游戏引擎Unity中的单线程与多线程
发表于2016-12-21
因为工作的原因，第一次接触到Unity3D游戏引擎，开拓了眼界，学到不少新知识。
今天与大家聊一聊我觉得在Unity3D中最基础也是最重要的概念：Unity3D的单线程与多线程。
最近项目中，有一个网络操作的小需求，我按照其他移动端的研发经验，使用Unity的网络库UnityEngine.WWW或者UnityEngine.Networking，然后new Thread放入子线程运行网络，结果非常尴尬的遇到了can only be called from themain thread.的异常，百思不得其解。
为什么不能在子线程中操作UnityEngineSDK？
我带着这个疑问，开始了探索。发现如下规律：
1. UnityEngine的API与对象都不能在子线程中运行
2. UnityEngine定义的基本结构(int,float,Struct定义的数据类型)可以在子线程中运行。例如Vector3(Struct)可以，但Texture2d对象则不可以，因为其根父类为UnityEngine.Object)。
概括起来，Unity3D中的子线程无法运行Unity SDK API。
其实，当Unity对其SDK做了这个限制之后，我们可以非常肯定的说Unity是单线程的游戏引擎。
为什么要做这个限制？因为游戏中逻辑更新和画面更新的时间点要求有确定性，必须按照帧序列严格保持同步，否则就会出现游戏中的对象不同步的现象。多线程也能保证这个效果，但如果引入多线程，会加大同步处理的难度与游戏的不稳定性。脑补一下这张图中的场景，如果卡顿了是什么感受:-)
明白了Unity3D是单线程设计之后，我继续带着疑问探索。
Unity3D的线程运行机制是怎样的呢？
最近写了一点游戏脚本，一般都要求继承MonoBehavior对象，会在OnStart()中做地图初始化，在OnUpdate()中进行帧刷新，然后MonoBehavior脚本可以作为一个Component挂载到某个GameObject中。
这一点点入门级的理解大致能在游戏中把地图引擎跑起来，但是并没有深入的去理解这些框架函数的执行原理。
先上一张Unity3D运行机制的图：
初看起来可能不太理解，但是随着项目深入，相信会逐步理解其中的含义。
第一次学**Unity3D，我认为可以简单一点理解：这是一个单线程的帧循环，每一次绘制都会重新走一遍生命周期。
展开来说，主要包含以下部分：
1. 初始化。对于常用的OnStart()框架方法只会被调用一次。
2. 物理。比如游戏中的碰撞处理。
3. 事件输入。例如手势
4. Update(), 协程(Coroutine)，LastUpdate()
5. 渲染Rendering。包含常用的OnPreRender(),onPostRender()
6. 销毁。
详细的理解可以查看官方文档：http://docs.unity3d.com/Manual/ExecutionOrder.html （点击『阅读原文』）
掌握这张图的精髓或许是理解Unity3D的关键，需要时间沉淀。目前我所掌握的有：
OnPreRender:在相机开始渲染场景之前调用此函数。
OnPostRender: 在相机完成场景渲染后调用此函数。
Update: 在每帧上调用一次 Update() 函数。
Unity3D中协程(Coroutine)究竟是什么？
介绍完了Unity3D的生命周期，来说说协程(Coroutine)。
协程是什么呢？总体来说，对与Unity，它是单线程的设计，它更倾向使用time slicing（时间分片）的协程（coroutine）去完成异步任务，融合到了刚刚提到的生命周期中。
要理解协程，先回顾下线程：线程是操作系统级别的概念，现代操作系统都实现并且支持线程，线程的调度对应用开发者是透明的，开发者无法预期某线程在何时被调度执行。基于此，一般那种随机出现的BUG，多与线程调度相关。
而协程Coroutine是编译器级的，本质还是一个线程时间分片去执行代码段。它通过**相关的代码使得代码段能够实现分段式的执行，显式调用yield函数后才被挂起，重新开始的地方是yield关键字指定的，一次一定会跑到一个yield对应的地方。因为协程本质上还是在主线程里执行的，需要内部有一个类似栈的数据结构，当该coroutine被挂起时要保存该coroutine的数据现场以便恢复执行。
在Unity3D中，协程是可自行停止运行 (yield)，直到给定的 YieldInstruction 结束再继续运行的函数。 协程 (Coroutines) 的不同用途：
• yield; 在下一帧上调用所有 Update 函数后，协同程序将继续运行。
• yield WaitForSeconds(2); 在指定的时间延迟之后，为此帧调用所有 Update 函数之后继续运行
• yield WaitForFixedUpdate(); 在所有脚本上调用所有 FixedUpdate 后继续运行
• yield WWW 完成 WWW 下载后继续运行。
• yield StartCoroutine(MyFunc); 连接协同程序，并等待 MyFunc coroutine 首先结束。
也就是说，将代码段分散在不同的帧中，每次执行一段，下一帧再执行yield挂起的地方。
举个例子： 在OnStart()框架函数中调用startCoroutine(GetHttpData)执行以下代码端，其实是第一次发起网络请求，下一次执行时则走入yield之后的代码段继续执行，从而实现了一个时间分片的”异步”效果，而不是像线程那样在操作系统层面分CPU时间片去执行。
IEnumerator GetHttpData(string str) {
UnityWebRequest www = UnityWebRequest.Get(str);
yield return www.Send();
if(www.isError){
Debug.Log(www.error);
}
else {
//Show results as text
Debug.Log("Downloaded " + str);
//Or retrieve results as binary data
byte[] results =www.downloadHandler.data;
}
}
Unity中无法使用子线程了吗？
先回顾下前面提到的内容：
1、Unity是单线程设计的游戏引擎，子线程中无法运行UnitySDK
2、Unity主循环是单线程，游戏脚本MonoBehavior有着严格的生命周期
3、倾向使用time slicing（时间分片）的协程（coroutine）去完成异步任务
这三点是Unity3D最为基础也是最为重要的概念，熟练掌握才算入门了Unity3D开发。
但这些并不意味着无法在Unity中使用多线程，只是需要注意使用的场景。
试想一下，如果在帧序列的主循环单线程中处理大量耗时操作，势必会带来游戏画面的卡顿，帧率的下降。
因此，对于不是画面更新，也不是常规的逻辑更新（指包括AI、物理碰撞、角色控制这些），而是一些其他后台任务，则可以将这个独立出来开辟一个子线程。
所以，在不使用Unity SDK的前提下，确保做好主子线程的同步（采用C#中的delegate等机制），那么是可以合理使用子线程的。
概括起来，结合过往移动端的研发经验，我认为有以下几点可以在子线程中处理：
大量耗时的数据计算
网络请求
复杂密集的I/O操作
Unity3D的NativePlugin中可以新建子线程。通过NativePlugin可以接入移动端iOS与Android中的成熟库，可以是Objective C, Java, C++三种语言交叉混合的方式组成NativePlugin，然后使用Android或者iOS的SDK开辟子线程。
（这也是Unity3D中比较关键的技术，后续有空单独开篇谈谈我的理解。）
关于这个话题，先聊到这里，或许遇到新问题又会有更为深入的发现。