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Unity3D性能優(yōu)化——工具篇

2018-09-08 18:56 作者:皮皮關(guān)做游戲 0人讀過(guò) | 我要投稿

作者：朔宇

本篇難度：★★★☆☆

性能優(yōu)化是游戲項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中一個(gè)重要且必須的元素。用戶和項(xiàng)目的需求在并且會(huì)持續(xù)增長(zhǎng)。而即便在硬件設(shè)備高速發(fā)展的今天，游戲特效、畫(huà)質(zhì)、場(chǎng)景復(fù)雜度的需求也都向著榨干硬件性能的趨勢(shì)提升，無(wú)論研發(fā)團(tuán)隊(duì)有多么豐富的經(jīng)驗(yàn)積累，性能優(yōu)化永遠(yuǎn)是一個(gè)非常棘手而又無(wú)法繞開(kāi)的問(wèn)題。

實(shí)際上，通過(guò)百度、谷歌、知乎可以搜到大把關(guān)于Unity性能優(yōu)化的文章，但大多只是簡(jiǎn)單的論述、介紹、翻譯和轉(zhuǎn)載，或針對(duì)某中特定問(wèn)題優(yōu)化方式的教程。因此，我們?cè)谶@里推出Unity3D性能優(yōu)化系列文章，旨在給讀者提供一個(gè)全面、易懂、可操作的unity優(yōu)化教程，以便初學(xué)者學(xué)習(xí)使用。

在這里，我們的第一篇文章，主要作為一個(gè)引導(dǎo)，通過(guò)講解對(duì)unity優(yōu)化工具的了解及使用，給讀者提供在實(shí)際項(xiàng)目中，進(jìn)行游戲性能優(yōu)化的流程和思路。

對(duì)于Unity性能優(yōu)化，官方有非常好的教程。（參見(jiàn)官方教程：https://unity3d.com/cn/learn/tutorials/topics/performance-optimization）。

如果英文水平一般，可以參考官方教程翻譯：http://www.cnblogs.com/alan777/p/6204759.html。
同時(shí)你也可以去看看騰訊是如何做Unity手游性能優(yōu)化的：http://wetest.qq.com/lab/view/108.html?from=content_zhihu。
以及通過(guò)第三方優(yōu)化平臺(tái)的游戲性能分析報(bào)告來(lái)了解游戲開(kāi)發(fā)中性能優(yōu)化的主要方式及方向。

游戲性能簡(jiǎn)述

提起游戲性能，首先要提到的就是，不僅開(kāi)發(fā)人員，所有游戲玩家都應(yīng)該會(huì)接觸到的一個(gè)名詞：幀率（Frame rate）。

幀率是衡量游戲性能的基本指標(biāo)。在游戲中，“一幀”便是是繪制到屏幕上的一個(gè)靜止畫(huà)面。繪制一幀到屏幕上也叫做渲染一幀。每秒的幀數(shù)(fps)或者說(shuō)幀率表示GPU處理時(shí)每秒鐘能夠更新的次數(shù)。高的幀率可以得到更流暢、更逼真的動(dòng)畫(huà)。

現(xiàn)階段大多數(shù)游戲的理想幀率是60FPS，其帶來(lái)的交互感和真實(shí)感會(huì)更加強(qiáng)烈。通常來(lái)說(shuō)，幀率在30FPS以上都是可以接受的，特別是對(duì)于不需要快速反應(yīng)互動(dòng)的游戲，例如休閑、解密、冒險(xiǎn)類游戲等。有些項(xiàng)目有特殊的需求，比如VR游戲，至少需要90FPS。當(dāng)幀率降低到30FPS以下時(shí)，玩家通常會(huì)有不好的體驗(yàn)。

而現(xiàn)階段隨著支持144HZ刷新率的硬件設(shè)備的涌現(xiàn)，能否維持對(duì)應(yīng)高幀率又是一項(xiàng)新的指標(biāo)，尤其是在電競(jìng)領(lǐng)域

但在游戲中重要的不僅僅幀率的速度，幀率同時(shí)也必須非常穩(wěn)定。玩家通常對(duì)幀率的變化比較敏感，不穩(wěn)定的幀率通常會(huì)比低一些但是很穩(wěn)定的幀率表現(xiàn)更差。

雖然幀率是一個(gè)我們談?wù)撚螒蛐阅艿幕緲?biāo)準(zhǔn)，但是當(dāng)我們提升游戲性能時(shí)，更因該想到的是渲染一幀需要多少毫秒。幀率的相對(duì)改變?cè)诓煌秶鷷?huì)有不同的變化。比如，從60到50FPS呈現(xiàn)出的是額外3.3毫秒的運(yùn)行時(shí)間，但是從30到20FPS呈現(xiàn)出的是額外的16.6毫秒的運(yùn)行時(shí)間。在這里，同樣降低了10FPS，但是渲染一幀上時(shí)間的差別是很顯著的。

我們還需要了解渲染一幀需要多少毫秒才能滿足當(dāng)前幀率。通過(guò)公式 1000/（想要達(dá)到的幀率）。通過(guò)這個(gè)公式可以得到，30FPS必須在33.3毫秒之內(nèi)渲染完一幀，60FPS必須在16.6毫秒內(nèi)渲染完一幀。

渲染一幀，Unity需要執(zhí)行很多任務(wù)。比如，Unity需要更新游戲的狀態(tài)。有一些任務(wù)在每一幀都需要執(zhí)行，包括執(zhí)行腳本，運(yùn)行光照計(jì)算等。除此之外，有許多操作是在一幀執(zhí)行多次的，例如物理運(yùn)算。當(dāng)所有這些任務(wù)都執(zhí)行的足夠快時(shí)，我們的游戲才會(huì)有穩(wěn)定且理想的幀率。當(dāng)這些任務(wù)執(zhí)行不滿足需求時(shí)，渲染一幀將花費(fèi)更多的時(shí)間，并且?guī)蕰?huì)因此下降。

知道哪些任務(wù)花費(fèi)了過(guò)多的時(shí)間，是游戲性能問(wèn)題的關(guān)鍵。一旦我們知道了哪些任務(wù)降低了幀率，便可以嘗試優(yōu)化游戲的這一部分。這就是為什么性能分析工具是游戲優(yōu)化的重點(diǎn)之一。

Unity3d性能分析工具

工欲善其事必先利其器，這里我們來(lái)講解Unity3D優(yōu)化所需的工具

如果游戲存在性能問(wèn)題，游戲運(yùn)行就會(huì)出現(xiàn)緩慢、卡頓、掉幀甚至直接閃退等現(xiàn)象。在我們嘗試解決問(wèn)題前，需要先知道其問(wèn)題的起因，而嘗試不同的解決方案。若僅靠猜測(cè)或者依據(jù)自身原有的經(jīng)驗(yàn)去解決問(wèn)題，那我們可能會(huì)做無(wú)用功，甚至引申出更復(fù)雜的問(wèn)題。

在這些時(shí)候我們就需要用到性能分析工具，性能分析工具主要測(cè)試游戲運(yùn)行時(shí)各個(gè)方面性能，如CPU、GPU、內(nèi)存等。通過(guò)性能分析工具，我們能夠透過(guò)游戲運(yùn)行的外在表現(xiàn)，獲取內(nèi)在信息，而這些信息便是我們鎖定引起性能問(wèn)題的關(guān)鍵所在。

在我們進(jìn)行Unity性能優(yōu)化的過(guò)程中，最主要用的到性能分析工具包括，Unity自帶的Unity Profile，IOS端的XCode?，以及一些第三方插件，如騰訊推出的UPA性能分析工具。

我們主要針對(duì)Unity Profile進(jìn)行講解，之后也會(huì)略微介紹另外一些性能分析工具。

Unity Profile

Unity Profile是Unity中最常用的官方性能分析工具，在使用Unity開(kāi)發(fā)游戲的過(guò)程中，借助Profiler來(lái)分析CPU、GPU及內(nèi)存使用狀況是至關(guān)重要的。

首先我們來(lái)了解Unity Profile的面板：
我們通過(guò)Window——>Profiler來(lái)激活Unity Profile面板

在下圖中我們可以看到Unity Profile面板，其中有很多profilers，每個(gè)profiler顯示我們當(dāng)前項(xiàng)目一個(gè)方面的信息，如CPU、GPU、渲染(Rendering)、內(nèi)存(Memory)、聲音(Audio)、視屏(Video)、物理(Physics)、ui及全局光照(global illumination)。

當(dāng)項(xiàng)目運(yùn)行時(shí)，每個(gè)profilers會(huì)隨著運(yùn)行時(shí)間來(lái)顯示數(shù)據(jù)，有些性能問(wèn)題是持續(xù)性的，有些僅在某一幀中出現(xiàn)，還有些性能問(wèn)題可能會(huì)隨時(shí)間推移而逐漸顯出出來(lái)。

在面板的下半部分顯示了我們選中的profilers當(dāng)前幀的詳細(xì)內(nèi)容，我們可以通過(guò)選擇列標(biāo)題，通過(guò)這一列的信息值來(lái)排序。
在CPU usage profiler中的列表題分別為：
Total:當(dāng)前任務(wù)的時(shí)間消耗占當(dāng)前幀cpu消耗的時(shí)間比例。?
Self:任務(wù)自身時(shí)間消耗占當(dāng)前幀cpu消耗的時(shí)間比例。?
Calls:當(dāng)前任務(wù)在當(dāng)前幀內(nèi)被調(diào)用的次數(shù)。?
GC Alloc:當(dāng)前任務(wù)在當(dāng)前幀內(nèi)進(jìn)行過(guò)內(nèi)存回收和分配的次數(shù)。?
Time ms:當(dāng)前任務(wù)在當(dāng)前幀內(nèi)的耗時(shí)總時(shí)間。?
Self ms:當(dāng)前任務(wù)自身(不包含內(nèi)部的子任務(wù))時(shí)間消耗。

當(dāng)我們?cè)趯蛹?jí)視圖中點(diǎn)擊函數(shù)名字時(shí)，CPU usage profiler將在Profiler窗口上部的圖形視圖中高亮顯示這個(gè)函數(shù)的信息。比如我們選中Cameta.Render，Rendering的信息就會(huì)被高亮顯示出來(lái)。

我們可以Profiler的左下的下拉菜單中選擇Timeline。

Timeline顯示了兩件事：cpu任務(wù)的執(zhí)行順序和哪個(gè)線程負(fù)責(zé)什么任務(wù)。線程允許不同的任務(wù)同時(shí)執(zhí)行。當(dāng)一個(gè)線程執(zhí)行一個(gè)任務(wù)時(shí)，另外的線程可以執(zhí)行另一個(gè)完全不同的任務(wù)。和Unity的渲染過(guò)程相關(guān)的線程有三種：主線程，渲染線程和worker threads。了解哪個(gè)線程負(fù)責(zé)哪些任務(wù)的用處非常之大，一旦我們知道了在哪個(gè)線程上的任務(wù)執(zhí)行的速率最低，那么我們就應(yīng)該集中優(yōu)化在那個(gè)線程上的操作。

以上所顯示的數(shù)據(jù)依賴于我們當(dāng)前選擇的profiler。例如，當(dāng)選中內(nèi)存時(shí)，這個(gè)區(qū)域顯示例如游戲資源使用的內(nèi)存和總內(nèi)存占用等。如果選中渲染profiler，這里會(huì)顯示被渲染的對(duì)象數(shù)量或者渲染操作執(zhí)行次數(shù)等數(shù)據(jù)。

這些profiler會(huì)提供很多詳細(xì)信息，但是我們并不總需要使用所有的profiler。實(shí)際上，我們?cè)诜治鲇螒蛐阅軙r(shí)通常只是觀察一個(gè)或者兩個(gè)profiler，而不需要觀察的我們可以通過(guò)右上角的”X”關(guān)閉，如果需要在添加回來(lái)，可以通過(guò)左上角Add Profiler。
例如，當(dāng)我們的游戲運(yùn)行的比較慢時(shí)，我們可能一開(kāi)始先查看CPU usage profiler，CPU usage profiler也是在我們進(jìn)行優(yōu)化分析時(shí)最常用的Profiler。

當(dāng)然，除了CPU usage profiler，Unity Profiler中其他的Profiler在一些場(chǎng)合也非常的有用，比如GPU、內(nèi)存、渲染等，其使用方法和CPU usage profiler也是大同小異，可以按照以上的步驟來(lái)查看并學(xué)習(xí)。

我們?cè)谟^察數(shù)據(jù)時(shí)，需要觀察的目標(biāo)有如下幾點(diǎn)：

CPU:
1. GC Allow:?任何一次性內(nèi)存分配大于2KB的選項(xiàng)。
每幀都具有20B以上內(nèi)存分配的選項(xiàng) 。

GC相關(guān)的問(wèn)題和優(yōu)化，在之后我們會(huì)詳細(xì)的介紹。

2. Time ms:

注意占用5ms以上的選項(xiàng)

內(nèi)存?
1. Texture: 檢查是否有重復(fù)資源和超大內(nèi)存是否需要壓縮等.。
2. AnimationClip: 重點(diǎn)檢查是否有重復(fù)資源.。
3. Mesh：重點(diǎn)檢查是否有重復(fù)資源。

實(shí)際項(xiàng)目中的優(yōu)化建議

在了解了Unity Profiler后，現(xiàn)在我們?cè)谝粋€(gè)實(shí)際項(xiàng)目中來(lái)進(jìn)行一次性能分析。同時(shí)來(lái)了解一般在實(shí)際項(xiàng)目中，主要會(huì)引起也是我們主要去觀察的性能問(wèn)題出現(xiàn)在什么地方。

以下是我做的一個(gè)簡(jiǎn)單的游戲項(xiàng)目，并未做任何性能優(yōu)化并且有大量引起性能問(wèn)題的代碼，可以更方便大家觀察其性能問(wèn)題，在之后我會(huì)把工程上傳到github供初學(xué)者下載分析。

我們來(lái)看一下在CPU usage profiler面板中的可觀察項(xiàng)，在項(xiàng)目中我們可以先關(guān)閉VSync垂直同步來(lái)提高幀率。

下圖中我關(guān)閉了除VSync之外的顯示，可以看到VSync的消耗

具體步驟是edit->project settings->Quality，在Inspector面板中，V Sync count選擇don’t Sync.

我們來(lái)簡(jiǎn)單的介紹一下什么是垂直同步，以及關(guān)閉它之后會(huì)發(fā)生什么。

要理解垂直同步，首先明白顯示器的工作原理。

顯示器上的所有圖像都是單個(gè)像素組成了水平掃描線，水平掃描線在垂直方向的堆積形成了完整的畫(huà)面，無(wú)論是隔行掃描還是逐行掃描，顯示器都有兩種同步參數(shù)——水平同步和垂直同步。?
垂直和水平是CRT顯示器中兩個(gè)基本的同步信號(hào)，水平同步信號(hào)決定了CRT畫(huà)出一條橫越屏幕線的時(shí)間，垂直同步信號(hào)決定了CRT從屏幕頂部畫(huà)到底部，再返回原始位置的時(shí)間，而垂直同步代表著CRT顯示器的刷新率水準(zhǔn)。?
在游戲項(xiàng)目中，如果我們選擇等待垂直同步信號(hào)也就是打開(kāi)垂直同步，在游戲中或許性能較強(qiáng)的顯卡會(huì)迅速的繪制完一屏的圖像，但是沒(méi)有垂直同步信號(hào)的到達(dá)，顯卡無(wú)法繪制下一屏，只有等85單位的信號(hào)到達(dá)，才可以繪制。這樣FPS自然要受到刷新率運(yùn)行值的制約。?
而如果我們選擇不等待垂直同步信號(hào)，那么游戲中繪制完一屏畫(huà)面，顯卡和顯示器無(wú)需等待垂直同步信號(hào)就可以開(kāi)始下一屏圖像的繪制，自然可以完全發(fā)揮顯卡的實(shí)力。?
但是，正是因?yàn)榇怪蓖降拇嬖冢拍苁沟糜螒蜻M(jìn)程和顯示器刷新率同步，使得畫(huà)面更加平滑和穩(wěn)定。取消了垂直同步信號(hào)，固然可以換來(lái)更快的速度，但是在圖像的連續(xù)性上勢(shì)必會(huì)打折扣。?
需要注意，LCD顯示器其實(shí)也是存在刷新率的，但其機(jī)制與CRT不同，這里不做過(guò)多贅述，但是垂直同步和水平同步對(duì)于LCD顯示器來(lái)說(shuō)，一樣是有必要的。

在關(guān)閉垂直同步后，我們繼續(xù)看我們的項(xiàng)目

可以看到，我們以Total和Time ms排序，在圖中拉黑的項(xiàng)（Camera Render）始終排在最前面。
Camera Render是相機(jī)渲染工作的CPU占用量，在實(shí)際項(xiàng)目中，渲染是最常見(jiàn)的引起性能問(wèn)題的原因。而因?yàn)殇秩径鸬男阅軉?wèn)題的優(yōu)化是一個(gè)非常大的工程，這方面的優(yōu)化方法在我們后續(xù)的文章中會(huì)有詳細(xì)的教程去學(xué)習(xí)和分析。在這里，我們只需要先了解。
我們這個(gè)項(xiàng)目的優(yōu)化中，無(wú)疑，渲染造成的性能損耗是一個(gè)大頭。

如果說(shuō)，在我們性能分析中，渲染已經(jīng)沒(méi)有什么問(wèn)題，那么我們接下來(lái)要重點(diǎn)觀察的就是GC，也就是垃圾回收性能分析。
我們按照GC Alloc的順序來(lái)顯示，可以看到下圖。

在之前我們提到過(guò)，GC Alloc中，任何一次性內(nèi)存分配大于2KB的選項(xiàng)，每幀都具有20B以上內(nèi)存分配的選項(xiàng) ，是需要我們重點(diǎn)關(guān)注的，顯而易見(jiàn)，我們的項(xiàng)目中，對(duì)于GC的優(yōu)化，也有很大的問(wèn)題。關(guān)于CG的問(wèn)題，我們會(huì)在下一篇Unity3D性能優(yōu)化——CPU篇中，詳細(xì)的介紹。

這里我們大致介紹一下GC的機(jī)制，要想了解垃圾回收如何工作以及何時(shí)被觸發(fā)，我們首先需要了解unity的內(nèi)存管理機(jī)制。Unity主要采用自動(dòng)內(nèi)存管理的機(jī)制，開(kāi)發(fā)時(shí)在代碼中不需要詳細(xì)地告訴unity如何進(jìn)行內(nèi)存管理，unity內(nèi)部自身會(huì)進(jìn)行內(nèi)存管理。?
Unity內(nèi)部有兩個(gè)內(nèi)存管理池，堆內(nèi)存和棧內(nèi)存，垃圾回收主要是指堆上的內(nèi)存分配和回收，unity中會(huì)定時(shí)對(duì)堆內(nèi)存進(jìn)行GC操作。?
當(dāng)堆內(nèi)存上一個(gè)變量不再處于激活狀態(tài)的時(shí)候，其所占用的內(nèi)存并不會(huì)立刻被回收，不再使用的內(nèi)存只會(huì)在GC的時(shí)候才會(huì)被回收。?
每次運(yùn)行GC的時(shí)候，GC會(huì)檢查堆內(nèi)存上的每個(gè)存儲(chǔ)變量，對(duì)每個(gè)變量會(huì)檢測(cè)其引用是否處于激活狀態(tài)，如果變量的引用不再處于激活狀態(tài)，則會(huì)被標(biāo)記為可回收，被標(biāo)記的變量會(huì)被移除，其所占有的內(nèi)存會(huì)被回收到堆內(nèi)存上。?
GC操作是一個(gè)極其耗費(fèi)的操作，堆內(nèi)存上的變量或者引用越多則其運(yùn)行的操作會(huì)更多，耗費(fèi)的時(shí)間越長(zhǎng)。

如果我們也排除了GC的問(wèn)題，那么再接下來(lái)，我們就要考慮到是否是腳本的一些問(wèn)題造成性能損耗。

這里的腳本，可能是我們自己寫(xiě)的代碼，也有可能是我們使用的一些插件的代碼。在CPU usage profiler面板中，我們可以關(guān)注Script這一項(xiàng)。

如果在一個(gè)很慢的幀中，一大部分時(shí)間被腳本運(yùn)行所消耗，這意味著這些慢的腳本可能就是引起性能問(wèn)題的主因。我們可以更加深入的分析數(shù)據(jù)來(lái)確認(rèn)。

首先我們按照Time ms來(lái)排序，然后選擇信息列表中的項(xiàng)目，如果是用戶腳本的函數(shù)，那么在Profiler上方會(huì)有高亮腳本的部分。這種情況，說(shuō)明游戲的性能問(wèn)題是和用戶腳本相關(guān)的，如下圖中的顯示，這部分腳本性能問(wèn)題一定是與我們FixedUpdate有關(guān)。

同時(shí)，我們還可以再關(guān)注一些物理、ui方面的性能問(wèn)題。

在上面我們討論的，是幾種最常見(jiàn)的性能問(wèn)題，在實(shí)際項(xiàng)目?jī)?yōu)化中，如果有性能問(wèn)題也逃不開(kāi)這些，如果在這些方向都已經(jīng)達(dá)到了我們的要求，但我們的游戲仍然有性能問(wèn)題，我們應(yīng)該遵循上面的方法解決問(wèn)題：收集數(shù)據(jù)——>使用CPU usage profiler查看信息——>找到引起問(wèn)題的函數(shù)。一旦我們知道了引起問(wèn)題函數(shù)的名字，我們便可以針對(duì)性的，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化處理。

其他性能分析工具

在開(kāi)頭我們說(shuō)過(guò)，在我們進(jìn)行Unity性能優(yōu)化的過(guò)程中，最主要用的到性能分析工具包括，Unity自帶的Unity Profile，IOS端XCode Capture GPU frame以及一些第三方插件，如騰訊推出的UPA性能分析工具。

這里我們簡(jiǎn)單的介紹一下XCode和UPA.

Xcode是 Mac OS X上的集成開(kāi)發(fā)工具。在我們打包Unity IOS的項(xiàng)目時(shí)，必須使用到Xcode來(lái)幫助我們打包及發(fā)布。

Xcode的功能也十分的強(qiáng)大，在我們開(kāi)發(fā)IOS端時(shí)，可以使用其GPU frame Capture 功能為我們的項(xiàng)目進(jìn)行性能優(yōu)化分析。

在unity中，我們打包時(shí)在Run In Xcode as 選擇debug模式，并且勾選Development Build

打包完成后，使用Xcode打開(kāi)文件，在Xcode中選擇Product ——> Scheme——> Manage Schemes

然后會(huì)出現(xiàn)如下界面

我們雙擊這個(gè)項(xiàng)目會(huì)出現(xiàn)如下界面

然后我們?cè)谧髠?cè)選中Run，然后在右側(cè)面板選擇Options

在GPU frame Capture中選擇OpenGL ES或者M(jìn)etal。
在Debug模式下運(yùn)行項(xiàng)目，當(dāng)項(xiàng)目在真機(jī)上完全加載后，就可以進(jìn)入Debug Navigator(View ——> Navigators ——> Show Debug Navigator)