26
2017
09

Unity将来时:IL2CPP是什么?

Unity3D 想必大家都不陌生,独立游戏制作者们很多人都在用它,甚至一些大公司也用在很商业的游戏制作上。Unity3D最大的一个特点是一次制作,多平台部署,而 这一核心功能是靠Mono实现的。可以说Mono是Unity3D核心的核心,是Unity3D跨平台的根本。但是在2014年年中的时 候,Unity3D官方博客上却发了一篇“The future of scripting in unity”的文章,引出了IL2CPP的概念,感觉有取代Mono之势。那什么是IL2CPP,它能为Unity3D和作为使用Unity3D的我们带来哪些好处和改变?这就是本文尝试说明的。

C#,.Net Framework

我们先说说IL2CPP试图取代的Mono。在说Mono之前,不得不提C#语言和背后的.Net Framework。C#是微软推出的一种基于.NET框架的、面向对象的高级编程语言。C#的发音为“see sharp”,模仿音乐上的音名“C♯”(C调升),是C语言的升级的意思。其正确写法应和音名一样为“C♯”。C#由C语言和C++派生而来,继承了其 强大的性能,同时又以.NET框架类库作为基础,拥有类似Visual Basic的快速开发能力。C#由安德斯·海尔斯伯格主持开发,微软在2000年发布了这种语言。说到安德斯·海尔斯伯格这里要多说一句,当年和VC(注 意,是VC,那个时候还没有Visual Studio)齐名还有另外一家公司的IDE也非常流行,那就是Borland公司的Delphi,也是由安德斯·海尔斯伯格主导开发的。

他后来被微软挖走,创建了J++,一门类似Java的语言(好吧,以我肤浅的知识认为,那基本就是照着Java做的)。后来由于和Sun公司授权的原因,微 软在2001年停止了J++的开发而推出了C# 1.0。说来要感谢和Sun的这场官司,否则微软也不会有C#,J++也可能一直会跟随Java的脚步。相反C#经过不断的进化,从1.0开始到4.0和 最新的5.0,C#已经远远甩开Java几条街了(还是以我个人的使用Java和C#感觉而言,关于两门语言的比较,无论是效率上,夸平台上,还是语言易 用性上,社区活跃度上,网上的争论随处可见,每个人都有自己的看法,这也不是本文的重点)。

Mono,Mono VM

C#虽好,但是只能在Windows上运行,微软那时候也没有将其开源,所以总是会有人说不能跨平台,光就这点,C#和Java就不能比呀。

微软公司已经向ECMA申请将C#作为一种标准。在2001年12月,ECMA发布了ECMA-334 C#语言规范。C#在2003年成为一个ISO标准(ISO/IEC 23270)。这意味着只要你遵守CLI(Common Language Infrastructure),第三方可以将任何一种语言实现到.Net平台之上。Mono就是在这种环境下诞生的。

Mono是一个由 Xamarin公司(先前是Novell,最早为Ximian)所主持的自由开放源代码项目。该项目的目标是创建一系列符合ECMA标准(Ecma- 334和Ecma-335)的.NET工具,包括C#编译器和通用语言架构。与微软的.NET Framework(共通语言运行平台)不同,Mono项目不仅可以运行于Windows系统上,还可以运行于 Linux,FreeBSD,Unix,OS X和Solaris,甚至一些游戏平台,例如:Playstation 3,Wii或XBox 360之上。Mono使得C#这门语言有了很好的跨平台能力。相对于微软的.Net Framework运行时库Mono使用自己的Mono VM作为运行时库。 加上C#本身快速友好的开发能力,最终使得Unity团队在创建之初就决定将Mono,C#作为其核心。(嗯,这是我猜的)

有人也许会说,Unity还支持JavaScript和Boo呢,不光光只有C#一门语言。首先我要纠正的是,在Unity中的JavaScript严格意 义上说并不是W3C规范中的JavaScript,它正确的名字叫做Unity Script,其实是从Boo演变过来的(这样大家就能理解为啥在3门语言中,Boo用的人最少,但是却还一直存在的原因了吧)。我认为是Unity开始 为了让更多的人能够快速的上手,特别是考虑到很多脚本程序员对JavaScript已经很熟悉了,为了照顾这部分人,发明了Unity Script,它的语法和W3C的JavaScript几乎一致,使得大家可以直接用其进行开发,降低门槛。但是Unity Script在运行上却和JavaScript有着本质的不同。这个我会在下一节IL中进行详细的描述。从三门语言在Unity中的使用情况而言:Boo 几乎就没人用了,Unity Script和C#两者中无论是演示代码还是Unity Asset Store中的第三方代码,C#已经有85%-90%的比例(个人粗略估计,没有做详细统计)。可见C#在Unity中深受我等游戏码农的爱戴。

IL

啰嗦完了C#,.Net Framework和Mono,引出了我们很重要的一个概念”IL“。IL的全称是 Intermediate Language,很多时候还会看到CIL(Common Intermediate Language,特指在.Net平台下的IL标准)。在Unity博客和本文中,IL和CIL表示的是同一个东西:翻译过来就是中间语言。它是一种属于 通用语言架构和.NET框架的低阶(lowest-level)的人类可读的编程语言。目标为.NET框架的语言被编译成CIL,然后汇编成字节码。 CIL类似一个面向对象的汇编语言,并且它是完全基于堆栈的,它运行在虚拟机上(.Net Framework, Mono VM)的语言。
具体过程是:C#或者VB这样遵循CLI规范的高级语言,被先被各自的编译器编译成中间语言:IL(CIL),等到需要真正执行的时候,这些IL会被加载到运行时库,也就是VM中,由VM动态的编译成汇编代码(JIT)然后在执行。

这里写图片描述

正是由于引入了VM,才使得很多动态代码特性得以实现。通过VM我们甚至可以由代码在运行时生成新代码并执行。这个是静态编译语言所无法做到的。回到上一 节我说的Boo和Unity Script,有了IL和VM的概念我们就不难发现,这两者并没有对应的VM虚拟机,Unity中VM只有一个:Mono VM,也就是说Boo和Unity Script是被各自的编译器编译成遵循CLI规范的IL,然后再由Mono VM解释执行的。这也是Unity Script和JavaScript的根本区别。JavaScript是最终在浏览器的JS解析器中运行的(例如大名鼎鼎的Google Chrome V8引擎),而Unity Script是在Mono VM中运行的。本质上说,到了IL这一层级,它是由哪门高级语言创建的也不是那么重要了,你可以用C#,VB,Boo,Unity Script甚至C++,只要有相应的编译器能够将其编译成IL都行!

IL2CPP, IL2CPP VM

本文的主角终于出来了:IL2CPP。有了上面的知识,大家很容易就理解其意义了:把IL中间语言转换成CPP文件。大家如果看明白了上面动态语言的 CLI, IL以及VM,再看到IL2CPP一定心中充满了疑惑。现在的大趋势都是把语言加上动态特性,哪怕是c++这样的静态语言,也出现了适合IL的c++编译 器,为啥Unity要反其道而行之,把IL再弄回静态的CPP呢?这不是吃饱了撑着嘛。根据本文最前面给出的Unity官方博客所解释的,原因有以下几 个:

  1. Mono VM在各个平台移植,维护非常耗时,有时甚至不可能完成 Mono的跨平台是通过Mono VM实现的,有几个平台,就要实现几个VM,像Unity这样支持多平台的引擎,Mono官方的VM肯定是不能满足需求的。所以针对不同的新平
    台,Unity的项目组就要把VM给移植一遍,同时解决VM里面发现的bug。这非常耗时耗力。这些能移植的平台还好说,还有比如WebGL这样基于浏览
    器的平台。要让WebGL支持Mono的VM几乎是不可能的。
  2. Mono版本授权受限 大家有没有意识到Mono的版本已经更新到3.X了,但是在Unity中,C#的运行时版本一直停留在2.8,这也是Unity社区开发者抱怨的最多一
    条:很多C#的新特性无法使用。这是因为Mono 授权受限,导致Unity无法升级Mono。如果换做是IL2CPP,IL2CPP
    VM这套完全自己开发的组件,就解决了这个问题。
  3. 提高运行效率 根据官方的实验数据,换成IL2CPP以后,程序的运行效率有了1.5-2.0倍的提升。

使用Mono的时候,脚本的编译运行如下图所示:

这里写图片描述

简单的来说,3大脚本被编译成IL,在游戏运行的时候,IL和项目里其他第三方兼容的DLL一起,放入Mono VM虚拟机,由虚拟机解析成机器码,并且执行
IL2CPP做的改变由下图红色部分标明:

这里写图片描述

在得到中间语言IL后,使用IL2CPP将他们重新变回C++代码,然后再由各个平台的C++编译器直接编译成能执行的原生汇编代码。

几点注意:

  1. 将IL变回CPP的目的除了CPP的执行效率快以外,另一个很重要的原因是可以利用现成的在各个平台的C++编译器对代码执行编译期优化,这样可以进一步减小最终游戏的尺寸并提高游戏运行速度。
  2. 由于动态语言的特性,他们多半无需程序员太多关心内存管理,所有的内存分配和回收都由一个叫做GC(Garbage Collector)的组件完成。虽然通过IL2CPP以后代码变成了静态的C++,但是内存管理这块还是遵循C#的方式,这也是为什么最后还要有一个 IL2CPP VM的原因:它负责提供诸如GC管理,线程创建这类的服务性工作。但是由于去除了IL加载和动态解析的工作,使得IL2CPP VM可以做的很小,并且使得游戏载入时间缩短。
  3. 由于C++是一门静态语言,这就意味着我们不能使用动态语言的那些酷炫特性。运行时生 成代码并执行肯定是不可能了。这就是Unity里面提到的所谓AOT(Ahead Of Time)编译而非JIT(Just In Time)编译。其实很多平台出于安全的考虑是不允许JIT的,大家最熟悉的有iOS平台,在Console游戏机上,不管是微软的Xbox360,XboxOne,还是Sony的PS3,PS4,PSV,没有一个是允许JIT的。使用了IL2CPP,就完全是AOT方式了,如果原来使用了动态特性的代码肯定会编译失败。这些代码在编译iOS平台的时候天生也会失败,所以如果你是为iOS开发的游戏代码,就不用担心了。因此就这点而言,我们开发上几乎不会感到什么问题。

最后给出Unite 2014上官方给出的性能测试截图(数字越小表示运行得越快):

这里写图片描述

这里写图片描述

有了IL2CPP,程序尺寸可以相对缩小,运行速度可以提高!看了兴奋吗?其实现有的Unity版本中已经引入了IL2CPP技术。本文下篇就通过一个实际的例子,看看IL2CPP都为我们做了哪些,以及我们需要注意些什么。

参考链接:

C♯

http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%AE%89%E5%BE%B7%E6%96%AF%C2%B7%E6%B5%B7%E5%B0%94%E6%96%AF%E4%BC%AF%E6%A0%BC

http://zh.wikipedia.org/wiki/Mono

http://zh.wikipedia.org/wiki/.NET%E6%A1%86%E6%9E%B6



作者:小玉
链接:https://zhuanlan.zhihu.com/p/19972689
来源:知乎
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