Unity3D将来时：IL2CPP——C#的变迁

原文：http://www.indieace.com/thread-8197-1-1.html

本帖最后由 Bowie 于 2015-2-28 15:57 编辑

[align=center]Unity3D将来时：IL2CPP（上）[/align]
[align=center]（注：本文详细的讲述了C#，Mono，.Net， IL等Unity使用到的概念，如果你已经熟知这些，可以直接跳过看下篇）[/align]

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。

[align=left]C#，.Net Framework[/align]
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Virtual
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。



[align=left]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）。[/align]



[align=left]Mono，Mono VM[/align]



[align=left]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。[/align]

[align=left]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。[/align]

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。

[align=left]IL[/align]
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。
[align=left]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。[/align]



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！

[align=left]IL2CPP， IL2CPP VM[/align]

[align=left]本文的”男猪脚“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：[/align]
[align=left]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[/align]
[align=left] 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。[/align]

[align=left]2.Mono版本授权受限[/align]
[align=left] 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。[/align]

[align=left]3.提高运行效率[/align]
[align=left] 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。[/align]

[align=left]使用Mono的时候，脚本的编译运行如下图所示：[/align]



[align=left]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[/align]

[align=left]IL2CPP做的改变由下图红色部分标明：[/align]



[align=left]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。[/align]

[align=left]几点注意：[/align]
[align=left]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。[/align]

[align=left]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。[/align]

[align=left]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。[/align]

[align=left]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）：[/align]





[align=left]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。[/align]

[align=left]参考链接：[/align]
[align=left]http://zh.wikipedia.org/wiki/C%E2%99%AF[/align]

[align=left]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[/align]

[align=left]http://zh.wikipedia.org/wiki/Mono[/align]

[align=left]http://zh.wikipedia.org/wiki/.NET%E6%A1%86%E6%9E%B6[/align]

本帖最后由 Bowie 于 2015-2-17 16:43 编辑

[align=center]Unity3D将来时：IL2CPP（下）[/align]

[align=left]版本准备[/align]

[align=left]前文详细的介绍了IL2CPP的来龙去脉，这里用一个实际的例子来看看Unity3D里的IL2CPP都为我们做了哪些工作以及在使用的过程中会遇到哪些问题。[/align]

[align=left]IL2CPP应用的第一个平台是WebGL，为了让游戏可以一键部署到基于WebGL的浏览器中，Unity3D Script工作组的大牛们找到了一个绝妙的解决方案：不仅解决了C#，Unity Script语言兼容问题，还解决了客户端源码泄漏问题。这个功能在Unity5.0 Beta版中提供了测试。[/align]

[align=left]IL2CPP的第二个试用平台是iOS 64位版。大家都知道苹果已经发了最后通牒，全新App必须在15年2月1日支持64位CPU，而已经上架的游戏也必须在15年6月1日更新的时候支持64位。这个64位编译就是交由IL2CPP完成的。具体到版本是 Unity 4.6.1 p5，Unity4.6.2和Unity 4.6.2 p1。本文后面都使用4.6.2 p1版本来进行演示。[/align]

[align=left]创建项目，加入代码[/align]
[align=left]创建一个空的项目，加入两个cs文件，一个叫IL2CPPCompatible.cs，另外一个是IL2CPPStudy.cs。前者主要用来测试代码在IL2CPP中的兼容性，后者用来产生C++代码,用来做对比分析。[/align]

[align=left]以下是两个文件的详细内容：[/align]

[align=left]IL2CPPCompatible.cs[/align]
[align=left]这个文件中有两个兼容性测试函数。一个函数使用ThreadPool.QueueUserWorkItem启动一个新的线程。另一个则是SSL认证函数：ssl.AuthenticateAsClient (hosturl); 之所以写这两个函数是因为上述4.6.x IL2CPP对他们支持的还不是很好，会产生问题，这个我们在后面会详细讲到。[/align]

[align=left]IL2CPPStudy.cs[/align]

[align=left]using UnityEngine;[/align]
[align=left]using System.Collections;[/align]
[align=left]using System.IO;[/align]
[align=left]using System.Threading;[/align]

[align=left]public class CoconutClassStudy[/align]
[align=left]{[/align]
[align=left] public int inta;[/align]
[align=left] public int intb;[/align]

[align=left] public int Add()[/align]
[align=left] {[/align]
[align=left] return inta + intb;[/align]
[align=left] }[/align]

[align=left] public CoconutClassStudy(int a, int b)[/align]
[align=left] {[/align]
[align=left] inta = a;[/align]
[align=left] intb = b;[/align]
[align=left] }[/align]

[align=left] public void IOTest(string filename)[/align]
[align=left] {[/align]
[align=left] if (File.Exists (filename)) {[/align]
[align=left] FileStream fs = File.Open(filename, FileMode.Create);[/align]
[align=left] fs.Close();[/align]

[align=left] }[/align]
[align=left] }[/align]

[align=left] public void ThreadTest()[/align]
[align=left] {[/align]
[align=left] Thread a =new Thread(delegate(object state) {[/align]
[align=left] Debug.Log ("Thread Started");[/align]
[align=left] });[/align]
[align=left] [/align]
[align=left] a.Start ();[/align]
[align=left] }[/align]
[align=left]}[/align]

[align=left]public class IL2CPPStudy : MonoBehaviour {[/align]

[align=left] // Use this for initialization[/align]
[align=left] void Start () {[/align]
[align=left] Debug.Log (CoconutFuncStudy (10 , 20));[/align]
[align=left] CoconutClassStudy cc = new CoconutClassStudy (50, 60);[/align]
[align=left] Debug.Log (cc.Add ());[/align]
[align=left] cc.IOTest("test.txt");[/align]
[align=left] cc.ThreadTest ();[/align]
[align=left] Debug.Log (cc.GetType ());[/align]
[align=left] }[/align]
[align=left] [/align]
[align=left] // Update is called once per frame[/align]
[align=left] void Update () {[/align]
[align=left] [/align]
[align=left] }[/align]

[align=left] int CoconutFuncStudy(int a, int b)[/align]
[align=left] {[/align]
[align=left] return a + b;[/align]
[align=left] }[/align]
[align=left]}[/align]

[align=left]这个文件里面的内容就更简单了：一个CoconutClassStudy类，里面有一个构造函数，一个Add函数和一个IOTest函数。另外在MonoBehaviour的Start()中，创建这个类的实例，并调用这两个函数。这个源码可以让我们研究以下几个方面：[/align]
[align=left]1.cs的类在经过IL2CPP以后如何在CPP文件中表达[/align]
[align=left]2.C#的IO操作经过IL2CPP以后如何在CPP文件中表达[/align]
[align=left]3.当调用new关键字在堆里产生一个实例的时候CPP文件又是如何做的[/align]
[align=left]4.开启一个线程的操作IL2CPP会如何翻译[/align]
[align=left]5.调用cc.GetType()的行为IL2CPP如何处理[/align]

[align=left]有了这连个文件后我们要做的第一件事情是生成XCode项目：[/align]



[align=left]选择IL2CPP编译模块，然后Build，生成XCode项目。[/align]
[align=left]打开项目，在项目结构中打开Classes目录，可以看到多了一个Native的子目录[/align]



[align=left]IL2CPP转换出的所有文件都在其中。[/align]
[align=left]我们写的逻辑代码，都在Assembly-CSharp.cpp中，除了这个文件，Native文件夹中还有很多以Bulk开头的文件，这些其实是IL2CPP把一些必要C#库翻译到CPP形成的文件。[/align]



[align=left]像Bulk_Generics_x.cpp和System.Collections.Generic有关。[/align]
[align=left]Bulk_UnityEngine.UI_x.cpp则和Unity自带的UI有关。[/align]

[align=left]让我们粗略的分析下在CPP文件中前面的5条都是如何实现的：[/align]
[align=left]1.cs的类在经过IL2CPP以后如何在CPP文件中表达[/align]



[align=left]我们的CoconutClassStudy类在CPP文件中变成了一个Struct，继承于Object_t4。那这个Object_t4又是什么呢？[/align]



[align=left]聪明的你一看注释就知道了吧，没错，这个就是C#中的万物之源，System.Object。[/align]

[align=left]既然我们C#的类变成了Struct，那类里面的函数都去哪里了呢？带着这个疑问，我们来看第二条。[/align]

[align=left]2.C#的IO操作经过IL2CPP以后如何在CPP文件中表达[/align]
[align=left]在CoconutClassStudy类中有一个成员函数：IOTest。在CPP中，我们看到了如下的实现：[/align]



[align=left]类中的函数变成了一般的全局函数，函数名字是类名加上函数名，最后加上一个后缀而成。而原本C#中的File.Exists和File.Open函数都有了相应的C++实现。[/align]

[align=left]3.当调用new关键字在堆里产生一个实例的时候CPP文件又是如何做的？[/align]
[align=left]C#代码中我们在Start函数中有一个显示的New，找到相应C++代码：[/align]



[align=left]可以看到代码调用了一个叫il2cpp_codegen_object_new的函数。而这个函数最终调用了IL2CPP VM中的New函数，分配了属于GC管理的内存。[/align]

[align=left]接下来第四条[/align]
[align=left]4.开启一个线程的操作IL2CPP会如何翻译[/align]



[align=left]C#中的System.Thread，在C++中是一个Thread_t26相当巨大的结构，在New出了这个结构之后，设置线程入口函数，最后调用Thread_Start_m47启动线程。这个函数就是对应System.Threading.Thread.Start()[/align]



[align=left] 我们看最后一条[/align]
[align=left]5.调用cc.GetType()的行为IL2CPP如何处理。找到C++中的对应Start函数：[/align]



[align=left]首先我们看到了对应C#中的Type的C++实现：Type_t28，其次是GetType()这个函数在C++中的实现，最后发现是调到了IL2CPP的VM函数：[/align]



[align=left]在这些C++的实现中，细心的读者可能会发现他们时时刻刻都在使用MethodInfo和TypeInfo这样的信息。这个就是Unity Script项目组提到的Metadata。Metadata指的是非逻辑代码，而是函数，结构，变量以及类本省的一些信息。比如名字，类型等。这个Metadata提供C++代码和后台的IL2CPP VM运行时必要的信息。[/align]

[align=left]以上5条只是很简单的例子，大家如果对IL2CPP的转换感兴趣，可以自己写出想要了解的测试代码，然后再对比CPP文件看其实现。[/align]

[align=left]前方有坑，请小心[/align]
[align=left]新的事物总是伴随着问题，特别是在软件行业，Bug是不可避免的。就目前阶段而言，IL2CPP还有不少问题。这个就是项目中IL2CPPCompatible.cs存在的意义：做兼容性测试。大家在实际的项目中如果遇到了问题，可以在这个文件中追加测试代码。下面的表格把我们遇到的已知问题做一个列举，供参考。[/align]

	[align=left]链接可执行文件zlib报错[/align]	[align=left]ThreadPool.QueueUserWorkItem运行报错[/align]	[align=left]SSL.AuthenticateAsClient运行报错[/align]
[align=left]Unity 4.6.1 p5[/align]	[align=left]发生[/align]	[align=left]发生[/align]	[align=left]发生[/align]
[align=left]Unity 4.6.2 f1[/align]	[align=left]发生[/align]	[align=left]发生[/align]	[align=left]发生[/align]
[align=left]Unity 4.6.2 p1[/align]	[align=left]修正[/align]	[align=left]修正[/align]	[align=left]发生[/align]

[align=left]IL2CPP总结以及我们的建议[/align]
[align=left]IL2CPP是Unity核心进行的很重要的进化之一。就现在来看，好处有以下几点：[/align]

[align=left]1.运行速度加快，游戏安装尺寸减小，内存占用降低[/align]

[align=left]2.除了可以Mono调试C#之外，我们又多了一种选择：Native C++ 源码级调试（不知道你们什么感觉，我对Unity C#调试颇有意见，经常连不上调试器，而且调试过程中常常宕机。换成用原生IDE调试C++代码，就爽很多啦）。[/align]

[align=left]3.可以快速的支持新的平台，当然这点对我们关系不大。[/align]

[align=left]带来的问题：[/align]
[align=left]1.由于原来由Mono VM的IL代码全部变成了CPP，导致项目中多了很多CPP代码，编译时间会显著增加。[/align]

[align=left]2.IL2CPP还有各种Bug，可能会导致原来的代码不能很好的编译运行。需要等待Unity版本迭代。[/align]

[align=left]3.鉴于C++静态语言的特性，我们不能使用诸如System.Reflection.Emit这样的动态代码。（C# ATO方式编译）[/align]

[align=left]给使用Unity开发者的建议：[/align]
[align=left]IL2CPP是大势所趋，加上苹果强制使用64位支持，意味着到了6月1号，所有用Unity开发的游戏都要用到新的编译方式。如果你的项目比较大，应该立刻开始尝试IL2CPP，以便发现问题，并开始解决。[/align]

[align=left]本文项目在：[/align]
https://github.com/CoconutIslandStudio/IL2CPP_Test