《圖解 C# 教程 第 5 版》與效能優化（附 Unity 專案）

貓冬發表於2020-02-01
圖解C#優化Unity

這本書仍然是入門 C# 最好的一本書。

這本書新版出來的時候我十分關注，於是英子姐送了一本給我，本文也是答應英子姐所寫的一篇文章。她一開始還問我“你現在還需要看這本入門書嗎？”，我認為是的。工作了遇到了不少問題，大都跟自己基礎不牢有關係。

這本書以圖形為載體，生動地介紹了 C# 語言本身。其中圖形對我們瞭解 C# 語法在記憶體中的本質十分有幫助，非同步、異常等章節中的處理流程圖也很清晰明瞭，這也是我看重的一點。

在記憶體中的形態

為什麼要了解 C# 在記憶體中的形態呢？

書中第四章介紹記憶體區域的棧中，有一句話說的很好：

作為程式設計師，你不需要顯式地對它做任何事情。但瞭解棧的基本功能可以更好地瞭解程式在執行時在做什麼，並能更好地瞭解 C# 文件和著作。

遊戲開發中，除了業務邏輯，我們還會更關注遊戲的效能本身。我們需要保證遊戲能流暢執行在大部分機型上，保證每一幀能流暢地播放，例如 CPU 需要處理渲染程式碼、物理模擬、動畫回撥等等，其中我們的程式碼也有可能引起效能問題。我們需要更瞭解執行程式碼的代價，例如：

  • 這些程式碼產生了多少 GC
  • GC 只會產生一次還是每幀都會產生
  • 在極端情況下程式碼的效能如何
  • 是否使用了正確的資料結構
  • Unity API 或者一些庫 API 的背後到底做了什麼
  • ...

這本書相對上一版多了 .Net Core, C# 7.0 語法的講解，對於我而言，重溫的是第 4、7、11、13、15、17、19 和 27 章節，這些內容是我工作中經常要接觸、著手優化的地方。書中對於非同步程式設計也介紹地很好，但對於我來說，反射、非同步程式設計、新增語法等到以後有需要再看也不遲。

指令碼的效能優化，無非是用更合適的程式碼去實現需求，不必要的記憶體都給我吐出來！（注：作者在生活中並沒有這麼吝嗇）

下面會列舉一些程式碼寫法的效能對比。

結構和類

這其實也是用棧還是用堆的考量。

垃圾回收

Unity 用的是 mono 虛擬機器，其堆的記憶體是通過垃圾回收演算法 Boehm GC 來管理的，其不分代（Non-generational）和非壓縮式（Non-compacting）的特性，導致了我們平常要注意避免載入過多的小記憶體，從而記憶體碎片化（Memory fragmentation）。

  • 分代：大塊記憶體、小記憶體、超小記憶體分在不同記憶體區域來進行管理。此外還有長久記憶體，當有一個記憶體很久沒動的時候會移到長久記憶體區域中，從而省出記憶體給更頻繁分配的記憶體。

  • 壓縮式：當有記憶體被回收的時候，壓縮記憶體會把下圖空的地方重新排布。 壓縮式

  • 記憶體碎片化：記憶體過多小記憶體，導致大記憶體不能有效地被使用。 記憶體碎片化

具體可以參考 Unity 文件 Understanding the managed heap

同時也推薦高川老師的演講：淺談 Unity 記憶體管理，和我看視訊時的筆記：筆記。

用結構還是類

這裡推一篇微軟官方文件：Choosing Between Class and Struct

引用型別被分配在堆上並被垃圾回收演算法管理，值型別則分配在棧上，棧會按需 unwind 來釋放他們。因此，值型別的釋放比引用型別的釋放開銷要小。

書中 11.9 小節還提到：

對結構進行分配的開銷比建立類例項小，所以使用結構代替類有時可以提高效能，但要注意裝箱和拆箱的高昂代價。

值型別陣列的分配和釋放比引用型別陣列的分配和釋放開銷也更小。

除了最基本的修改值型別和引用型別的區別外，要注意的是傳遞引數或者返回返回值的時候，值型別都會隱性地被建立，這可能也會產生沒想到的記憶體開銷。

從 .Net 記憶體分配成本的角度來說，類的物件儲存的記憶體首先需要分配 4 個位元組作為物件頭位元組（object header word），跟著再分配 4 個位元組作為方法表指標（method table pointer），這些欄位是服務於 JIT 和 CIL 的，是隱藏的分配成本。

保留在堆中所需的記憶體還會根據作業系統位數來決定：

  • 32 位系統中，堆上的物件會對齊到最近 4 位元組的倍數，因此如果一個物件只有一個 byte 成員，也需要對齊佔 4 個位元組，因此這個物件總共佔堆上 12 個位元組。
  • 64 位系統中，堆上的物件會對齊到最近 8 位元組的倍數，方法表指標和物件頭位元組也會分別佔 8 位元組的記憶體。

（注：平常開發我們不需要這麼摳門，上面只是一個小知識點。）

大多時候我們都會用型別來實現設計模式、框架的設計，那什麼時候使用結構體呢？我們可以遵循微軟爸爸的建議：

  • 邏輯上表示單個值
  • 大小小於 16 個位元組
  • 不會改變值
  • 不需要經常裝箱拆箱

對於一些特定的場景下，我們也可以享受值型別陣列在記憶體中線性排布的福利，例如記憶體連續、SIMD 等。Unity 的 DOTS 技術棧就是一個很好的例子。

推薦閱讀：

  • 在C#中使用Struct代替Class
  • 作者用 DOTS（結構體、Job System、Burst）實現 A 星尋路實現效能飛躍：y2b 搜 “Pathfinding in Unity DOTS!”

裝箱

第 17 章介紹了轉換，其中提到了裝箱拆箱。那麼裝箱的代價有多大呢？我們可以做個測試：

public const int Iterations = 100_000;

// 其他地方初始化了 Iterations 大小的隨機陣列
private int[] numberArr = null; 

protected override bool MeasureTestA()
{
    // 設定大小以避免自動擴容帶來的效能消耗
    Stack stack = new Stack(Iterations); 
    for (int i = 0; i < Iterations; i++)
    {
        stack.Push(numberArr[i]); // int -> object 裝箱
    }

    return true;
}

protected override bool MeasureTestB()
{
    Stack<int> genericStack = new Stack<int>(Iterations);
    for (int i = 0; i < Iterations; i++)
    {
        genericStack.Push(numberArr[i]);
    }

    return true;
}

Unity Profiler

檢視 Profiler 可以看到，呼叫十次 TestA 產生了 26.7MB GC，用了 267.22 毫秒；呼叫十次 TestB 只產生了 3.8MB GC，用了 20.92 毫秒。因此大量的裝箱拆箱會導致不必要的效能消耗，而有些消耗則是完全可以避免的。

我的 Rider 外掛 Heap Allocations Viewer 也會提示我 TestA 中存在裝箱的情況。

Rider 外掛

最後

寫到這裡，發現還很多東西沒講完就已經這麼多篇幅了...

大家對於平常程式碼的不同寫法也可以測試下效能，例如：

  • foreach 和 for
  • 裝箱和拆箱
  • 一維陣列、多維陣列（矩形陣列）和交錯陣列（Jagged Arrays）
    • 這裡還是強調下儘量使用一維陣列，實在需要用多維陣列的話，可以改用交錯陣列
  • 通過 for 迴圈複製陣列和 Array.CopyTo 方法
  • 字串拼接，string 和 Stringbuilder
  • 反射和 DynamicMethod
  • ...

上面裝箱的截圖中的測試專案我也上傳了 Github：Latias94/UnityCsharpPerformanceTest，不用 Unity 的同學也可以參考下實際的測試程式碼：UnityCsharpPerformanceTest/Assets/Scripts，自己寫個命令列專案來跑下對比。

當然我們開發中還是要以需求的變化為主，不能過早優化從而破壞程式碼的擴充套件性。

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