Unity中的通用对象池

最新推荐文章于 2024-06-24 11:26:45 发布

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分类专栏： Unity3d 文章标签：对象 unity

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本文介绍了Unity中如何实现一个通用的对象池，以解决频繁创建和销毁对象导致的性能问题。通过一个简单的射击子弹示例，阐述了内存池的设计思路，包括从使用者角度的需求、内存池单元结构、单元组结构、内存池结构以及组件化内存池的实现。最后展示了如何在实际游戏中使用内存池管理子弹，以达到资源高效复用和内存控制的目的。

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Unity中的通用对象池

　　本节通过一个简单的射击子弹的示例来介绍Transform的用法。子弹射击本身很容易制作，只要制作一个子弹Prefab，再做一个发生器，使用发生器控制按频率产生子弹，即克隆子弹Prefab，然后为每个子弹写上运动逻辑就可以了。这本该是很简单的事情。不过问题来了，发射出去后的子弹如何处理？直接Destroy吗？这太浪费了，要知道Unity的Mono内存是不断增长的。就是说出了Unity内部的那些网格、贴图等等资源内存(简单说就是继承自UnityEngine下的Object的那些类)，而继承自System下的Object的那些代码产生的内存即是Mono内存，它只增不减。同样，你不断Destroy你的Unity对象也是要消耗性能去进行回收，而子弹这种消耗品实在产生的太快了，我们必需加以控制。
　　那么，我们如何控制使得不至于不断产生新的内存呢？答案就是自己写内存池。自己回收利用之前创建过的对象。所以这个章节的内容，我们将重点放在写一个比较好的内存池上。就我自己来讲，在写一份较为系统的功能代码之前，我考虑的首先不是这个框架是该如何的，而是从使用者的角度去考虑，这个代码如何写使用起来才会比较方便，同样也要考虑容易扩展、通用性强、比较安全、减少耦合等等。
本文最后结果显示如下：

3.4.1、从使用者视角给出需求

　　首先，我所希望的这个内存池的代码最后使用应该是这样的。

Bullet a = Pool.Take(); //从池中立刻获取一个单元，如果单元不存在，则它需要为我立刻创建出来。返回一个Bullet脚本以便于后续控制。注意这里使用泛型，也就是说它应该可以兼容任意的脚本类型。
Pool.restore(a);//当使用完成Bullet之后，我可以使用此方法回收这个对象。注意这里实际上我已经把Bullet这个组件的回收等同于某个GameObject（这里是子弹的GameObject）的回收。
　　使用上就差不多是这样了，希望可以有极其简单的方法来进行获取和回收操作。
3.4.2、内存池单元结构

　　最简单的内存池形式，差不多就是两个List，一个处于工作状态，一个处于闲置状态。工作完毕的对象被移动到闲置状态列表，以便于后续的再次获取和利用，形成一个循环。我们这里也会设计一个结构来管理这两个List，用于处理同一类的对象。
　　接下来是考虑内存池单元的形式，我们考虑到内存池单元要尽可能容易扩展，就是可以兼容任意数据类型，也就是说，假设我们的内存池单元定为Pool_Unit，那么它不能影响后续继承它的类型，那我们最好使用接口，一旦使用类，那么就已经无法兼容Unity组件，因为我们自定义的Unity组件全部继承自MonoBehavior。接下来考虑这个内存单元该具有的功能，差不多有两个基本功能要有：

restore();//自己主动回收，为了方便后续调用，回收操作最好自己就有。
getState();//获取状态，这里是指获取当前是处于工作状态还是闲置状态，也是一个标记，用于后续快速判断。因为接口中无法存储单元，这里使用变通的方法，就是留给实现去处理，接口中要求具体实现需要提供一个状态标记。
　　综合内存池单元和状态标记，给出如下代码：
　　



namespace AndrewBox.Pool
{
  public interface Pool_Unit
  {
      Pool_UnitState state();
      void setParentList(object parentList);
      void restore();
  }
  public enum Pool_Type
  {
      Idle,
      Work
  }
  public class Pool_UnitState
  {
      public Pool_Type InPool
      {
          get;
          set;
      }
  }
}

3.4.3、单元组结构

　　接下来考虑单元组，也就是前面所说的针对某一类的单元进行管理的结构。它内部有两个列表，一个工作，一个闲置，单元在工作和闲置之间转换循环。它应该具有以下功能：
创建新单元；使用抽象方法，不限制具体创建方法。对于Unity而言，可能需要从Prefab克隆，那么最好有方法可以从指定的Prefab模板复制创建。
获取单元；从闲置表中查找，找不到则创建。
回收单元；将其子单元进行回收。
　　综合单元组结构的功能，给出如下代码：
　



using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;

namespace AndrewBox.Pool
{
    public abstract class Pool_UnitList<T> where T:class,Pool_Unit
    {
        protected object m_template;
        protected List<T> m_idleList;
        protected List<T> m_workList;
        protected int m_createdNum = 0;
        public Pool_UnitList()
        {
            m_idleList = new List<T>();
            m_workList = new List<T>();
        }



        /// <summary>
        /// 获取一个闲置的单元，如果不存在则创建一个新的
        /// </summary>
        /// <returns>闲置单元</returns>
        public virtual T takeUnit<UT>() where UT:T
        {
            T unit;
            if (m_idleList.Count > 0)
            {
                unit = m_idleList[0];
                m_idleList.RemoveAt(0);
            }
            else
            {
                unit = createNewUnit<UT>();
                unit.setParentList(this);
                m_createdNum++;
            }
            m_workList.Add(unit);
            unit.state().InPool = Pool_Type.Work;
            OnUnitChangePool(unit);
            return unit;
        }
        /// <summary>
        /// 归还某个单元
        /// </summary>
        /// <param name="unit">单元</param>
        public virtual void restoreUnit(T unit)
        {
            if (unit!=null && unit.state().InPool == Pool_Type.Work)
            {
                m_workList.Remove(unit);
                m_idleList.Add(unit);
                unit.state().InPool = Pool_Type.Idle;
                OnUnitChangePool(unit);
            }
        }
        /// <summary>
        /// 设置模板
        /// </summary>
        /// <typeparam name="T"></typeparam>
        /// <param name="template"></param>
        public void setTemplate(object template)
        {
            m_template = template;
        }
        protected abstract void OnUnitChangePool(T unit);
        protected abstract T createNewUnit<UT>() where UT : T;
    }
}

3.4.4、内存池结构

　　内存池是一些列单元组的集合，它主要使用多个单元组具体实现内存单元的回收利用。同时把接口尽可能包装的简单，以便于用户调用，因为用户只与内存池进行打交道。另外，我们最好把内存池做成一个组件，这样便于方便进行初始化、更新（目前不需要，或许未来你需要执行某种更新操作）等工作的管理。这样，我们把内存池结构继承自上个章节的BaseBehavior。获得如下代码：
　　


using AndrewBox.Comp;
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;

namespace AndrewBox.Pool
{
    public abstract class Pool_Base<UnitType, UnitList> : BaseBehavior
        where UnitType : class,Pool_Unit
        where UnitList : Pool_UnitList<UnitType>, new()
    {
        /// <summary>
        /// 缓冲池，按类型存放各自分类列表
        /// </summary>
        private Dictionary<Type, UnitList> m_poolTale = new Dictionary<Type, UnitList>();

        protected override void OnInitFirst()
        {
        }

        protected override void OnInitSecond()
        {

        }

        protected override void OnUpdate()
        {

        }

        /// <summary>
        /// 获取一个空闲的单元
        /// </summary>
        public T takeUnit<T>() where T : class,UnitType
        {
            UnitList list = getList<T>();
            return list.takeUnit<T>() as T;
        }

        /// <summary>
        /// 在缓冲池中获取指定单元类型的列表，
        /// 如果该单元类型不存在，则立刻创建。
        /// </summary>
        /// <typeparam name="T">单元类型</typeparam>
        /// <returns>单元列表</returns>
        public UnitList getList<T>() where T : UnitType
        {
            var t = typeof(T);
            UnitList list = null;
            m_poolTale.TryGetValue(t, out list);
            if (list == null)
            {
                list = createNewUnitList<T>();
                m_poolTale.Add(t, list);
            }
            return list;
        }
        protected abstract UnitList createNewUnitList<UT>() where UT : UnitType;
    }
}

3.4.5、组件化
　　目前为止，上述的结构都没有使用到组件，没有使用到UnityEngine，也就是说它们不受限使用于Unity组件或者普通的类。当然使用起来也会比较麻烦。由于我们实际需要的内存池单元常常用于某种具体组件对象，比如子弹，那么我们最好针对组件进一步实现。也就是说，定制一种适用于组件的内存池单元。同时也定制出相应的单元组，组件化的内存池结构。
　　另外，由于闲置的单元都需要被隐藏掉，我们在组件化的内存池单元中需要设置两个GameObject节点，一个可见节点，一个隐藏节点。当组件单元工作时，其对应的GameObject被移动到可见节点下方（当然你也可以手动再根据需要修改它的父节点）。当组件单元闲置时，其对应的GameObject也会被移动到隐藏节点下方。
　　综合以上，给出以下代码：



using AndrewBox.Comp;
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using UnityEngine;

namespace AndrewBox.Pool
{

    public class Pool_Comp:Pool_Base<Pooled_BehaviorUnit,Pool_UnitList_Comp>
    {
        [SerializeField][Tooltip("运行父节点")]
        protected Transform m_work;
        [SerializeField][Tooltip("闲置父节点")]
        protected Transform m_idle;

        protected override void OnInitFirst()
        {
            if (m_work == null)
            {
                m_work = CompUtil.Create(m_transform, "work");
            }
            if (m_idle == null)
            {
                m_idle = CompUtil.Create(m_transform, "idle");
                m_idle.gameObject.SetActive(false);
            }
        }

        public void OnUnitChangePool(Pooled_BehaviorUnit unit)
        {
            if (unit != null)
            {
                var inPool=unit.state().InPool;
                if (inPool == Pool_Type.Idle)
                {
                    unit.m_transform.SetParent(m_idle);
                }
                else if (inPool == Pool_Type.Work)
                {
                    unit.m_transform.SetParent(m_work);
                }
            }
        }
        protected override Pool_UnitList_Comp createNewUnitList<UT>()
        {
            Pool_UnitList_Comp list = new Pool_UnitList_Comp();
            list.setPool(this);
            return list;
        }


    }
}
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using UnityEngine;

namespace AndrewBox.Pool
{
    public class Pool_UnitList_Comp : Pool_UnitList<Pooled_BehaviorUnit>
    {
        protected Pool_Comp m_pool;
        public void setPool(Pool_Comp pool)
        {
            m_pool = pool;
        }
        protected override Pooled_BehaviorUnit createNewUnit<UT>() 
        {
            GameObject result_go = null;
            if (m_template != null && m_template is GameObject)
            {
                result_go = GameObject.Instantiate((GameObject)m_template);
            }
            else
            {
                result_go = new GameObject();
                result_go.name = typeof(UT).Name;
            }
            result_go.name =result_go.name + "_"+m_createdNum;
            UT comp = result_go.GetComponent<UT>();
            if (comp == null)
            {
                comp = result_go.AddComponent<UT>();
            }
            comp.DoInit();
            return comp;
        }

        protected override void OnUnitChangePool(Pooled_BehaviorUnit unit)
        {
            if (m_pool != null)
            {
                m_pool.OnUnitChangePool(unit);
            }
        }
    }
}
using AndrewBox.Comp;
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;

namespace AndrewBox.Pool
{
    public abstract class Pooled_BehaviorUnit : BaseBehavior, Pool_Unit
    {
        //单元状态对象
        protected Pool_UnitState m_unitState = new Pool_UnitState();
        //父列表对象
        Pool_UnitList<Pooled_BehaviorUnit> m_parentList;
        /// <summary>
        /// 返回一个单元状态，用于控制当前单元的闲置、工作状态
        /// </summary>
        /// <returns>单元状态</returns>
        public virtual Pool_UnitState state()
        {
            return m_unitState;
        }
        /// <summary>
        /// 接受父列表对象的设置
        /// </summary>
        /// <param name="parentList">父列表对象</param>
        public virtual void setParentList(object parentList)
        {
            m_parentList = parentList as Pool_UnitList<Pooled_BehaviorUnit>;
        }
        /// <summary>
        /// 归还自己，即将自己回收以便再利用
        /// </summary>
        public virtual void restore()
        {
            if (m_parentList != null)
            {
                m_parentList.restoreUnit(this);
            }
        }

    }
}

3.4.6、内存池单元具体化
接下来，我们将Bullet具体化为一种内存池单元，使得它可以方便从内存池中创建出来。



using UnityEngine;
using System.Collections;
using AndrewBox.Comp;
using AndrewBox.Pool;

public class Bullet : Pooled_BehaviorUnit 
{
    [SerializeField][Tooltip("移动速度")]
    private float m_moveVelocity=10;
    [SerializeField][Tooltip("移动时长")]
    private float m_moveTime=3;
    [System.NonSerialized][Tooltip("移动计数")]
    private float m_moveTimeTick;
    protected override void OnInitFirst()
    {
    }

    protected override void OnInitSecond()
    {
    }

    protected override void OnUpdate()
    {
        float deltaTime = Time.deltaTime;
        m_moveTimeTick += deltaTime;
        if (m_moveTimeTick >= m_moveTime)
        {
            m_moveTimeTick = 0;
            this.restore();
        }
        else
        {
            var pos = m_transform.localPosition;
            pos.z += m_moveVelocity * deltaTime;
            m_transform.localPosition = pos;
        }
    }
}

3.4.7、内存池的使用
最后就是写一把枪来发射子弹了，这个逻辑也相对简单。为了把内存池做成单例模式并存放在单独的GameObject，我们还需要另外一个单例单元管理器的辅助，一并给出。



using UnityEngine;
using System.Collections;
using AndrewBox.Comp;
using AndrewBox.Pool;

public class Gun_Simple : BaseBehavior 
{

    [SerializeField][Tooltip("模板对象")]
    private GameObject m_bulletTemplate;
    [System.NonSerialized][Tooltip("组件对象池")]
    private Pool_Comp m_compPool;
    [SerializeField][Tooltip("产生间隔")]
    private float m_fireRate=0.5f;
     [System.NonSerialized][Tooltip("产生计数")]
    private float m_fireTick;
    protected override void OnInitFirst()
    {
        m_compPool = Singletons.Get<Pool_Comp>("pool_comps");
        m_compPool.getList<Bullet>().setTemplate(m_bulletTemplate);
    }

    protected override void OnInitSecond()
    {

    }

    protected override void OnUpdate()
    {
        m_fireTick -= Time.deltaTime;
        if (m_fireTick < 0)
        {
            m_fireTick += m_fireRate;
            fire();
        }
    }
    protected void fire()
    {
        Bullet bullet =  m_compPool.takeUnit<Bullet>();
        bullet.m_transform.position = m_transform.position;
        bullet.m_transform.rotation = m_transform.rotation;
    }
}
using AndrewBox.Comp;
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using UnityEngine;

namespace AndrewBox.Comp
{
    /// <summary>
    /// 单例单元管理器
    /// 你可以创建单例组件，每个单例组件对应一个GameObject。
    /// 你可以为单例命名，名字同时也会作为GameObject的名字。
    /// 这些产生的单例一般用作管理器。
    /// </summary>
    public static class Singletons
    {
        private static Dictionary<string, BaseBehavior> m_singletons = new Dictionary<string, BaseBehavior>();
        public static T Get<T>(string name) where T:BaseBehavior
        {

            BaseBehavior singleton = null;
            m_singletons.TryGetValue(name, out singleton);
            if (singleton == null)
            {
                GameObject newGo = new GameObject(name);
                singleton = newGo.AddComponent<T>();
                m_singletons.Add(name, singleton);
            }
            return singleton as T;
        }
        public static void Destroy(string name)
        {
            BaseBehavior singleton = null;
            m_singletons.TryGetValue(name, out singleton);
            if (singleton != null)
            {
                m_singletons.Remove(name);
                GameObject.DestroyImmediate(singleton.gameObject);
            }
        }
        public static void Clear()
        {
            List<string> keys = new List<string>();
            foreach (var key in m_singletons.Keys)
            {
                keys.Add(key);
            }
            foreach (var key in keys)
            {
                Destroy(key);
            }
        }

    }
}

3.4.8、总结
最终，我们写出了所有的代码，这个内存池是通用的，而且整个游戏工程，你几乎只需要这样的一个内存池，就可以管理所有的数量众多且种类繁多的活动单元。而调用处只有以下几行代码即可轻松管理。


        m_compPool = Singletons.Get<Pool_Comp>("pool_comps");//创建内存池
        m_compPool.getList<Bullet>().setTemplate(m_bulletTemplate);//设置模板
        Bullet bullet =  m_compPool.takeUnit<Bullet>();//索取单元
        bullet.restore(); //回收单元

最终当你正确使用它时，你的GameObject内存不会再无限制增长，它将出现类似的下图循环利用。

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