Unity应用架构设计(10)——绕不开的协程和多线程(Part 1)
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在进入本章主题之前,我们必须要了解客户端应用程序都是单线程模型,即只有一个主线程(Main Thread),或者叫做UI线程,即所有的UI控件的创建和操作都是在主线程上完成的。而服务器端应用程序,也就是我们常见的Web应用程序往往是多线程的,故用户A访问势必不会影响用户B的访问过程。所以对于Web应用而言,多线程的数据同步和并发的管理往往是个头疼的问题。那么对于客户端应用程序而言,就一个人使用,还要需要考虑多线程吗?
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是否需要多线程?
这是个好问题,从设备的硬件上,这已不是瓶颈:
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学过操作系统的同学肯定知道CPU是真正的处理大脑,在单核的CPU年代,在某一时刻CPU只能处理一个线程,通过CPU的调度来实现在不同线程间切换工作。由于CPU调度的时间很快,所以给人造成并发的假象。 随着硬件的提升,多核CPU已经是常态化了。比如双核CPU而言,某一时刻可以有2个线程并行计算。
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所以,是否需要在客户端使用多线程技术,还是取决于你的应用的复杂度:
- 如果你的应用不需要一些耗时的操作,比如网络请求,IO操作,AI等,那么尽量不要使用多线程,因为跨线程访问UI控件是禁止的,并且数据同步问题往往也是很棘手的,很容易滥用lock导致主线block或者deadlock。
- 反之,如果应用程序很复杂,那么势必在需要去分担主线程的压力,那么使用异步线程是个很好的主意。
- 同时,我们也不能滥用线程,过多的使用线程会造成CPU运算的下降,建议使用线程池ThreadPool或者利用GC来回收线程。
协程的内部原理
回到本文的主题,对于Unity应用程序而言,还提供了另外一种『异步方式』:Coroutine
。Coroutine
也就是协程的意思,只是看起来像多线程,它实际上并不是,还是在主线程上操作。
Coroutine实际上由IEnumerator
接口以及一个或者多个的yield
语句构成的迭代器(iterator
)块构成。
枚举器接口 IEnumerator
包含3个方法:
- Current:返回集合当前位置的对象
- MoveNext:把枚举器位置移到集合的下一个元素,它返回一个bool值,表示新的位置是否超过索引
- Reset:把位置重置为初始状态
yield
是个比较晦涩的技术,原因是编译器帮我们做了太多的工作(CompilerGenerate),导致我们无法理解到内部的实现。如果你去翻阅汉英词典,你会对yield一头雾水。我个人倾向将其翻译成中断和产出比较好,这也是yield单词包含的意思,我下面也会阐述为什么要翻译成这两个意思。
深究yield
之前,我觉得应该略微了解一下为什么我们能foreach
遍历一个数组?
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原因很简单,数组Array它是一个可枚举的类(enumerable),一个可枚举类提供了一个枚举器(enumerator),枚举器可以依次访问数组里的元素,也就是之前提过的Current
属性返回集合当前位置的对象。所以,我可以模拟foreach
的实现,实际上foreach
内部实现也大致相似。
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static void Main(string[] args) { string[] animals = {"dog", "cat", "pig"}; //获取枚举器 var ie = animals.GetEnumerator(); //移到下一项,默认的index=-1 while (ie.MoveNext()) { //获得当前项 Console.WriteLine(ie.Current); } Console.ReadLine(); }
假设你是个C#新手,你得好好消化一下上述的逻辑,因为这是拨开迷雾的第一层:了解为什么能够枚举一个集合。当然我们也可以创建自己的可被枚举的类,需要为它提供自定义的枚举器,只需实现IEnumerator
接口即可。值得注意的事,自建的可枚举类同时也要实现IEnumerable
接口,该接口只提供一个方法:GetEnumerator()
,用来返回枚举器。
创建自定义的枚举类AnimalSet
:
class AnimalSet : IEnumerable { private readonly string[] _animals = {"the dog", "the pig", "the cat"}; public IEnumerator GetEnumerator() { return new AnimalEnumerator(_animals); } }
需要为AnimalSet
提供自定义的枚举器AnimalEnumerator
class AnimalEnumerator : IEnumerator { private string[] _animals; private int _index = -1; public AnimalEnumerator(string[] animals) { _animals=new string[animals.Length]; for (var i = 0; i < animals.Length; i++) { _animals[i] = animals[i]; } } public bool MoveNext() { _index++; return _index<_animals.Length; } public void Reset() { _index = -1; } public object Current { get { return _animals[_index]; } } }
你可能会觉得奇怪,这和yield
又有什么关系呢?要解惑yield
这是第二个阶段:能知道枚举器是怎样工作的。
如果你很清楚上诉两个阶段的内部原理之后,要理解Unity中的Coroutine
是非常简单的,你会了解为什么它是伪的“多线程”。 这是一段非常普通的代码,司空见惯。
void Start() { StartCoroutine(MyEnumerator()); Debug.Log("finish"); } private IEnumerator MyEnumerator() { Debug.Log("wait for 1s"); yield return new WaitForSeconds(1); Debug.Log("wait for 2s"); yield return new WaitForSeconds(2); Debug.Log("wait for 3s"); yield return new WaitForSeconds(3); }
注意到MyEnumerator
方法的放回类型了吗?没错,返回的就是枚举器,你会疑问,你没有定义一个枚举器并且实现了IEnumerator
接口啊!别急,问题就出在yield
上,C#为了简化我们创建枚举器的步骤,你想想看你需要先实现IEnumerator
接口,并且实现Current
,MoveNext
,Reset
步骤。C#从2.0开始提供了有yield
组成的迭代器块。编译器会自动更具迭代器块创建了枚举器。不信,反编译看看:
public class Test : MonoBehaviour { private IEnumerator MyEnumerator() { UnityEngine.Debug.Log("wait for 1s"); yield return new WaitForSeconds(1f); UnityEngine.Debug.Log("wait for 2s"); yield return new WaitForSeconds(2f); UnityEngine.Debug.Log("wait for 3s"); yield return new WaitForSeconds(3f); } private void Start() { base.StartCoroutine(this.MyEnumerator()); UnityEngine.Debug.Log("finish"); } [CompilerGenerated] private sealed class <MyEnumerator>d__1 : IEnumerator<object>, IEnumerator, IDisposable { private int <>1__state; private object <>2__current; public Test <>4__this; [DebuggerHidden] public <MyEnumerator>d__1(int <>1__state) { this.<>1__state = <>1__state; } private bool MoveNext() { switch (this.<>1__state) { case 0: this.<>1__state = -1; UnityEngine.Debug.Log("wait for 1s"); this.<>2__current = new WaitForSeconds(1f); this.<>1__state = 1; return true; case 1: this.<>1__state = -1; UnityEngine.Debug.Log("wait for 2s"); this.<>2__current = new WaitForSeconds(2f); this.<>1__state = 2; return true; case 2: this.<>1__state = -1; UnityEngine.Debug.Log("wait for 3s"); this.<>2__current = new WaitForSeconds(3f); this.<>1__state = 3; return true; case 3: this.<>1__state = -1; return false; } return false; } object IEnumerator.Current { [DebuggerHidden] get { return this.<>2__current; } } //...省略... } }
有几点可以确定:
- yield是个语法糖,编译过后的代码看不到yield
- 编译器在内部创建了一个枚举类 <MyEnumerator>d__1
- yield return 被声明为枚举时的下一项,即Current属性,通过MoveNext方法来访问结果
OK,通过层层推进,想必你对Untiy中的协程有一定的了解了。再回过头来,我将yield
翻译成了中断和产出,谈谈我的理解。
- 中断:传统的方法代码块执行流程是从上到下依次执行,而yield构成的迭代块是告诉编译器如何创建枚举器的行为,反编译得到的结果可以看到,它们的执行并不是连续的,而是通过switch来从一个状态(state)跳转到另一个状态
- 产出:yield 是和return连用, yield return之后的语句被编译器赋值给current变量,最终通过Current属性产出枚举项
小结
本文的初衷是想介绍如何在Unity中使用多线程,但协程往往是绕不开的话题,于是索性就剖析了下它,故决定单独成一篇。本章内容对多线程开了个头,我将在下篇文章中说说怎样在Unity中使用和管理多线程。 源代码托管在Github上,点击此了解