本文分享Unity中的資源管理-參考計數

在前面的文章中, 我們一起學習了物件池的基本原理和幾種實作, 今天和大家繼續聊聊另一個資源管理中比較重要的技術: 參考計數.

GC的基礎知識

GC(Garbage Collection)是一種用來自動管理記憶體的方案, 開發者不需要過多的操心資源的釋放問題, 很多語言(比如C#, Java)等, 都有自己的GC.

我們知道, 記憶體分配可以來自于堆疊和堆, 一般堆疊空間是跟隨函式的生命周期, 在函式使用期間申請, 在函式使用后釋放, 一般在函式內部申請的區域變數(非new關鍵字申請), 在函式執行完畢后就會被銷毀. 所謂函式堆疊就是指函式堆疊空間, 每個函式各自獨立.

而來自堆空間的申請的記憶體(一般是new關鍵字申請)的生命周期會超過函式, 甚至超過類, 是整個程式共享的. 這種記憶體理論上是無限的大(受程式記憶體影響), 要求開發者自己申請, 自己釋放(因為跨越了作用域).

在沒有GC的語言, 比如C/C++中, 開發者需要自己在合適的地方釋放記憶體, 不然就會造成記憶體泄漏(某塊記憶體不再使用, 但是無法釋放), 使用這些語言是需要十分小心的, 所以這些語言的門檻一般比擁有GC的語言高. 相信各位都曾經被指標, 參考等概念所折磨過吧.

在GC的語言中, 將堆記憶體進一步劃分為托管堆和非托管堆. 顧名思義, 托管堆就是由GC托管, 維護, 而非托管堆由開發者自己管理(比如檔案參考).

擁有GC后, 記憶體釋放的大旗由GC扛過去了, 大部分情況下, 開發者不再操心記憶體釋放的問題, 這極大的降低了開發門檻, 讓開發者更加專注于業務, 不必時時刻刻小心記憶體的問題.

當然, 有好處那就有壞處, 不然C/C++這些語言早就淘汰了.

有GC的語言, 最大的缺點還是在于GC本身.

首先, GC本身需要占用一定的記憶體, 消耗一定的性能, 無法像C的語言一樣, 充分發揮性能. 即擁有GC的語言天然就比不擁有GC的語言更大更復雜更慢(這里只是說普遍情況).

其次, GC的回收總不會十分及時, 雖然能夠進行手動干預, 但是也會缺失很大的靈活性和及時性.

最后, 習慣于GC的開發者總是對GC有很大的信任, 習慣于放飛自我, 從而很有可能無法正確的使用記憶體, 造成記憶體泄漏.

什么是參考計數

雖然大部分記憶體可以被托管, 我們無需操心, 但是對于非托管的記憶體, 比如游戲中用到的各種資源, texture, sound, prefab等, 我們還是需要自己來維護的.

最常用的方案就是參考計數.

簡單的說, 參考計數就是為物件的每一個參考都維持一個計數, 釋放參考只是將計數減一, 只有在計數為0時才執行真正的物件銷毀.

在游戲客戶端開發中, 占用大量記憶體的其實就是各種各樣的資源, 而資源是有限的, 并且申請, 初始化, 銷毀資源的代價一般比較昂貴, 所以參考計數更多的會用來管理這些記憶體, 在真正需要的時候才申請, 使用和銷毀.

參考計數的原理

和物件池一樣, 參考計數的原理非常簡單, 但是要用好卻并不容易, 簡單說就是誰申請誰釋放, 申請和釋放"成對"使用.

下面我們定義一個參考計數介面和類, 并附加一個簡單的測驗用例:

public interface IRefCounter {
    // 參考計數
    int refCount {get;}

    // 增持
    void Retain();

    // 減持
    void Release();

    // 為零時的操作
    void OnRefZero();
}

public class RefCounter : IRefCounter {
    public int refCount {get; private set;}

    // 加1
    public void Retain() {
        refCount++;
    }
    
    // 減1
    public void Release() {
        refCount--;

        if (refCount == 0) {
            OnRefZero();
        }
    }

    public virtual void OnRefZero() {
		Debug.Log("釋放資源")
    }
}

// 進出房間, 第一個進房間開門, 最后一個離開房間關門
public class Door : RefCounter {
    public void SwitchOn() {
        Retain();

        if (refCount > 1) return;
        Debug.Log("第一個進房間, 開門.");
    }

    public void SwitchOff() {
        Release();
    }

    public override void OnRefZero() {
        Debug.Log("最后一個離開房間, 關門.");
    }
}

public class Person {
    private Door m_Door;

    // 進房間相當于申請記憶體并持有(count++)
    public void EnterDoor(Door door) {
        m_Door = door;

        door.SwitchOn();
    }

    // 出房間相當于釋放記憶體并減持(count--)
    public void LeaveDoor() {
        Assert.IsNotNull(m_Door, "需要先進房間!");

        m_Door.SwitchOff();
        m_Door = null;
    }
}

public class RefCounterTest : MonoBehaviour {
    public Button btnOpen;
    public Button btnClose;

    private List<Person> m_AllPerson = new List<Person>();

    private void Awake() {
        var door = new Door();
        
        // 每進一個人, 開一次門, 只有第一個才是真正的開門
        btnOpen.onClick.AddListener(() => {
            var person = new Person();
            person.EnterDoor(door);

            m_AllPerson.Add(person);
        });

        // 每退出一個人, 關一次門, 只有最后一個才真正關門
        btnClose.onClick.AddListener(() => {
            var person = m_AllPerson.FirstOrDefault();
            if (person == null)
                return;

            person.LeaveDoor();
            m_AllPerson.Remove(person);
        });
    }

    private void OnDestroy() {
        foreach(var person in m_AllPerson) {
            person.LeaveDoor();
        }

        m_AllPerson.Clear();
    }
}

代碼比較簡單, 就是每個人進門時做一個計數, 所有人出門后才關門.

自動回收

想象一下, 假設我們的門建設在游戲<<我的世界>>中, 在所有人離開后不僅要關門, 還要將門整個銷毀并回收材料, 只需要在上面的實作中, 關門的時候加上資源回收即可.

但是這里依然有一個問題, 就是如果門建立好以后, 一直沒有人進去怎么辦? 我們什么時候回收呢?

這里就可以使用所謂自動釋放池(Autorelease Pool), 在每個門創建之后, 為了最后都能回收, 先將其交給一個管理器, 在幀的末尾進行釋放, 如果在此之前有人進門, 則不會進行回收, 而是延遲到所有的人出門, 如果在幀的末尾之前還沒有人進門, 就直接釋放. 說起來比較麻煩, 實作起來超級簡單:

public class AutoReleasePool : Singleton<AutoReleasePool> {
    private List<IRefCounter> m_AutoReleaseCounter = new List<IRefCounter>();

    public void AddCounter(IRefCounter counter) {
        m_AutoReleaseCounter.Add(counter);
    }

    public void AutoRelease() {
        foreach(var counter in m_AutoReleaseCounter) {
            counter.Release();
        }
        
        m_AutoReleaseCounter.Clear();
    }
}

public interface IRefCounter {
    //.....

    // 自動釋放
    void AutoRelease();
}

public class RefCounter : IRefCounter {
    //.....
    
    // 自動釋放
    public void AutoRelease() {
        AutoReleasePool.instance.AddCounter(this);
    }
}

public class Door : RefCounter {
    //.....
    
    public override void OnRefZero() {
        Debug.Log("關門并銷毀, 回收資源.");
    }
}

public class RefCounterTest : MonoBehaviour {
    //.....
    
    private void Awake() {
        var door = new Door();
        door.AutoRelease();

        //.....
    }

    //.....
    private void LateUpdate() {
        AutoReleasePool.instance.AutoRelease();
    }
}

每一幀的末尾都進行減持, 如果沒有其它持有者, 就會觸發回收. 在幀末尾之前使用完畢, 也只會在自動釋放池中進行回收.

自動釋放池相當于一個保險, 避免申請了但是實際卻沒有使用的問題.

總結

參考計數的原理和實作很簡單, 但是有各種各樣的使用方法, 在不同的情況有不同的變體, 但是總是繞不過一個核心就是: 誰申請誰釋放, 申請和釋放成對使用. 只要牢牢抓住這個核心, 再復雜的實作也能輕易理解.

今天給大家介紹了參考計數的基本概念, 并提供了一個簡單的例子, 最后還添加了一個自動釋放池作為保險, 這足以應對大部分應用場景了.

目前的內容都是資源管理的前置條件, 在接下來的幾篇文章中, 我們將正式進入Unity中的資源管理內容, 結合Unity官方的方法和這些前置理論就可以構成一套完整的大型商業專案可以使用的資源管理方案. 希望感興趣的同學持續關注.

好了, 今天的內容就是這些, 希望對大家有所幫助.