Unity游戲開發(fā)的性能衡量方法

我們需要一個(gè)測(cè)試場(chǎng)景。理想地涵蓋高性能和低性能情況的一種。我建議我們通過(guò)將越來(lái)越多的核子融合在一起來(lái)創(chuàng)建原子核。隨著細(xì)胞核變大，性能會(huì)變差。

核子將是簡(jiǎn)單的球體，將被吸引到場(chǎng)景的中心，在那里它們會(huì)聚成一個(gè)球。這當(dāng)然不是原子的正確表示，但這不是重點(diǎn)。

我們可以使用默認(rèn)球體和自定義Nucleon組件對(duì)核子建模。該組件可確保將剛體附著到其對(duì)象，然后將其簡(jiǎn)單地拉向原點(diǎn)。拉力的強(qiáng)度取決于可配置的吸引力和距中心的距離。

using UnityEngine;
[RequireComponent(typeof(Rigidbody))]public class Nucleon : MonoBehaviour {
  public float attractionForce;
  Rigidbody body;
  void Awake () {    body = GetComponent<Rigidbody>();  }    void FixedUpdate () {    body.AddForce(transform.localPosition * -attractionForce);  }}

缺少某些訪問(wèn)修飾符？

     

是的，我現(xiàn)在省略了字段和方法聲明中的private修飾符，因?yàn)槟J(rèn)情況下它們是私有的。讓我們看看它如何進(jìn)行，無(wú)論它是否令人困惑。

使用球體創(chuàng)建兩個(gè)核子預(yù)制體，一個(gè)用于質(zhì)子，另一個(gè)用于中子。為每種材料提供不同的材料，以使它們看起來(lái)不同。我們只滿足一種核子類型就足夠了，但是這很無(wú)聊。

什么是預(yù)制件？

     

預(yù)制件是場(chǎng)景中不存在且尚未激活的Unity對(duì)象（或?qū)ο髮哟危?。您將其用作模板，?chuàng)建它的克隆并將其添加到場(chǎng)景中。要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)對(duì)象，請(qǐng)照常在場(chǎng)景中構(gòu)造一個(gè)對(duì)象，然后將其拖到項(xiàng)目窗口中。場(chǎng)景對(duì)象將成為預(yù)制實(shí)例，如果不再需要它可以將其刪除。

要生成這些核子，我們需要?jiǎng)?chuàng)建另一個(gè)組件NucleonSpawner。它需要知道生成之間的時(shí)間間隔，離生成中心有多遠(yuǎn)以及生成什么。

using UnityEngine;
public class NucleonSpawner : MonoBehaviour {
  public float timeBetweenSpawns;
  public float spawnDistance;
  public Nucleon[] nucleonPrefabs;}

創(chuàng)建一個(gè)空的游戲?qū)ο?，附加一個(gè)NucleonSpawner組件，然后根據(jù)需要對(duì)其進(jìn)行配置。

核子生成器。      

要定期生成，我們需要跟蹤自上次生成以來(lái)的時(shí)間。我們可以用一種簡(jiǎn)單的FixedUpdate方法來(lái)做到這一點(diǎn)。

float timeSinceLastSpawn;
  void FixedUpdate () {    timeSinceLastSpawn += Time.deltaTime;    if (timeSinceLastSpawn >= timeBetweenSpawns) {      timeSinceLastSpawn -= timeBetweenSpawns;      SpawnNucleon();    }  }

為什么要使用FixedUpdate而不是Update？

     

使用FixedUpdate使產(chǎn)生的幀與幀速率無(wú)關(guān)。如果配置的生成之間的時(shí)間短于幀時(shí)間，則使用Update會(huì)導(dǎo)致生成延遲。并且由于此場(chǎng)景的重點(diǎn)是降低我們的幀速率，因此將發(fā)生這種情況。

您可以使用while循環(huán)而不是if檢查來(lái)追趕錯(cuò)過(guò)的生成，但是當(dāng)timeSinceLastSpawn意外將其設(shè)置為零時(shí)，這將導(dǎo)致無(wú)限的產(chǎn)卵循環(huán)。將產(chǎn)卵限制為每個(gè)固定時(shí)間步一次是明智的限制。

實(shí)際的生成包括三個(gè)步驟。挑選一個(gè)隨機(jī)的預(yù)制件，實(shí)例化它，并在所需的距離上給它一個(gè)隨機(jī)的位置。

void SpawnNucleon () {    Nucleon prefab = nucleonPrefabs[Random.Range(0, nucleonPrefabs.Length)];    Nucleon spawn = Instantiate<Nucleon>(prefab);    spawn.transform.localPosition = Random.onUnitSphere * spawnDistance;  }

 

播放此場(chǎng)景應(yīng)導(dǎo)致球體朝中心射擊。它們會(huì)過(guò)一會(huì)兒，直到彼此碰撞到形成一個(gè)球?yàn)橹埂＿@個(gè)球?qū)⒗^續(xù)增長(zhǎng)，物理計(jì)算將變得更加復(fù)雜，并且在某些時(shí)候您會(huì)注意到幀速率下降。

如果花費(fèi)太長(zhǎng)時(shí)間才能看到性能下降，則可以提高生成速度。通過(guò)增加時(shí)間比例來(lái)加快時(shí)間也可以。您可以通過(guò)“ 編輯” /“項(xiàng)目設(shè)置” /“時(shí)間”找到它。您還可以減少固定時(shí)間步長(zhǎng)，這將導(dǎo)致每秒更多的物理計(jì)算。

統(tǒng)一時(shí)間設(shè)置。            

為什么在低時(shí)標(biāo)下運(yùn)動(dòng)不流暢？

當(dāng)時(shí)間刻度設(shè)置為較低的值（例如0.1）時(shí)，時(shí)間將非常緩慢地移動(dòng)。由于固定時(shí)間步長(zhǎng)是恒定的，因此這意味著物理系統(tǒng)的更新頻率將降低。因此，物理對(duì)象將保持不動(dòng)，直到發(fā)生固定的更新（每隔幾幀僅更新一次）。

您可以通過(guò)增加時(shí)間刻度來(lái)減小固定時(shí)間步長(zhǎng)來(lái)解決此問(wèn)題?；蛘撸梢愿膭傮w部件的插值模式，以便它們?cè)谖锢聿襟E之間插值，從而隱藏了較低的更新頻率。

現(xiàn)在我們有了一個(gè)最終會(huì)降低任何機(jī)器的幀速率的場(chǎng)景，是時(shí)候測(cè)量實(shí)際性能了。您最快可以做的就是啟用游戲視圖的統(tǒng)計(jì)信息疊加。

游戲視圖統(tǒng)計(jì)信息疊加層。      

但是，那里顯示的幀速率根本不準(zhǔn)確，更像是一個(gè)粗略的猜測(cè)。通過(guò)Window / Profiler打開Unity的探查器，我們可以做得更好。探查器為我們提供了許多有用的信息，尤其是CPU使用率和內(nèi)存數(shù)據(jù)。

分析器，顯示大量的vsync時(shí)間。      

如果啟用了vsync，則一開始它可能會(huì)主導(dǎo)CPU圖形。為了更好地了解場(chǎng)景需要多少CPU資源，請(qǐng)關(guān)閉vsync。您可以通過(guò)“ 編輯” /“項(xiàng)目設(shè)置” /“質(zhì)量”執(zhí)行此操作。它位于“ 其他”標(biāo)題下的底部。

沒(méi)有更多的vsync。    

我現(xiàn)在的幀率非常高！

     

如果沒(méi)有vsync，則對(duì)于簡(jiǎn)單的場(chǎng)景，可能會(huì)獲得很高的幀速率，甚至超過(guò)100。這會(huì)給硬件造成不必要的壓力。您可以通過(guò)設(shè)置Application.targetFrameRate屬性通過(guò)代碼強(qiáng)制使用最大幀速率來(lái)防止這種情況。請(qǐng)注意，即使退出播放模式，此設(shè)置仍會(huì)保留在編輯器中。將其設(shè)置為-1將消除限制。

現(xiàn)在，您可以更好地了解CPU使用情況。在我的情況下，物理需要最多的時(shí)間，接著是渲染，然后是我的腳本。即使一切隨著球體數(shù)量的增加而變慢，這種情況也將在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)保持不變。

沒(méi)有vsync的探查器。      

我們還有兩個(gè)意想不到的發(fā)現(xiàn)。首先，偶爾會(huì)有CPU使用率飆升。其次，內(nèi)存圖顯示了頻繁的GC分配峰值，這表明存在正在分配并隨后釋放的內(nèi)存。由于我們只是在創(chuàng)建新對(duì)象而從不丟棄任何東西，所以這很奇怪。

這兩種現(xiàn)象都是由Unity編輯器引起的。每當(dāng)在編輯器中選擇某些內(nèi)容時(shí)，就會(huì)發(fā)生CPU峰值。內(nèi)存分配是由編輯器調(diào)用GameView.GetMainGameViewRenderRect引起的。還有額外的開銷，特別是如果同時(shí)顯示游戲視圖和場(chǎng)景視圖。簡(jiǎn)而言之，編輯器本身會(huì)干擾我們的測(cè)量。

您仍然可以從編輯器內(nèi)分析中獲得大量有用的信息，但是如果您想從測(cè)量中消除編輯器本身，則必須進(jìn)行獨(dú)立構(gòu)建。如果您進(jìn)行開發(fā)，甚至在運(yùn)行應(yīng)用程序時(shí)自動(dòng)連接到探查器，您仍然可以使用探查器。您可以通過(guò)“ 文件/構(gòu)建設(shè)置”進(jìn)行配置...

附加到獨(dú)立應(yīng)用程序的探查器。      

對(duì)獨(dú)立構(gòu)建進(jìn)行概要分析時(shí)，數(shù)據(jù)看起來(lái)完全不同?，F(xiàn)在，內(nèi)存分配僅由產(chǎn)生的核子引起，并且不再發(fā)生垃圾回收。就我而言，渲染需要花費(fèi)更多時(shí)間，因?yàn)槲沂窃谌聊Ｊ较逻\(yùn)行應(yīng)用程序，而不是在小游戲視圖中運(yùn)行。此外，腳本是如此微不足道，以至于它們甚至在圖形中都不可見。

探查器為我們提供了有用的信息，但仍然不能很好地衡量幀速率。顯示的FPS數(shù)僅是1除以CPU時(shí)間，這不是我們得到的實(shí)際幀速率。因此，讓我們自己衡量一下。

我們需要一個(gè)簡(jiǎn)單的組件來(lái)告訴我們應(yīng)用程序正在運(yùn)行的當(dāng)前每秒幀數(shù)。一個(gè)公共財(cái)產(chǎn)就足夠了。我們將其設(shè)為整數(shù)，因?yàn)槲覀儗?shí)際上不需要小數(shù)精度。

using UnityEngine;
public class FPSCounter : MonoBehaviour {
  public int FPS { get; private set; }}

該屬性如何運(yùn)作？

     

請(qǐng)記住，屬性是偽裝成字段的方法。我們提供FPS作為公共信息，但只有組件本身需要更新值。使用的語(yǔ)法是自動(dòng)生成的屬性的簡(jiǎn)寫形式，看起來(lái)像這樣。

  int fps;  public int FPS {    get { return fps; }    private set { fps = value; }  }

這個(gè)簡(jiǎn)寫不適用于Unity的序列化，但這很好，因?yàn)槲覀內(nèi)匀徊恍枰４鍲PS值。

我們通過(guò)將1除以當(dāng)前幀的時(shí)間增量來(lái)測(cè)量每次更新的每秒幀數(shù)。我們將結(jié)果轉(zhuǎn)換為整數(shù)，有效地四舍五入。

void Update () {    FPS = (int)(1f / Time.deltaTime);  }

但是，這種方法存在問(wèn)題。時(shí)間增量不是處理最后一幀所花費(fèi)的實(shí)際時(shí)間，它受當(dāng)前時(shí)間比例的影響。這意味著除非將時(shí)間標(biāo)度設(shè)置為1，否則我們的FPS將是錯(cuò)誤的。幸運(yùn)的是，我們還可以向Unity請(qǐng)求未標(biāo)度的時(shí)間增量。

  void Update () {    FPS = (int)(1f / Time.unscaledDeltaTime);  }

需要某種UI來(lái)顯示FPS。讓我們使用Unity的UI。創(chuàng)建一個(gè)內(nèi)部帶有面板的畫布，該面板又包含一個(gè)文本對(duì)象。這些可以通過(guò)GameObject / UI子菜單添加。添加畫布時(shí)，您還將獲得一個(gè)EventSystem對(duì)象來(lái)處理用戶輸入，但是我們不需要它，因此可以將其刪除。

我使用了默認(rèn)的畫布設(shè)置，除了我將其設(shè)置為像素完美。

像素完美的畫布。      

該面板用于為FPS標(biāo)簽創(chuàng)建半透明的黑色背景。這樣，它將始終可讀。我把它放在窗口的左上角。將其錨點(diǎn)設(shè)置為左上角，以便無(wú)論窗口的大小如何都將其保留在適當(dāng)?shù)奈恢?。將其樞軸設(shè)置為（0,1），以方便放置。

用類似的方法將標(biāo)簽放置在面板內(nèi)。將其設(shè)為水平和垂直居中的白色粗體文本。設(shè)計(jì)整個(gè)內(nèi)容，使其恰好適合兩位數(shù)。

構(gòu)建UI。      

現(xiàn)在我們需要將FPS值綁定到標(biāo)簽。為此，我們創(chuàng)建一個(gè)組件。它需要一個(gè)FPSCounter組件來(lái)從中檢索值，并需要引用UnityEngine.UI命名空間中的Text標(biāo)簽以將值分配給它。

using UnityEngine;using UnityEngine.UI;
[RequireComponent(typeof(FPSCounter))]public class FPSDisplay : MonoBehaviour {
  public Text fpsLabel;}

將此組件添加到面板中并進(jìn)行連接。我們將其附加到面板上，因?yàn)檫@是整個(gè)FPS顯示屏，而不是標(biāo)簽。稍后我們將包含更多標(biāo)簽。

設(shè)置顯示器。      

顯示組件只需在每一幀更新標(biāo)簽的文本。讓我們緩存對(duì)計(jì)數(shù)器的引用，這樣就不必每次都調(diào)用GetComponent。

FPSCounter fpsCounter;
  void Awake () {    fpsCounter = GetComponent<FPSCounter>();  }
  void Update () {    fpsLabel.text = fpsCounter.FPS.ToString();  }

FPS標(biāo)簽現(xiàn)在正在更新！但是，由于我們將其設(shè)計(jì)為兩位數(shù)，因此只要我們的幀速率超過(guò)99每秒，它就會(huì)顯示無(wú)用的值。因此，讓我們限制顯示的值。無(wú)論如何，99以上的表現(xiàn)都足夠好。

  void Update () {    fpsLabel.text =Mathf.Clamp(fpsCounter.FPS, 0, 99).ToString();  }

現(xiàn)在我們可以看到幀速率。      

現(xiàn)在一切似乎都可以正常工作，但是存在一個(gè)細(xì)微的問(wèn)題。現(xiàn)在，我們?cè)诿看胃聲r(shí)都創(chuàng)建一個(gè)新的字符串對(duì)象，在下次更新時(shí)將其丟棄。這會(huì)污染托管內(nèi)存，這將觸發(fā)垃圾回收器。盡管這對(duì)于臺(tái)式機(jī)應(yīng)用程序來(lái)說(shuō)并不是什么大問(wèn)題，但對(duì)于幾乎沒(méi)有可用內(nèi)存的設(shè)備而言，這更為麻煩。它還會(huì)污染我們的探查器數(shù)據(jù)，這在您尋找分配時(shí)很煩人。

我們可以擺脫這些臨時(shí)字符串嗎？我們顯示的值可以是0到99之間的任何整數(shù)。這是100個(gè)不同的字符串。為什么不一次創(chuàng)建所有這些字符串并重用它們，而不是始終重新創(chuàng)建相同的內(nèi)容？

static string[] stringsFrom00To99 = {    "00", "01", "02", "03", "04", "05", "06", "07", "08", "09",    "10", "11", "12", "13", "14", "15", "16", "17", "18", "19",    "20", "21", "22", "23", "24", "25", "26", "27", "28", "29",    "30", "31", "32", "33", "34", "35", "36", "37", "38", "39",    "40", "41", "42", "43", "44", "45", "46", "47", "48", "49",    "50", "51", "52", "53", "54", "55", "56", "57", "58", "59",    "60", "61", "62", "63", "64", "65", "66", "67", "68", "69",    "70", "71", "72", "73", "74", "75", "76", "77", "78", "79",    "80", "81", "82", "83", "84", "85", "86", "87", "88", "89",    "90", "91", "92", "93", "94", "95", "96", "97", "98", "99"  };    void Update () {    fpsLabel.text =stringsFrom00To99[Mathf.Clamp(fpsCounter.FPS, 0, 99)];  }

通過(guò)使用可能需要的每個(gè)數(shù)字的固定字符串表示形式數(shù)組，我們消除了所有臨時(shí)字符串分配！

每幀更新FPS值會(huì)有不利的副作用。當(dāng)幀頻不穩(wěn)定時(shí)，標(biāo)簽將不斷波動(dòng)，從而難以獲得有用的讀數(shù)。我們只能偶爾更新一次標(biāo)簽，但是這樣一來(lái)，我們就不會(huì)再對(duì)幀頻的表現(xiàn)有任何印象。

一種可能的解決方案是平均幀速率，以平滑突然變化的影響，產(chǎn)生較小的抖動(dòng)值。讓我們進(jìn)行調(diào)整FPSCounter，使其在可配置的幀范圍內(nèi)執(zhí)行此操作。將此值設(shè)置為1等于根本不求平均值，因此實(shí)際上是可選的。

public int frameRange = 60;

可配置的幀范圍。      

讓我們將屬性名稱從更改FPS為AverageFPS，因?yàn)檫@是對(duì)其現(xiàn)在表示的值的更好描述。您可以使用IDE重構(gòu)名稱，也可以手動(dòng)更新顯示組件以使用新名稱。

  public intAverageFPS{ get; private set; }

現(xiàn)在，我們需要一個(gè)緩沖區(qū)來(lái)存儲(chǔ)多個(gè)幀的FPS值，以及一個(gè)索引，以便我們知道將下一幀的數(shù)據(jù)放在何處。

int[] fpsBuffer;  int fpsBufferIndex;

初始化此緩沖區(qū)時(shí)，請(qǐng)確保該frameRange值至少為1，并將索引設(shè)置為0。

void InitializeBuffer () {    if (frameRange <= 0) {      frameRange = 1;    }    fpsBuffer = new int[frameRange];    fpsBufferIndex = 0;  }

該Update方法變得有點(diǎn)復(fù)雜。它是從初始化緩沖區(qū)（如果需要）開始的，這可能是因?yàn)槲覀儎倓倖?dòng)，還是因?yàn)?code>frameRange已更改。然后必須更新緩沖區(qū)，然后才能計(jì)算平均FPS。

  void Update () {    if (fpsBuffer == null || fpsBuffer.Length != frameRange) {      InitializeBuffer();    }    UpdateBuffer();    CalculateFPS();  }

通過(guò)將當(dāng)前FPS存儲(chǔ)在當(dāng)前索引處來(lái)完成對(duì)緩沖區(qū)的更新，然后將其遞增。

void UpdateBuffer () {    fpsBuffer[fpsBufferIndex++] = (int)(1f / Time.unscaledDeltaTime);  }

但是我們很快就會(huì)填滿整個(gè)緩沖區(qū)，然后呢？在添加新值之前，我們必須丟棄最舊的值。我們可以將所有值移動(dòng)一個(gè)位置，但是平均值并不關(guān)心值的順序。因此，我們可以將索引回繞到數(shù)組的開頭。這樣，一旦緩沖區(qū)被填滿，我們總是用最新的值覆蓋最舊的值。

  void UpdateBuffer () {    fpsBuffer[fpsBufferIndex++] = (int)(1f / Time.unscaledDeltaTime);    if (fpsBufferIndex >= frameRange) {      fpsBufferIndex = 0;    }  }

計(jì)算平均值是將緩沖區(qū)中的所有值相加并除以值量的簡(jiǎn)單問(wèn)題。

void CalculateFPS () {    int sum = 0;    for (int i = 0; i < frameRange; i++) {      sum += fpsBuffer[i];    }    AverageFPS = sum / frameRange;  }

現(xiàn)在，我們的平均幀速率有效，并且在合理的幀范圍內(nèi)，輕松獲得良好的閱讀效果非常容易。但是我們可以做得更好。由于我們現(xiàn)在具有來(lái)自多個(gè)幀的數(shù)據(jù)，因此我們也可以公開此范圍內(nèi)的最高和最低FPS。這給了我們比平均值更多的信息。

public int HighestFPS { get; private set; }  public int LowestFPS { get; private set; }

我們可以在計(jì)算總和的同時(shí)找到這些值。

  void CalculateFPS () {    int sum = 0;    int highest = 0;    int lowest = int.MaxValue;    for (int i = 0; i < frameRange; i++) {      int fps =fpsBuffer[i];      sum +=fps;      if (fps > highest) {        highest = fps;      }      if (fps < lowest) {        lowest = fps;      }    }    AverageFPS = sum / frameRange;    HighestFPS = highest;    LowestFPS = lowest;  }

現(xiàn)在，我們的FPSDisplay組件可以綁定兩個(gè)附加標(biāo)簽。

  public Text highestFPSLabel, averageFPSLabel, lowestFPSLabel;
  void Update () {    highestFPSLabel.text =      stringsFrom00To99[Mathf.Clamp(fpsCounter.HighestFPS, 0, 99)];    averageFPSLabel.text =      stringsFrom00To99[Mathf.Clamp(fpsCounter.AverageFPS, 0, 99)];    lowestFPSLabel.text =      stringsFrom00To99[Mathf.Clamp(fpsCounter.LowestFPS, 0, 99)];  } 

在用戶界面中再添加兩個(gè)標(biāo)簽，然后將它們?nèi)窟B接起來(lái)。我將最高FPS放在頂部，將最低FPS放在底部，將平均FPS放在中間。

更多信息，更少抖動(dòng)。      

作為FPS標(biāo)簽的最后修飾，我們可以為它們著色。這可以通過(guò)將顏色與FPS值關(guān)聯(lián)來(lái)完成。這樣的關(guān)聯(lián)可以用自定義結(jié)構(gòu)表示。

[System.Serializable]  private struct FPSColor {    public Color color;    public int minimumFPS;  }

作為FPSDisplay唯一將使用此結(jié)構(gòu)的東西，我們將struct定義直接放在該類內(nèi)，并將其私有化，這樣它就不會(huì)顯示在全局名稱空間中。使它可序列化，以便可以由Unity編輯器公開。

現(xiàn)在添加這些結(jié)構(gòu)的數(shù)組，以便我們可以配置FPS標(biāo)簽的顏色。我們通常會(huì)為此添加一個(gè)公共字段，但是由于結(jié)構(gòu)本身是私有的，因此我們不能這樣做。因此，也將數(shù)組設(shè)為私有并為其賦予SerializeField屬性，以便Unity在編輯器中公開并保存它。

[SerializeField]  private FPSColor[] coloring;

繼續(xù)添加一些顏色！確保至少有一個(gè)條目，從最高FPS到最低FPS進(jìn)行排序，最后一個(gè)條目為0 FPS。

染色。      

在將顏色應(yīng)用于標(biāo)簽之前，Update通過(guò)引入一個(gè)單獨(dú)的Display方法來(lái)調(diào)整方法，以調(diào)整單個(gè)標(biāo)簽。

  void Update () {    Display(highestFPSLabel,fpsCounter.HighestFPS);    Display(averageFPSLabel,fpsCounter.AverageFPS);    Display(lowestFPSLabel,fpsCounter.LowestFPS);  }
  void Display (Text label, int fps) {    label.text = stringsFrom00To99[Mathf.Clamp(fps, 0, 99)];  }

可以通過(guò)遍歷陣列直到找到某種顏色的最低FPS來(lái)找到正確的顏色。然后設(shè)置顏色并跳出循環(huán)。

  void Display (Text label, int fps) {    label.text = stringsFrom00To99[Mathf.Clamp(fps, 0, 99)];    for (int i = 0; i < coloring.Length; i++) {      if (fps >= coloring[i].minimumFPS) {        label.color = coloring[i].color;        break;      }    }  }

為什么我的標(biāo)簽消失了？

     

默認(rèn)顏色的所有四個(gè)通道都設(shè)置為零。這包括控制不透明度的Alpha通道。如果您尚未更改Alpha通道，則將獲得完全透明的標(biāo)簽。