大小是没有现成的接口的，我这里给大家提供一种思路，也是Lua源码中统计对象内存大小的办法。例如一个Table占用的内存大小为：

3.储存快照
由于要对Lua内存进行分析，那么就不能把快照又存到Lua内，这样很容易干扰自己的数据采集。这也是把快照的代码写在C里的一个重要原因，如果是在Lua里写的话，就必须要小心翼翼地处理这些数据了。而写在C里就很好解决了，我在C里用一颗多节点树来储存每一个快照，多个快照组成一个链表。

二、Unity Editor

1.Editor特性
Snapshot库已经为编辑器准备好了所有数据了，现在只需要想一个好主意、好方法来利用这些数据。这里我做了一个特别的功能，可以很高效地利用这些数据。在UnityEditor里可以对每个快照进行逻辑操作。

求交集：即两个或多个快照中都存在的对象，即这些快照中的常驻内存。
求补集：A在B中的补集指在A中但不在B中的对象，即A相对于B的增量。

简单例子：在刚进入战斗时采样得到A快照，战斗一段时间后采样得到B快照，离开战斗场景回到主城，手动GC后采样得到C快照。求AB的补集得到一个新的快照D，D即是战斗期间新增的内存。求AC的补集得到快照E，E即是战斗期间新增并且离开战斗GC后没有释放掉的内存。对D和E求交集，得到快照F，F即是战斗中新增但是回到主城后释放掉的内存。这其中E中的对象非常有可能就是泄露了的内存，而F中的对象是可以尝试更早地释放的内存。这时可以选中E快照，把E快照输出到Editor上，输出为一个树状结构，就像Unity自带的Profiler中一样，如果有泄露的话基本上就无所遁形了。而直接输出A快照的话，就能得到刚进入战斗时的内存分布。

三、常见泄漏：C#代理

我们项目中查到的比较多的泄露就是C#代理了，如果把Lua匿名函数注册给C#的代理，那么这个Lua匿名函数将不能正确地被LuaGC了，也就是泄露了。改进方法就是不把Lua匿名函数注册给C#代理，这样的话，每隔一段时间C#都会主动Dispose。

四、其他内存优化：常驻内存优化

常驻内存方面我们一直控制的很好，这次我们主要是优化了大量的table配置表，这个优化主要参考了UWA中的这篇文章【 Lua配置表存储优化方案—卢建】

五、LuaMemoryMonitor改进

现在LuaMemoryMonitor定位是一个快速定位泄露的工具，还需要提前知道疑似泄露的地方，然后有针对地采样。有一个改进方法是，在Lua中写一个定期检查内存疑似泄露的工具，然后在疑似泄露的地方用LuaMemoryMonitor进行快速定位。

LuaProfiler

解决了常驻内存和内存泄露的麻烦后，发现内存增长得很快，很短时间内就会到达我们项目设置的阈值，迎来一次GC。而刚GC完空余出来的内存又会迅速地被分配出去，内存长时间处于高位。频繁分配内存不仅降低了性能，还使手机更容易发热了。为了定位和优化内存的高分配，我模仿Unity的Profiler写了一个LuaProfiler，并做了相应的扩展。这个工具也由两部分组成：1）C库 , 2）UnityEditor。

一、 LuaProfiler的C库

LuaProfiler的C库主要完成了数据采集的工作。它在Lua虚拟机中注册了钩子函数，每次Lua Call 和 Return 的时候都会触发回调。在每次回调的时候，在C里维护了一颗限制层级的多节点树，由C#主动来取这颗树。每帧都取每帧都清空，即是逐帧统计。每隔一段时间取，但不清空，即是累计模式。

二、 LuaProfiler的UnityEditor

Editor的主体是一组递归绘制的foldout控件，在Editor上显示出一个树状结构。LuaProfiler能实时地根据调用层级，然后通过各个按钮实现各种规则排序。这和UnityProfiler相同，想必大家不会陌生。另外LuaProfiler不仅提供了和UnityProfiler一样的逐帧模式，还提供了统计模式和累计模式。在累计模式下，会把每一帧的内存分配累加起来，以树状结构的方式展示出来。而统计模式则是把每一个函数的内存分配累加起来，以Top10的形式展现出来。统计模式不关心调用层级，只关心所有函数中哪些函数分配的内存最多。在这样一个工具的帮助下，RO的内存分配优化变得格外简单、高效。

三、常见优化：string.gsub和string.gmatch

在我们项目中，用这两个string库函数完成了一个计算中文个数、长度的工具函数。但是容易被忽略的是，string.gsub 和 string.gmatch 会产生大量的子串，这些子串都会开辟一片内存，而我们根本用不上这些子串。我发现函数1在很多项目中都普遍存在，但是用函数2会更好一些。

四、常见优化：Lua中String是不可变值

这一点也经常被大家忘记，哪怕是写Lua的老手。在以下代码中，因为Lua的string是不可变值，每次拼接都会产生一串新的字符串。第6行会产生"仙境"、"仙境传"、"仙境传说"一共3串字符串，但是我们只是需要第三串而已（“仙”字被Lua背部重用了）。这无形中就多开辟了一部分内存，我们可以对以下代码进行优化，从而避免浪费。这种疏忽经常出现在 I/O文件、聊天频道、处理配置等描述字段时发生。

五、常见优化：内存池

如果想降低内存分配速度，使用内存池复用对象是必不可少的。在Lua内存池的使用过程中，最容易出现的问题是，忘了放回池子以及池子大小不合理。

总结

全文上下，用到的技术都不难，相信大家都能搞定。在这里主要是和大家分享一下拿到原始数据后，如何处理过滤数据、信息的经验，从而更快更准确地定位问题。如果大家有更好更精准的处理数据、过滤信息的方法请不吝赐教。

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文末，再次感谢舒航的分享，后续他将会给大家带来LuaProfiler的CPU优化部分，主要内容包括：
1）用多线程缓解DeepProfile数造成的卡顿；
2）Lua的CPU时间优化经验；
3）Lua的CPU时间到底消耗在哪一块，Lua是不是不堪大任呢？

欢迎大家的关注，也欢迎大家来积极参与U Sparkle开发者计划，简称"US"，代表你和我，代表UWA和开发者在一起！