Mono和IL2CPP

原文

https://zhuanlan.zhihu.com/p/352463394

增加了少部分自己的理解

什么是跨平台

首先，什么是跨平台？

跨平台：一次编译，不需要任何代码修改，应用程序就可以运行在任意在平台上跑，即代码不依赖于操作系统，也不依赖硬件环境。

游戏肯定需要跨平台，不能只支持一种平台，不然每个对应的平台做出一种对应的编译器，那真的会累死。所以对于跨平台的需求，对于游戏开发而言，很重要。Unity的架构需求设计当然也需要这个特性。

Mono介绍

Mono是一个由Xamarin公司所主持的自由开放源码项目。
Mono的目标是在尽可能多的平台上使.net标准的东西能正常运行的一套工具，核心在于“跨平台地让.net代码能运行起来“。
Mono组成组件：C# 编译器，CLI虚拟机，以及核心类别程序库。
Mono的编译器负责生成符合公共语言规范的映射代码，即公共中间语言（Common Intermediate Language，CIL），我的理解就是工厂方法实现不同解析。

什么是IL

IL的全称是 Intermediate Language，IL是与CPU无关的机器语言，能访问和操作对象类型，并提供了指令来创建和初始化对象、调用对象上的虚方法以及直接操作数组元素。甚至提供了抛出和捕捉异常的指令来实现错误处理。可将IL视为一种面向对象的及其语言。很多时候还会看到CIL（特指在.Net平台下的IL标准）。翻译过来就是中间语言。
它是一种属于通用语言架构和.NET框架的低阶的人类可读的编程语言。
CIL类似一个面向对象的汇编语言，并且它是完全基于堆栈的，它运行在虚拟机上（.Net Framework, Mono VM）的语言。

什么是CLR

CLR，公共语言运行时（公共语言运行库），是一个可由多种编程语言使用的“运行时”。CLR的核心功能（比如内存管理、程序集加载、安全性、异常处理和线程同步）可由面向CLR的所有语言使用。

CLR，IL，JITCompiler

在运行时，CLR根本不关心开发人员用哪一种语言写源代码。可用任何编程语言开发代码，只要编译器是面向CLR的。

CLR实际不和模块工作。它和程序集工作。程序集(assembly)是抽象概念，它是一个或多个模块/资源文件的逻辑性分组。其次，程序集是重用、安全性以及版本控制的最小单元。取决于你选择的编译器或工具，即可生成单文件程序集，也可生成多文件程序集。在CLR的世界中，程序集相当于组件。

托管程序集同时包含元数据和IL。开发人员一般用高级语言进行编程。它们的编译器生成IL，IL也能使用汇编语言编写。

高级语言通常只公开了CLR全部功能的一个子集。然而，IL汇编语言允许开发人员访问CLR的全部功能。

为了执行方法，首先必须把方法的IL转换成本机CPU指令，这是CLR的JIT(just int time或者即时)编译器的职责。

Main方法首次调用WriteLine时，JITCompiler函数会被调用。JITCompiler函数负责将方法的IL代码编译成CPU指令。由于IL是即时编译的，所以通常将CLR的这个组件称为JITter或者JIT编译器。

JITCompiler函数被调用时，它知道要调用的是哪个方法，以及具体是什么类型定义了该方法。然后，JITCompiler会在定义（该类型的）程序集的元数据中查找被调用方法的IL。接着，JITCompiler验证IL代码，并将IL代码编译成本机CPU指令。本机CPU指令保存到动态分配的内存块中。然后，JITCompiler回到CLR为类型创建的内部数据结构，找到与被调用方法对应的那条记录，修改最初对JITCompiler的引用，使其指向内存块（其中包含了刚才编译好的本机CPU指令）的地址。最后，JITCompiler函数跳转到内存块中的代码。这些代码正式WriteLine方法的具体实现。代码执行完毕返回时，回到Main中的代码，并像往常一样执行。

现在，在第二次调用WriteLine时，会直接执行内存块中的代码，跳过JIPCompiler函数。

方法仅在首次调用时才会有一些性能损失。以后对该方法的所有调用都以本机代码的形式全速运行，无需重新验证IL并把它编译成本机代码。

JIT编译器将本机CPU指定存储到动态内存中。这意味着一旦应用程序终止，编译好的代码也会被丢弃。所以，再次运行应用程序或者同时启动应用程序的两个实例，JIT编译器必须再次将IL编译成本机指令。

JIT编译的优点

构建应用非常快
由于Mono的JIT(Just In Time compilation ) 机制, 所以支持更多托管类库
支持运行时代码执行
必须将代码发布成托管程序集(.dll 文件 , 由mono或者.net 生成 )
Mono VM在各个平台移植异常麻烦，有几个平台就得移植几个VM（WebGL和UWP这两个平台只支持 IL2CPP）
Mono版本授权受限，C#很多新特性无法使用
iOS仍然支持Mono , 但是不再允许Mono(32位)应用提交到Apple Store

什么是AOT

程序运行之前，将.exe或.dll文件中的CIL的byte code部分转译为目标平台的原生码并且存储，程序运行中仍有部分CIL的byte code需要JIT编译。

什么是Full AOT

程序运行前，将所有源码编译成目标平台的原生码。

编译器

C#编译器mcs：将C#编译为IL。

Mono Runtime编译器：将IL转移为原生码。

Unity跨平台的原理

Mono运行时编译器支持将IL代码转为对应平台原生码。

IL可以在任何支持CLI（通用语言环境结构）中运行，IL的运行是依托于Mono运行时。

IOS不支持JIT编译的原因

IOS并非把JIT禁止了。或者换个句式讲，IOS封了内存（或者堆）的可执行权限，相当于变相的封锁了JIT这种编译方式。

机器码被禁止映射到内存，即封存了内存的可执行权限，变相的封锁了jit编译方式。

IL2CPP

IL2CPP分为两个独立的部分：

1. AOT（静态编译）编译器：把IL中间语言转换成CPP文件

2. 运行时库：例如垃圾回收、线程/文件获取（独立于平台，与平台无关）、内部调用直接修改托管数据结构的原生代码的服务与抽象

AOT编译器

IL2CPP AOT编译器名为il2cpp.exe。
在Windows上，您可以在Editor \ Data \ il2cpp目录中找到它。
在OSX上，它位于Unity安装的Contents / Frameworks / il2cpp / build目录中
il2cpp.exe 是由C#编写的受托管的可执行程序，它接受我们在Unity中通过Mono编译器生成的托管程序集，并生成指定平台下的C++代码。

IL2CPP工具链：

运行时库

IL2CPP技术的另一部分是运行时库（libil2cpp），用于支持IL2CPP虚拟机的运行。
这个简单且可移植的运行时库是IL2CPP技术的主要优势之一！
通过查看我们随Unity一起提供的libil2cpp的头文件，您可以找到有关libil2cpp代码组织方式的一些线索
您可以在Windows的Editor \ Data \ PlaybackEngines \ webglsupport \ BuildTools \ Libraries \ libil2cpp \ include目录中找到它们
或OSX上的Contents / Frameworks / il2cpp / libil2cpp目录。

为什么要转成CPP

（1）运行效率快

根据官方的实验数据，换成IL2CPP以后，程序的运行效率有了1.5-2.0倍的提升。

（2）Mono VM在各个平台移植，维护非常耗时，有时甚至不可能完成

Mono的跨平台是通过Mono VM实现的，有几个平台，就要实现几个VM，像Unity这样支持多平台的引擎，Mono官方的VM肯定是不能满足需求的。所以针对不同的新平台，Unity的项目组就要把VM给移植一遍，同时解决VM里面发现的bug。这非常耗时耗力。这些能移植的平台还好说，还有比如WebGL这样基于浏览器的平台。要让WebGL支持Mono的VM几乎是不可能的。

（3）可以利用现成的在各个平台的C++编译器对代码执行编译期优化，这样可以进一步减小最终游戏的尺寸并提高游戏运行速度。

（4）由于动态语言的特性，他们多半无需程序员太多关心内存管理，所有的内存分配和回收都由一个叫做GC（Garbage Collector）的组件完成。

虽然通过IL2CPP以后代码变成了静态的C++，但是内存管理这块还是遵循C#的方式，这也是为什么最后还要有一个 IL2CPP VM的原因：它负责提供诸如GC管理，线程创建这类的服务性工作。

但是由于去除了IL加载和动态解析的工作，使得IL2CPP VM可以做的很小，并且使得游戏载入时间缩短。

Mono和IL2CPP编译区别

使用Mono的时候，脚本的编译运行如下图所示：

3大脚本被编译成IL，在游戏运行的时候，IL和项目里其他第三方兼容的DLL一起，放入Mono VM虚拟机，由虚拟机解析成机器码，并且执行IL2CPP做的改变由下图红色部分标明：

在得到中间语言IL后，使用IL2CPP将他们重新变回C++代码，然后再由各个平台的C++编译器直接编译成能执行的原生汇编代码。

IL2CPP优点

相比Mono, 代码生成有很大的提高
可以调试生成的C++代码
可以启用引擎代码剥离(Engine code stripping)来减少代码的大小
程序的运行效率比Mono高，运行速度快
多平台移植非常方便
相比Mono构建应用慢
只支持AOT(Ahead of Time)编译

IL2CPP比较适合开发和发布项目，但是为了提高版本迭代速度，可以在开发期间切换到Mono模式（构建应用快）。

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