Unity3d中对象池(ObjectPool)的实现

发表于2016-10-14
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概述
什么是对象池?
  池(Pool),与集合在某种意义上有些相似。 水池,是一定数量的水的集合;内存池,是一定数量的已经分配好的内存的集合;线程池,是一定数量的已经创建好的线程的集合。那么,对象池,顾名思义就是一定数量的已经创建好的对象(Object)的集合[1]。
  在C/C++的程序中,如果一种对象,你要经常用malloc/free(或new/delete)来创建、销毁,这样子一方面开销会比较大,另一方面会产生很多内存碎片,程序跑的时间一长,性能就会下降。这个时候,就产生了对象池。可以事先创建好一批对象,放在一个集合中,以后每当程序需要新的对象时候,都从对象池里获取,程序用完该对象后,再把该对象归还给对象池。这样,就会少了很多的malloc/free(new/delete)的调用,在一定程度上提高了系统的性能,尤其在动态内存分配比较频繁的程序中效果较为明显。

Unity3d中的对象池
  在使用unity3d做游戏时,经常有同一个Prefab用到多次,需要反复实例化(Instantiate)。但实例化是很消耗资源的,所以在游戏加载时把一批Prefab实例化好放在对象池中,游戏中用的时候拿出来,不用的时候放回去,避免反复申请和销毁。
  存入对象池的元素应具有如下特征:1>场景中大量使用 2>存在一定的生命周期,会较为频繁的申请和释放。

关于多线程的考虑
  因为Unity的API只能被主线程调用,我理解Unity提供的用户空间是单线程的(脚本中写While(true)挂在GameObject上,点运行整个Unity会卡死)。所以我们不需要将池实现支持多线程。在支持多线程的应用中,单例的初始化通常要加一个锁,在这里也没有必要。

希望实现具有以下特征的对象池
1、新增对象种类时操作简单,能够灵活控制每个对象池中生成的对象数量。
2、接口简单,易于申请和回收。
3、模块结构清晰,耦合度低。
4、申请和回收时,可以根据具体的对象类型做个性化操作。

实现
1、模块设计


  *UML规则参考自 UML 基础: 类图
  模块中主要使用以下类
  ObjectPoolMgr是对象池管理类。它对外提供接口,对内管理对象池实例。外部进行申请和释放操作都是通过调用ObjectPoolMgr中的接口进行的。
  ObjectPool是对象池基类,它是抽象类,包含了通用的成员和方法。作为一个基类,它提可被子类继承的方法是virtual的,便于实现多态。
  CubePool, SpharePool是具体的对象池实现类,继承自ObjectPool,可以override基类的alloc和recycle等方法实现个性化的操作。
  PrefabInfo挂在对象池中的每一个对象上,用来记录对象类型等信息。

2、数据管理方式


  数据管理方式如图,单例ObjectPoolMgr中使用字典管理着多种对象池实例,每种对象池实例中使用队列管理一定数量的同类型对象。

3、主要接口和调用流程
  对象池管理类ObjectPoolMgr类中提供对外接口,主要是alloc和recycle,声明如下
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//回收接口。参数是待回收GameObject
public static void recycle(GameObject recycleObj);

  游戏在使用申请到的GameObject时可能会在其中添加子物体,回收前会判断一下recycleObj中是否嵌套有其它属于对象池的Prefab,如果存在就分别进行回收。
  另外如果对象池中待分配对象数量超过了用户设置的个数,直接销毁recycleObj而不再放回对象池。

4、对象池的创建时机
  过早创建对象池,池中的对象会占用大量内存。若等到游戏使用对象时再创建对象池,可能因为大量实例化造成掉帧。所以,我认为在Loading界面创建下一个场景需使用的对象池是较为合理的。比如天天飞车中的NPC车,金币,赛道,在进入单局比赛后才用到。可以在进入比赛的Loading界面预先创建金币,NPC车,赛道的对象池,比赛中直接申请使用。

5、具体实现
1>ObjectPoolMgr
ObjectPoolMgr是对象池的管理类,提供接口,
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public static GameObject alloc(string type, float lifetime = 0);
public static void recycle(GameObject recycleObj);


参数lifeTime是存活时间,以秒为单位,定义如下
lifeTime > 0 lifeTime秒后自动回收对象。
lifeTime = 0 不自动回收对象,需游戏主动调用recycle回收。
lifeTime < 0 创建Pool实例并实例化Pool中的对象,但不返回对象,返回值null。
当lifeTime>0时,分配出去的GameObject上挂的PrefabInfo脚本会执行倒计时协程,计时器为0时调用recycle方法回收自己。它的适用对象如射击游戏中的子弹,申请时设定了lifeTime后不必关心回收的问题,当然游戏可以计时器在到时前主动发起回收。
lifeTime < 0的目的预创建对象池,在游戏场景Loading时可以用这个方法先把对象池创建起来,避免游戏中创建对象池造成掉帧。

ObjectPoolMgr用成员poolDic维护已分配的对象池实例

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private Dictionary<string, ObjectPool> poolDic = new Dictionary<string, ObjectPool>();


使用objectPoolList记录面板上的用户设置



  ObjectPoolMgr初始化时会在Unity的层次(Hierarchy)面板中创建GameObject并添加自身脚本。开发者可以在Inspector面板中直接创建新的对象池,如下图。Pre Alloc Size是对象池创建时预申请的对象数量。Auto Increase Size是池中的对象被申请完后进行一定数量的自增。prefab对象池关联的预制类型



比如,当游戏需要申请Cube对象时,会调用GameObject cube = ObjectPoolMGR.alloc("Cube");方法。ObjectPoolMGR.alloc代码如下
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public static GameObject alloc(string type, float lifetime = 0){
    //根据传入type取出或创建对应类型对象池
   ObjectPool subPool = Instance._getpool(type);
   //从对象池中取一个对象返回
   GameObject returnObj = subPool.alloc(lifetime);
   return returnObj;
}

  ObjectPoolMgr会根据传入的类型type,调用_getpool(type)找到对应的Pool,再从其中取一个对象返回。
  代码中_getpool(string type)是ObjectPoolMgr中的私有方法。前面说过,ObjectPoolMgr有一个成员poolDic用来记录已创建的对象池实例,_getpool方法先去poolDic中查找,找到直接返回。如果找不到说明还未创建,使用反射创建对象池,记录入poolDic,代码如下




 使用_getpool获得了对象池实例后,会调用对象池的alloc方法分配一个对象。
2>对象池基类ObjectPool
其中记录了对象池的通用方法和成员,如下
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protected Queue queue = new Queue();//用来保存池中对象
[SerializeField]
protected int _freeObjCount = 0;//池中待分配对象数量
public int preAllocCount;//初始化时预分配对象数量
public int autoIncreaseCount;//池中可增加对象数量
protected bool _binit = false;//是否初始化
[HideInInspector]
public GameObject prefab;//prefab引用
[HideInInspector]
public string objTypeString;//池中对象描述字符串


ObjectPool中的方法

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public virtual GameObject alloc(float lifetime){
    //如果没有进行过初始化,先初始化创建池中的对象
    if(!_binit){
        _init();
        _binit = true;
    }
    if(lifetime<0){
        Debug.LogWarning("lifetime <= 0, return null");
        return null;//lifetime<0时,创建对象池并返回null
    }
    GameObject returnObj;
    if(_freeObjCount > 0){//池中有待分配对象
        returnObj = queue.Dequeue();//分配
        _freeObjCount--;
    }else{//池中没有对象了,实例化一个
        returnObj = Instantiate(prefab , new Vector3(0,0,0), Quaternion.identity) as GameObject;
        returnObj.SetActive(false);//防止挂在returnObj上的脚本自动开始执行
        returnObj.transform.parent = this.transform;
    }
    //使用PrefabInfo脚本保存returnObj的一些信息
    PrefabInfo info = returnObj.GetComponent《PrefabInfo ();
    if(info == null){
        info =  returnObj.AddComponentPrefabInfo ();
    }
    if(lifetime > 0){
        info.lifetime = lifetime;
    }
    info.types = objTypeString;
    returnObj.SetActive(true);
    return returnObj;
}
 
public virtual void recycle(GameObject obj){
    //待分配对象已经在对象池中
    if(queue.Contains(obj)){
        Debug.LogWarning("the obj " + obj.name + " be recycle twice!" );
        return;
    }
    if( _freeObjCount > preAllocCount + autoIncreaseCount ){
        Destroy(obj);//当前池中object数量已满,直接销毁
    }else{
        queue.Enqueue(obj);//入队,并进行reset
        obj.transform.parent = this.transform;
        obj.SetActive(false);
        _freeObjCount++;
    }
}

  这里要注意的是,基类alloc和recycle方法要使用虚函数,子类override实现多态。

3>对象池子类CubePool
  子类override父类的alloc和recycle,进行个性化的申请和回收工作。

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public class CubePool : ObjectPool {
    public override GameObject alloc(float lifetime){
        GameObject cubeObject= base.alloc(lifetime);
        //在这里进行CubePool个性化的的初始化工作
        return cubeObject;
    }
}

当然也可以直接复用基类的alloc方法,甚至不写CubePool类。当ObjectPoolMgr申请一个Cube但找不到CubePool类时,会使用通用方法进行分配和回收。

4>PrefabInfo
  PrefabInfo是挂在prefab实例上,用来记录prefab类型和lifetime等数据。

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public class PrefabInfo : MonoBehaviour {
    public string types;
    [HideInInspector]
    public float lifetime = 0;
    void OnEnable(){
        if(lifetime > 0){
            StartCoroutine(countTime(lifetime));
        }
    }
    IEnumerator countTime(float lifetime){
        yield return new WaitForSeconds(lifetime);
        ObjectPoolMGR.recycle(gameObject);
    }
}

新增Pool方法

  为一个新Perfab创建对象池需要以下两步,
1、在unity面板中把prefab挂上,并设置prefab的实例化数量和可增加数量
2、(可选)实现一个对应的Pool脚本。如果不实现,这个对象池会使用通用的申请和回收方法。

调用申请和释放方法

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//申请
GameObject obj1 = ObjectPoolMGR.alloc("Cube",5);
GameObject obj2 = ObjectPoolMGR.alloc("Sphare");
 
//回收
ObjectPoolMGR.recycle(obj2);

总结
存在的问题
  对于从对象池中申请的GameObject,目前在游戏使用中不能改变其层次结构,不能添加新的Component,也不能在其中新增非对象池分配的GameObject。因为这些改变在回收时无法被发现,再次复用时可能出现意想不到的结果。
  介于这种情况,我的使用方法是如果使用过程中改变了对象结构,用完后就Destroy,不再recycle。如果改变是可预期的,也可以重写子类recycle进行处理。

待扩展
  当游戏收到内存告警时,应该可以释放对象池,增加可用内存。释放的策略可以有多种:
1、释放ObjectPoolMgr中所有的对象池(能释放大量内存,但Destroy会造成CPU消耗,下次申请时还要重新创建对象池)
2、压缩对象池中的对象数量(用户在使用对象池时设置了池中GameObject的基本数量和可增加数量,可以把增加的释放掉)
3、释放一些不常用的对象池和其中的对象(不常用的定义可以有很多,比如被申请的次数最少,最久未被使用等)
4、释放指定一种或几种对象池
  等等
  同样的,游戏申请GameObject而对象池中可申请数量为空,就需要扩展对象池。扩展对象池的策略可以有:
1>实例化两个GameObject,一个返回给游戏,一个放入池中以备下次申请
2>按照用户设置的AutoIncreaseCount,每次池为空时实例化相应数量的对象
  空间申请和释放策略可以有多种,可以组合使用,但没有万全之策,可以根据游戏的特点去实现。
实现时踩的一个小坑
  对象池基类ObjectPool的Start()和Update()方法最好不要使用,因为创建的子类会自动生成这两个方法,一不小心就覆盖了。

对比测试
  我把对象池用于自己制作的小游戏SpaceBattle,做了一个简单测试。场景中有很多敌人,陨石,子弹(如图),我把这三种prefab放入对象池。


不使用对象池:
  
场景中有1843个GameObject,cpu使用呈震荡上涨趋势。因为不断有销毁和实例化,GameObject数量抖动上涨,Total GCAlloc抖动剧烈,有较频繁的内存回收。帧数降到了30左右。

使用对象池:


  场景中有2291个GameObject,较上一个场景稍复杂一些。cpu抖动较上面平缓,基本保持在60帧到30帧之间,播放特效时帧数降低(特效未使用对象池)。最后能保持在60帧左右。随着Total GameObject数量缓步上涨,Total GCAlloc曲线平滑,说明内存操作不频繁,可以达到节省系统资源的效果。
  可以看出,对象池对降低系统资源消耗是有作用的。在不使用对象池的测试中也遇到了一些极端情况:游戏频繁实例化和销毁对象时cpu剧烈抖动,这种情况应该尽力避免。


      另外也要合理设置对象池中的预分配对象数量。过多会占用大量内存,过少效果不好。
注:代码和文章都是年初写的,最近才整理发出来。时间久了可能会有记忆模糊或的地方,如果有疏漏或是错误还望大家不吝指出,谢谢

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