江紅偉 吳兆明

摘要：該文從Unity腳本開發(fā)中程序的執(zhí)行方法和途徑為出發(fā)點，著重討論了腳本生命周期中程序從喚醒、開始到序運行再到渲染和GUI層面上的各個函數(shù)的執(zhí)行原理和方法，讓大家能夠清楚地知道繼承于MonoBehaviour類的腳本的行為，進(jìn)而能夠正確理解Unity腳本的執(zhí)行機(jī)會和效率問題。本文還討論了Unity系統(tǒng)中時間系統(tǒng)的問題，讓大家認(rèn)識到幀、秒和速率的關(guān)系。這兩個方面的問題對于初步介入Unity程序開發(fā)領(lǐng)域的開發(fā)者來說是首要需解決的技術(shù)和思維方法的前提。

關(guān)鍵詞：Unity；淺意識；生命周期；函數(shù)；C#

中圖分類號：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）32-0230-03

在Unity開發(fā)項目中，程序算法和邏輯是核心，其他組件的活動都要受到相應(yīng)腳本的控制，這就好比人的大腦控制著其他一切器官的活動。在Unity中，封裝好的游戲腳本都將作為這個游戲物體的組件，并成為這個物體當(dāng)中一部分。它好比神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)貫穿到物體的全身，從而控制物體的各個組件的各個功能。在Unity中物體的常用組件其實就是被封裝好的腳本語言。

控制組件的行為的腳本可大致被分為“淺意識腳本”和“深意識腳本”，繼承于MonoBehaviour類的腳本可以稱之為“淺意識腳本”，幾乎所有的應(yīng)用項目開發(fā)都是基于這種“淺意識腳本”而進(jìn)行的二次開發(fā)；而可以直接在Unity編輯器中運行的腳本，我們可以稱之為“深意識腳本”，它可以用作編輯器本身的功能擴(kuò)展性的高級開發(fā)。

Unity官方提供了三種可執(zhí)行的腳本語言，分別是“Javascript”“C#”和“Boo”，其中C#是屬于強(qiáng)類型語言，而Javascript和Boo屬于弱類型語言。由于在真實開發(fā)中要求較高效率的程序執(zhí)行速度和較好的程序結(jié)構(gòu)，所以大多數(shù)項目開發(fā)都會使用C#進(jìn)行腳本編寫。本次研究中，我也將基于C#進(jìn)行講解。

1 腳本生命周期

在Unity引擎中，程序的執(zhí)行方式是單線程的，并且在大多數(shù)的項目開發(fā)中都是基于“淺意識腳本”的開發(fā)，也就是我們所編寫的程序基本都是繼承于MonoBehaviour類的，所以清楚的理解MonoBehaviour中從腳本喚醒到腳本銷毀的生命周期尤為重要。

和安卓開發(fā)中的Activity生命周期有很多類似的地方，Unity腳本的基本生命周期也是由一些基本的區(qū)塊構(gòu)成的，分別是In Editor Mode（編輯器層面）、Startup（程序開始層面）、Updates（程序運行層面）、Rendering（渲染層面）及GUI（圖形界面層面）。

下面我們首先來了解各個層面下特定函數(shù)的調(diào)用方法和各自的功能區(qū)別。

1.1 In Editor Mode

In Editor Mode（編輯器層面）是指Unity此時處在編輯狀態(tài)，也就是在游戲開始之前的狀態(tài)，這時物體腳本還未被喚醒，僅僅是組件被添加到了物體而已。所以這個狀態(tài)的執(zhí)行時間是先于其他一切層面的。

這個狀態(tài)下可以運行的函數(shù)是Reset，它將在用戶點擊檢視面板中該組件的Reset按鈕或者首次添加該組件時被調(diào)用。如圖1所示，變量xCopies和distance在被點擊檢視面板中該組件的Reset鍵后被初始化為10和1.5。

Reset函數(shù)主要用于初始化腳本中的數(shù)據(jù)，如：初始化一個值類型、初始化一個引用對象等等，這樣做可以讓這些數(shù)據(jù)不會因為后期的人為因素而發(fā)生不可預(yù)計的改變，在一個腳本中起到固定化某些初始參數(shù)的作用。

1.2 Startup

Startup程序開始層面下的函數(shù)有Awake、OnEnable、Start。當(dāng)游戲運行之后，只要當(dāng)前腳本所在的物體被啟用了，即使腳本組件沒有被啟用，Awake和OnEnable都會在將被調(diào)用一次；而Start是在該腳本被啟用之后才調(diào)用一次的。

這里我們著重討論一下Awake和Start的關(guān)系。Awake開始于游戲運行時的第一時間，Start開始于Awake之后、Update之前，他們的主要作用都是給變量賦初值。一般情況下一個腳本里面無須同時具備Awake和Start函數(shù)，如圖2中的代碼，同時具有了Awake和Start函數(shù)結(jié)構(gòu)，因為Start的執(zhí)行時機(jī)是在Awake之后，所以xCopies最終值為15、distance的最終值為2.5，也就是說雖然Awake被執(zhí)行了，但是在瞬間之后就跳轉(zhuǎn)到Start的執(zhí)行結(jié)果了。

假如一個腳本非得同時具有Awake和Start函數(shù)結(jié)構(gòu)，那么也應(yīng)該在Awake和Start分別執(zhí)行不同變量的賦值計算，這樣可以達(dá)到對不同的變量進(jìn)行分類處理的目的。

1.3 Updates

Updates程序運行層面中包含的函數(shù)有FixedUpdate、yieldWaitForFixedUpdate、yieldWaitForSeconds、Update、LateUpdate等。

其中FixedUpdate、yieldWaitForFixedUpdate是基于一個物理時間執(zhí)行一次程序內(nèi)容，這個物理時間可在“Edit”→“Project Setting” →“Time” 中進(jìn)行設(shè)置，默認(rèn)是Fixed TimeStep是0.02秒，這個值就是FixedUpdate和yieldWaitForFixedUpdate的更新頻率。當(dāng)給剛體加一個物理作用力時，就得使用FixedUpdate來調(diào)用程序，如果渲染效率低下時總時間長度內(nèi)調(diào)用的FixedUpdate頻率是固定不變的，這樣就控制好了物體運動速度的唯一性。

Update和LateUpdate是基于每幀更新的函數(shù)，由于Unity中幀的運行速度會根據(jù)渲染速度的快慢而得到不同的幀速度，所以不適用于物理作用力的更新，而適用于一個固定速度、一個位置變化的更新。

這時，發(fā)現(xiàn)物體可以沿著y軸的正軸方向移動，但是運動速度不均勻，這是由于這個y軸的數(shù)值變換值是每一幀都會進(jìn)行一次更新的，而Unity中幀的速率是根據(jù)圖形渲染效率而變快或者變慢的，所以導(dǎo)致了這種情況。為了避免這種情況的發(fā)生，我們應(yīng)該將每幀的運動速度轉(zhuǎn)為每秒的運動速度，這樣就可以讓物體產(chǎn)生勻速運動了。我們只需在速度值后面乘上Time.deltaTime就可以了，但是由于由秒計算的速度要比以幀計算的速度要慢很多，我們還應(yīng)該乘以一個系數(shù)，寫法如下：

Update是實現(xiàn)各種基本游戲行為最常用的函數(shù)，LateUpdate是在所有Update結(jié)束后才調(diào)用的。所以我們可以將正常行為的代碼發(fā)在Update中，而需要滯后行為的代碼放在LateUpdate中。如讓一架相機(jī)跟隨一個角色運動，我們就可以把角色控制代碼放在Update中，讓角色可以預(yù)運動起來；把相機(jī)的控制代碼放到LateUpdate中，讓相機(jī)的運動有一定的滯后性，這樣相機(jī)的動作將更有彈性。

1.4 Rendering和GUI

在程序運行層面運行之后就涉及場景渲染和UI顯示的問題了，渲染層面及圖形界面層面是在Updates之后進(jìn)行每一幀的進(jìn)行更新的。首先我們需要一個相機(jī)來渲染場景，有時我們還需要另一個相機(jī)來渲染圖形界面，這里就涉及如何管理多個相機(jī)，讓它們協(xié)同工作的問題。如圖3中所示，“Main Camera”是主相機(jī)，用來顯示場景；“Canvas”UI容器之下的“UICamera”是專用于圖形界面的相機(jī)。

在主相機(jī)的屬性中，“ClearFlags”用來控制場景背景的顯示方案，分別是天空盒、單色背景、背景透明和不清空。其他三個選項比較好理解，“不清空”起到的作用是可以讓圖形在透明背景中不清除上一幀的渲染圖形，從而形成一個連續(xù)的動態(tài)軌跡效果。在這四個選項中最常用就應(yīng)該是“天空盒”，可以讓背景渲染出豐富的HDRI環(huán)境效果，讓游戲場景可以模擬出一個真實環(huán)境。

在主相機(jī)中，“CullingMask”應(yīng)設(shè)置為“Everything”，這樣就可以讓這個主相機(jī)顯示所有的元素，包括場景和圖形界面；還有一個比較重要的參數(shù)是“Depth”，用他來控制多個相機(jī)的疊加關(guān)系，此參數(shù)值越小代表此相機(jī)的層面越低，如本案例中將主相機(jī)設(shè)為-1，UICamera的對應(yīng)值設(shè)為0，這樣圖形界面就可以渲染覆蓋在場景元素之上。

在UICamera中，將“ClearFlags”設(shè)置為“Depth Only”這樣就可以讓圖形之外的區(qū)域透明化，不至于把整個場景都蓋住；“CullingMask”設(shè)置為“UI”，也就是控制這個相機(jī)只能用來渲染圖形界面；“Depth”剛剛說過應(yīng)該設(shè)置為0，確保圖形界面是覆蓋在場景之上的。

這樣，兩臺相機(jī)就基本做到了各司其職、協(xié)同工作的目的。但是真實的應(yīng)用并不是這么簡單的，我們還需要到“Canvas”這個UI容器里去設(shè)置并了解一些屬性。

首先設(shè)置“RenderMode”，它有三個選項，默認(rèn)選項為“ScreenSpace-Overlay”，這個選項是讓UI的顯示區(qū)域自動以屏幕空間匹配，UI顯示區(qū)域也會自動覆蓋到場景之上，這樣就無需使用UICamera了；我們可以設(shè)置為“ScreenSpace-Camera”，然后將“RenderCamera”設(shè)置為之前創(chuàng)建好的“UICamera”，這樣就讓UI的顯示區(qū)域跟這個UICamera關(guān)聯(lián)起來了，可以使用UICamera的“Depth”屬性來控制UI是渲染在場景物體之上還是之下，如圖4所示：

第三個選項是“WorldSpace”，作用是讓UI圖形區(qū)域在場景世界空間內(nèi)自由的放置。假如有多個Canvas，要控制這些Canvas區(qū)域的前后疊蓋關(guān)系，則可以在“SortingLayer”選項中建立不同的Sorting Layers，被放置在下面的層是疊在最上面被渲染出來的；假如這些Canvas都同屬在同一個Sorting Layers里面，則可以通過“Order in Layer”值控制層疊關(guān)系，數(shù)值大的是疊在上面的。

到這里我們基本了解了Unity中腳本從喚醒、程序開始到程序運行再到渲染和GUI在其生命流程中的基本運行原則和方法，為了更好地理解程序行為的運行方法，我們需要系統(tǒng)來探討一下Unity中的時間體系和關(guān)系。

2 Unity時間體系

在Unity中Time類所提供的都是靜態(tài)函數(shù)，其中又被分為只讀函數(shù)和可修改函數(shù)。

2.1 可修改靜態(tài)函數(shù)

下面我們來探討可修改靜態(tài)函數(shù)。fixedDeltaTime、maximumDeltaTime、timeScale，這三個靜態(tài)變量除了可以在腳本中控制數(shù)值，也可以在系統(tǒng)設(shè)置“ProjectSettings/Time”中直接進(jìn)行修改，如圖5中對應(yīng)的三個參數(shù)設(shè)置：

fixedDeltaTime-以秒計算的每幀時間間隔，代表Unity系統(tǒng)中物理時間上的固定更新速率，更新速率越快表現(xiàn)出的畫面將越流暢、更新速率越慢表現(xiàn)出的畫面將越卡頓。

maximumDeltaTime-以秒計算的一幀中的最大時間間隔，用于控制當(dāng)某一瞬間系統(tǒng)配置消耗過高，導(dǎo)致幀速率降低而出現(xiàn)畫面速度變慢時的時間間隔，以保證畫面速度的流暢性。

timeScale-傳遞時間的縮放，這可以用于減慢或加速運動效果，如在游戲畫面進(jìn)行截屏?xí)r需要快進(jìn)或慢動作，這個數(shù)值將非常有用處。

captureFramerate-也是可修改的靜態(tài)變量，只能在腳本中控制其數(shù)值，數(shù)值為整數(shù)類型。這個函數(shù)的作用和timeScale非常類似，也可以用于形成減速或加速的運動效果，它是指以幀來計算游戲中的物理時間，如數(shù)值為0時代表使用游戲本身的時間體系，也就是關(guān)閉captureFramerate功能；數(shù)值為1時代表每跳一幀游戲中的時間過去了一秒，這將使場景的運動速度非常快；數(shù)值為50時代表每過50幀，游戲時間過去一秒，這將和系統(tǒng)的默認(rèn)速率相差無幾。所以可以通過這個數(shù)值大小來很好的控制游戲速率的快慢。

2.2 不可修改靜態(tài)函數(shù)

現(xiàn)在我們來探討Time類中的不可修改的靜態(tài)函數(shù)。

time、fixedTime和frameCount都是指游戲運行到現(xiàn)在所用的總時間，time、fixedTime它是以秒進(jìn)行計算的，而frameCount是以幀數(shù)計算的。time和fixedTime也是區(qū)別的，time精確到以每幀間隔的秒數(shù)，而fixedTime是精確到系統(tǒng)的物理間隔時間，也就是說它們的精度是不一樣的。所以要正確地使用這兩個靜態(tài)變量就需要清楚time應(yīng)該被應(yīng)用在Update函數(shù)結(jié)構(gòu)中，而fixedTime應(yīng)該被應(yīng)用在FixedUpdate函數(shù)結(jié)構(gòu)中。

realtimeSinceStartup是指游戲開始到現(xiàn)在總共消耗的秒數(shù)，包括游戲暫停的時間，而上面談到的三個靜態(tài)變量對于游戲暫停的時間是忽略不計的。

unscaledTime是在忽略TimeScale之后游戲運行到現(xiàn)在所用的總時間

timeSinceLevelLoad-是目前已加載完成的關(guān)卡所使用的時間，它也是以應(yīng)該被秒進(jìn)行計算的。

deltaTime和smoothDeltaTime類似，都是在計算一幀所需花費的時間。deltaTime是以秒計算完成上一幀所需要的時間，這是一個最常用的時間變量，如當(dāng)表達(dá)勻速速度時讓速度變量乘以此變量，就可以讓原來不穩(wěn)定的速度轉(zhuǎn)變成以秒計算的均勻的速度，如1.3章節(jié)中代碼部分所示的關(guān)系；smoothDeltaTime是對最近的幾幀所消耗的時間進(jìn)行平均化計算而得到的一幀所需的秒數(shù)。

unscaleDeltaTime是在忽略TimeScale之后完成上一幀所需要的時間。

3 總結(jié)

目前游戲開發(fā)及虛擬現(xiàn)實行業(yè)正在迅速崛起，逐漸茁壯成長為具有廣闊前景的新興市場。市場也需要Unity3D作為主流的技術(shù)支撐，所以我們應(yīng)該順應(yīng)市場發(fā)展的需求積極主動地掌握Unity3D技術(shù)、技巧，以謀求作為編程技術(shù)人員的更好的發(fā)展空間。

Unity3D技術(shù)發(fā)展市場潛力巨大，其版本更替推陳出新，目前的2018版已構(gòu)建了可編輯渲染管線，加強(qiáng)了下一代渲染技術(shù)；優(yōu)化了輕量級渲染管線LWRP的性能，增強(qiáng)了高清晰渲染管線HDRP效果，從而幫助了開發(fā)者實現(xiàn)高端視覺效果；還增強(qiáng)了對Android、iOS、MacOS、Windows、PS4和UWP的IL2CPP托管代碼調(diào)試的支持，為移動端提供了輕量級渲染管線LWRP的優(yōu)化。

作為有一定程序開發(fā)經(jīng)驗和圖形基礎(chǔ)的程序開發(fā)者，想要從其他的程序開發(fā)領(lǐng)域進(jìn)入到Unity3D程序開發(fā)領(lǐng)域，首先要解決就是Unity3D腳本執(zhí)行原理和時間管理體系。只有透徹的理解這兩個部分的知識才有可能取得對Unity3D編程的更深層次的發(fā)展。作者著此文，希望能夠?qū)nity3D學(xué)習(xí)者起到拋磚引玉的效果，開啟Unity3D程序設(shè)計之門。

參考文獻(xiàn)：

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【通聯(lián)編輯：張薇】