Unity内存管理的原理

【前言】

当我们谈及Unity内存管理时，我们更多的是在说手游项目上如何更好的去管理内存，如果是在端游项目上，没有那么多讲究，内存随便用。

【为什么手机上内存不够用】

CPU读写速度远快于内存的速度，大多数时候CPU都在等内存给数据，为了缓解主存速度慢、跟不上CPU读写速度要求的矛盾，进而提高程序运行效率，CPU设计时引入了高速缓冲存储器。在PC中，CPU一般有三级缓存，大小共8～16M。而手机没有独立显卡、独立显存，CPU和GPU共用一个缓存，其内存更小，缓存级数更少、大小仅为2M。

PC有内存交换机制，在物理内存不够用时，操作系统会将不用的数据（DeadMemory）交换到硬盘上。而手机不做内存交换，一是因为移动设备的硬盘IO速度比PC慢很多，二是因为移动设备的硬盘可擦写次数更少，频繁擦写会减少设备使用寿命。Android机上没有做内存交换，IOS可以把不活跃的内存进行压缩，使得实际可用的内存更多，这就是为什么同样大的物理内存，IOS的虚拟内存会标的更大。

【Android的内存管理】

Android的内存管理基本单位是Page（页），一般是4k 一个Page。内存的回收和分配都是以 Page为单位进行操作。Android内存分用户态和内核态两个部分，内核态的内存是用户严格不能访问。的。

内存杀手（low memory killer,LMK）：

当手机内存不够用时，就会出现LMK，按照优先级，杀掉手机内的各种应用和服务，直到内存够使用为止。其优先级如下：

0、Native：系统内核

1、System：系统服务

2、Persistent：用户服务，比如电话、蓝牙、Wifi等。这一层被杀掉，系统重启。

3、Foreground：前台应用，当前正在使用的Activity。主要是前台应用不断使用内存，造成内存不够，这一层被杀掉，前台应用闪退。

4、Perceptible：辅助应用，音乐、搜索、键盘等；这一层被杀掉，音乐突然没了，键盘没响应。

5、Service：驻后台线程的服务，云同步、垃圾回收等；

6、Home键；这一层被杀掉，桌面重启，APP图标一个个重新出现，壁纸可能没了。

7、Previous：上一个使用的应用；这一层被杀掉，继续切换到上一个应用时，该应用会重启。

8、Cached：后台，之前使用过的各种应用。这一层被杀掉，会发现切换到后台的那个应用时，该应用重启了。

内存指标

RSS，resident set size：当前的APP所应用到的所有内存，包括自己的APP所使用的内存和调用的各种服务、共用库所产生的内存。

PSS，proportional set size：PSS会把公共库所使用的内存平摊到所有调用这个库的APP上，如果调用的某个公共库已经有了很大的内存分配，平摊下来就会导致自己的APP的PSS虚高。

USS，unique set size，指自己的APP使用的内存，实际工作中的优化指优化USS。

【Unity游戏运行时占用的内存】

游戏运行时使用的内存可以分为五类：一是程序代码内存（Code Memory)、二是本地内存（Native Memory)、三是托管内存（Managed Memory)、四是用户管理的内存、五是Lua管理的内存。

Unity的内存管理主要指二和三。注意，在Editor下和在Runtime下Unity的内存分配的时机、方式、大小不同的，有时查看内存使用情况需要连真机查看。

Code Memory

包括了所有的Unity引擎代码，使用的库，第三方插件代码、自己写的代码等。这些代码在打包后会被编译成特定的程序代码文件，这些文件在游戏运行前需要一次性加载到内存中，在退出游戏后再从内存中卸载。在整个游戏运行过程中，程序代码一直占用一定的内存，无法在运行时管理或优化，只能在打包前减少程序代码的大小。

Native Memory

Unity底层是用C++写的，除了一些Editor里面的Services可能会用到NodeJS这些网络的语言，Runtime里面用到的每一行Unity底层代码全是C++的，其分为三层：

最底层的Runtime，全是Native C++代码。
最上层用C#，其中Unity的Editor、一些Package也是C#写的，游戏开发的绝大多数逻辑都是C#写的
中间叫Binding，可以看见很多的.bindings.cs文件（基于C#的binding语言，一开始是Unity自定义的一种语言），这些文件的作用就是把C++和C#联系在一起，为C#层提供所有的API

我们平时使用Unity时看见的C# API，都是在Binding层中自定义的。这些文件底层运行的时候还是C++，只是进行了Wrapper（封装）。

早期用户代码是运行在C#上，是MonoRuntime。但是现在可以通过IL2CPP将其转成C++代码，所有现在几乎没有纯正的C#在运行了。

Unity的VM（虚拟机：Virtual Machine）依旧还是存在，主要用于跨平台，有了一层VM抽象后，跨平台的工作会容易很多，IL2CPP本身也是个VM。

Unity C++层重载了所有分配内存的操作符，分配内存的东西叫Allocator。重载后分配内存是需要传入一个额外的参数memory label（可以在Profiler-shaderlab-object-memory-detail-snapshot看到），Allocator 会根据memory label在不同类型池里分配内存。每个类型池里做单独的跟踪，可以根据memory label在runtime获取类型池的大小等信息。

Allocator 在 NewAsRoot 中生成，生成一个所谓的Memory island。它下面会有很多的子内存。例如一个Shader，当我们加载一个shader进内存的时候，首先会生成一个shader的Root，也就是Memory Island。Shader底下的数据，例如Subshader，Pass，Properties等，会作为该Root底下的成员，依次的分配。最后统计Runtime的内存时，统计这些Root即可，而不会统计成员，因为太多了没法统计。

和托管内存堆不同的是，当我们去delete或free一个内存的时候，会立刻返回给系统。

贴图、音效、Mesh、AssetBundle等资源的管理和加载都与Native Memory有关。

Managed Memory

这里的Managed Memory主要指Mono VM的内存池，其内存以Block的形式管理，当一个Block连续6次GC没有被访问到，这块内存会被返回给系统。条件苛刻，比较难触发。

Unity的GC机制是Boehm内存回收，是不分代的，非压缩式的。（C#的GC是分代、压缩的）

分代是指：大块内存、小内存、超小内存是分在不同内存区域来进行管理的。还有长久内存，当有一个内存很久没动的时候会移到长久内存区域中，从而省出内存给更频繁分配的内存。

压缩是指：当有内存被回收的时候，把已经用到的内存里的内容移动到空出来的内存上，已用到的内存紧密排列。非压缩就是空着不管，下次要用了下次要用了再填进去。

IL2CPP 的 GC 机制是 Unity 自己重新写的，是升级版的 Boehm

GC不分代、不压缩会造成Memory fragmentation 内存碎片化的问题。如下图所示，当进行内存分配时发现的第一块空闲内存不够时，那就要找一块更大的内存，如果找不到更大的内存，那就要像操作系统申请内存了。如果存在大量的小内存，会造成统计出的空闲内存总量足够多，但仍需要像系统申请内存的现象，也即某一刻游戏占用的内存突然增大，但统计发现有很多内存没用到。

为了防止内存碎片化（Memory Fragmentation），在做加载的时候，应先加载大内存的资源，再加载小内存的资源（因为Bohem没有内存压缩），这样可以保证最大限度地利用内存。

另外，也可能造成僵尸内存Zombie Memory，其不会被用到，但也不会被释放。

---下一代GC——Incremental GC（渐进式 GC）

进行GC必须暂停主线程，如果GC时间过长，会造成主线程卡顿。Incremental GC把暂停主线程的事分帧做了，这样主线程不会单次暂停过长时间。用Incremental GC和不用，主线程总体暂停时间（GC回收时间）基本差不多。

User Memory

用户自己管理的内存主要包括Native插件内存、Unsafe代码内存等，这些代码用的是非托管内存靠用户自己管理，要像C/C++一样记得分配和释放内存。

Native 插件大多用C++编写， Unity 无法分析已经编译过的 C++ 是如何去分配和使用内存的Unity无法统计其内部的内存使用情况。因此，Unity的Profile工具无法检测用户自己管理的内存。

Lua Memory

Lua有自己的内存管理方式，需要针对Lua做优化，这个要求比较高。

【Code Memory优化】

整个游戏的代码可以分为四类：引擎代码、库代码、插件代码、业务代码，优化的优先级为库代码>业务代码>插件代码>引擎代码

---库代码：默认引用的一些基础库（例如.Net）包含的东西过于全面，有些在游戏中用不到，可以剥离，Unity中有如何剥离代码的说明。

---业务代码：

对Debug相关的代码要剥离，可以用宏定义Release和Debug，做个工具类统一管理。

如果打包使用IL2CPP，那么在写业务代码时要注意避免模板泛型的滥用。模板泛型的滥用，会影响到代码文件大小以及打包速度。例如一个模板函数有四五个不同的泛型参数（float，int，double等），c++编译的时候我们用的所有的Class，所有的Template最终都会被展开成静态类型（因为是AOT编译，需要事先把所有可能的结果编译出来）。因此当模板函数有很多排列组合时，最后编译会得到所有的排列组合代码，导致文件很大，影响使用IL2CPP时的打包速度。

---插件代码：同库代码一样，插件的有些功能在游戏中用不到，相关代码可以剥离。但剥离的前提是得看懂插件源码知道要剥离哪一部分，要不然剥离多了，很容易打包失败。基本上没谁有耐心把插件源码看懂，性价比低。所以插件代码的优化在于避免引入各种乱七八糟的插件，随意引入各种插件，不仅会使Code Memory增大，还会使得包体增大。（这里认为插件包括：接入的SDK、unity原生插件等）

---引擎代码：这个基本改不了，不用考虑

【 Native Memory优化】

Scene

Scene是导致Native Memory增长的原因最常见原因，在场景中new GameObject会导致Native Memory快速增长。因为是c++引擎，所有的实体最终都会反映在c++上，而不会反映在托管堆上。当我们new GameObject的时候，实际上在Unity的底层会构建一个或多个object来存储这一个GameObject的信息(GameObject可能有很多Component)

Audio

---DSP Buffer，是指一个声音的缓冲，当一个声音要播放的时候，需要向CPU去发送指令。如果声音的数据量非常的小，会造成频繁的向CPU发指令，造成IO压力。在Unity的FMOD声音引擎里面，一般会有一个Buffer，当Buffer填充满了才会去向CPU发送一次播放声音的指令。如果DSP Buffer的值过打，填充满需要很多的声音数据，当我们声音数据不大的时候，就会产生延时。如果DSP Buffer过小，仍可能会频繁向CPU发指令，没起到作用。可以在Project Setting ->Audio中设置DSP Buffer的大小。

---Force To Mono：这个选项作用是强制单声道，很多音效师为了追求音质会设置成双声道，导致声音在包体和内存中，占用的空间加倍，但是95%以上的声音，两个声道是完全一样的数据。因此对声音不是很敏感的项目建议勾选此项，来降低内存的占用。

---Format：格式设置，不同平台对音频的格式支持不一样，这个纹理格式一个道理，具体在不同平台选择什么格式可以看Unity手册。

AssetBundle

---TypeTree：Unity前后有很多的版本，不同的版本中很多的类型可能会有数据结构的改变，为了做数据结构的兼容，会在对数据类型序列化的时候，生成一个叫TypeTree的东西，以记录当前这个版本用到了哪些变量，它们对应的数据类型是什么，当进行反序列化的时候，根据TypeTree去做反序列化。例如，如果上一个版本的类型在这个版本没有，那在当前版本的TypeTree里就没有它，所以上一个版本的类型不会被序列化。如果有新的类型，但是在当前版本不存在的话，那要用它的默认值来序列化。从而保证了在不同版本之间不会序列化出错。

在Build AssetBundle的时候，有开关可以关掉TypeTree。

BuildAssetBundleOptions.DisableWriteTypeTree

如果AssetBundle和APP都是从相同版本的Unity中Build出来的，就可以关闭TypeTree。这样，一可以减少内存，二AssetBundle包大小会减少，三build和运行时会变快，因为不会去序列化和反序列化TypeTree。所以，我们会经常要求版本一致。

---压缩方式（Lz4和Lzma）：现在Unity主推Lz4（也就是ChunkBased，BuildAssetBundleOptions. ChunkBasedCompression），Lz4非常快，大概是Lzma的十倍左右，但是平均压缩比例会比Lzma差30%左右，即包体可能会更大些。Lz4的算法开源。

Lzma基本可以不用了，因为Lzma解压和读取速度都会非常慢，并且占大量的内存，因为不是ChunkBased，而是Stream，也就是一次全解压出来。而ChunkBased可以一块一块解压，每次解压可以重用之前的内存，减少内存的峰值。

---大小和数量：AssetBundle分两部分，一部分是头（用于索引，这部分可以重用），一部分是实际的打包的数据部分。如果每个Asset都打成一个AssetBundle，那么可能头的部分比数据还大。官方建议一个AssetBundle的大小在1-2M，可以根据网络带宽加大。

Resource

Resource文件夹里的内容被打进包的时候会做一个红黑树（R-B Tree）用做索引，即检索资源到底在什么位置。所以Resource越大，红黑树越大，它不可卸载，并在刚刚加载游戏的时候就会被一直加在内存里，极大的拖慢游戏的启动时间，因为红黑树没有分析和加载完，游戏是不会启动的，并造成持续的内存压力。所以建议不要使用Resource，使用AssetBundle。

Texture

---Upload Buffer：在Unity 的 Quality 里设置如图，和声音的Buffer类似，填满后向GPU push 一次。

---Read/Write：没必要的话就关闭，正常情况，Texture读进内存解析完了放到Upload Buffer里之后，内存里那部分就会delete掉。除非开了Read/Write，那就不会delete了，会在显存和内存里各一份。手机内存显存通用的，所以内存里会有两份。

---Mip Maps：例如UI元素这类相对于相机Z轴的值不会有任何变化的纹理，关闭该选项

---Format：选择合适的Format，可减少占用的空间

---alpha：对于不透明纹理，关闭其alpha通道

---POT：纹理的大小尽量为2的幂次方（POT），因为有些压缩格式可能不支持非2的幂次方的

---压缩：[2018.1]Unity贴图压缩格式设置 - 知乎

---合并：打图集

Mesh

---Read/Write：同Texture，若开启，Unity会存储两份Mesh，导致运行时的内存用量变成两倍

---Compression：Mesh Compression是使用压缩算法，将Mesh数据进行压缩，结果是会减少占用硬盘的空间，但是在Runtime的时候会被解压为原始精度的数据，因此内存占用并不会减少

--Rig：如果没有使用动画可以，例如房子，石头这些

---Blendshapes：如果没有用到Blendshapes，也关闭

【Managed Memory优化】

参考：unity GC优化

【优化重点及方向】

Managed Memory>第三方库(主要是lua Memory)>Native Memory>User Memory>Code Mamory

【参考】

Unity 3D中的内存管理 | OneV's Den

[Unity 活动]-浅谈Unity内存管理_哔哩哔哩_bilibili

Unity的内存管理与性能优化 - 知乎