unity undate 和 协程 unity协程原理

Unity协程那些事儿

• 1、什么是协程？
• 2、协程的使用
• 3、关于yield
• 4、关于IEnumerator/IEnumerable
• 5、从IEnumerator/IEnumerable到yield
• 6、Unity协程机制的实现原理
• 7、源码分析
• 8、总结

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1、什么是协程？

用过Unity的应该都知道协程，今天就给大家来讲解下这个简洁又神奇的设计。一般的使用场景就是需要异步执行的时候，比如下载、加载、事件的延时触发等，函数的返回值是IEnumerator类型，开启一个协程只需要调用StartCoroutine即可，之后Unity会在每一次GameLoop的时候调用协程。

官方对协程给出的定义：

A coroutine is a function that is executed partially and, presuming suitable conditions are met, will be resumed at some point in the future until its work is done.

即协程是一个分部执行，遇到条件（yield return 语句）会挂起，直到条件满足才会被唤醒继续执行后面的代码。

稍微形象的解释一下，想象一下，在进行主任务的过程中我们需要一个对资源消耗极大的操作时候，如果在一帧中实现这样的操作，游戏就会变得十分卡顿，这个时候，我们就可以通过协程，在一定帧内完成该工作的处理，同时不影响主任务的进行。

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2、协程的使用

首先通过一个迭代器定义一个返回值为IEnumerator的方法，然后再程序中通过StartCoroutine来开启一个协程即可。

在正式开始代码之前，需要了解StartCoroutine的两种重载方式：

StartCoroutine（string methodName）：这种是没有参数的情况，直接通过方法名（字符串形式）来开启协程。
StartCoroutine（IEnumerator routine）：通过方法形式调用。
StartCoroutine（string methodName，object values):带参数的通过方法名进行调用。

协程开启的方式主要是上面的三种形式，如果你还是不理解，可以查看下面代码：

//通过迭代器定义一个方法
IEnumerator Demo(int i)
{
	//代码块
	yield return null; 
	//代码块
}

//在程序种调用协程
public void Test()
{
	//第一种与第二种调用方式,通过方法名与参数调用
	StartCoroutine("Demo", 1);

	//第三种调用方式， 通过调用方法直接调用
	StartCoroutine(Demo(1));
}

在一个协程开始后，同样会对应一个结束协程的方法StopCoroutine与StopAllCoroutines两种方式，但是需要注意的是，两者的使用需要遵循一定的规则，在介绍规则之前，同样介绍一下关于StopCoroutine重载：

StopCoroutine（string methodName）：通过方法名（字符串）来进行。
StopCoroutine（IEnumerator routine）:通过方法形式来调用。
StopCoroutine(Coroutine routine)：通过指定的协程来关闭。

刚刚我们说到他们的使用是有一定的规则的，规则就是前两种结束协程方法的使用上，如果我们是使用StartCoroutine（string methodName）来开启一个协程的，那么结束协程就只能使用StopCoroutine（string methodName）和StopCoroutine(Coroutine routine)来结束协程，需要有一个对应的关系。

为了给大家更直观的感受，直接看一个Demo。

private void Start()
{
    StartCoroutine(TestEnumerator());
}

private IEnumerator TestEnumerator()
{
    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);
}

上面的执行结果是：

wait for 1s
等待了一秒    
wait for 2s
等待了两秒
wait for 3s
等待了三秒

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3、关于yield

通过这张图可以看出大部分yield位置Update与LateUpdate之间。所以我们可以知道协程的执行时间在每一帧的Update后面，LateUpdate之前。可以自行写下代码，就可清晰知道它们的执行顺序。

再来解释一下位于Update与LateUpdate之间这些yield的含义：

• yield return null; 暂停协程等待下一帧继续执行。
• yield return 0或其他数字; 暂停协程等待下一帧继续执行。
• yield return new WairForSeconds(时间); 等待规定时间后继续执行。
• yield return StartCoroutine("协程方法名");开启一个协程（嵌套协程)。

看了上面的Demo细心的各位有没有这样的疑惑。

• return前面怎么有个yield关键字。
• TestEnumerator函数的返回值是IEnumerator类型但是返回的对象并不是该类型。

为了解释这些问题我们先来看下函数的返回值IEnumerator类型的定义：

public interface IEnumerator
{   
    object Current { get; } 
    bool MoveNext(); 
    void Reset(); 
}

其实，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，编译器会自动根据迭代器块创建了枚举器。

用Reflector反编译看看：

[CompilerGenerated]
private sealed class <TestEnumerator>d__1 : IEnumerator<object>, IEnumerator, IDisposable // 继承 IEnumerator
{
    private int <>1__state;
    private object <>2__current;
    public Test <>4__this;

    [DebuggerHidden]
    public <TestEnumerator>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); // 重点关注 这个赋值;
                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;
        }
    }

    ...
}

从中可以得出：

• 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 <TestEnumerator>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。

到这里，我想代码“停住”与恢复的神秘面纱终于被揭开了。总结下来就是，以能“停住”的地方为分界线，编译器会为不同分区的语句按照功能逻辑生成一个个对应的代码块。yield语句就是这条分界线，想要代码“停住”，就不执行后面语句对应的代码块，想要代码恢复，就接着执行后面语句对应的代码块。而调度上下文的保存，是通过将需要保存的变量都定义成成员变量来实现的。

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4、关于IEnumerator/IEnumerable

首先需要了解协程不是线程，协程依旧是在主线程中进行

然后要知道协程是通过迭代器来实现功能的，通过关键字IEnumerator来定义一个迭代方法，注意使用的是IEnumerator，而不是IEnumerable：

两者之间的区别：
IEnumerator：是一个实现迭代器功能的接口。
IEnumerable：是在IEnumerator基础上的一个封装接口，有一个GetEnumerator()方法返回IEnumerator。

在迭代器中呢，最关键的是yield的使用，这是实现我们协程功能的主要途径，通过该关键方法，可以使得协程的运行暂停、记录下一次启动的时间与位置等等。

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5、从IEnumerator/IEnumerable到yield

c#语言中，迭代器特性最常见的莫过于foreach了。foreach能够对一个实现了IEnumerable接口的对象dataSource进行遍历访问其中的元素。

foreach (var item in dataSource)
{
    Console.WriteLine(item.ToString());
}

foreach的遍历过程可以拆解为：

IEnumerator iterator = dataSource.GetEnumerator(); 
while (iterator.MoveNext()) 
{ 
    Console.WriteLine(iterator.ToString());
}

从名字常来看，IEnumerator是枚举器的意思，IEnumerable是可枚举的意思。
了解了两个接口代表的含义后，接着看看源码：
IEnumerator：

public interface IEnumerator
{
    // Interfaces are not serializable
    // Advances the enumerator to the next element of the enumeration and
    // returns a boolean indicating whether an element is available. Upon
    // creation, an enumerator is conceptually positioned before the first
    // element of the enumeration, and the first call to MoveNext 
    // brings the first element of the enumeration into view.
    // 
    bool MoveNext();

    // Returns the current element of the enumeration. The returned value is
    // undefined before the first call to MoveNext and following a
    // call to MoveNext that returned false. Multiple calls to
    // GetCurrent with no intervening calls to MoveNext 
    // will return the same object.
    // 
    Object Current {
        get; 
    }

    // Resets the enumerator to the beginning of the enumeration, starting over.
    // The preferred behavior for Reset is to return the exact same enumeration.
    // This means if you modify the underlying collection then call Reset, your
    // IEnumerator will be invalid, just as it would have been if you had called
    // MoveNext or Current.
    //
    void Reset();
}

IEnumerable：

public interface IEnumerable
{
    // Interfaces are not serializable
    // Returns an IEnumerator for this enumerable Object.  The enumerator provides
    // a simple way to access all the contents of a collection.
    [Pure]
    [DispId(-4)]
    IEnumerator GetEnumerator();
}

发现IEnumerable只有一个GetEnumerator函数，返回值是IEnumerator类型，从注释我们可以得知IEnumerable代表继承此接口的类可以获取一个IEnumerator来实现枚举这个类中包含的集合中的元素的功能（比如List<T>,ArrayList,Dictionary等继承了IEnumeratble接口的类）。

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6、Unity协程机制的实现原理

协程是一种比线程更轻量级的存在，协程可完全由用户程序控制调度。协程可以通过yield方式进行调度转移执行权，调度时要能够保存上下文，在调度回来的时候要能够恢复。这是不是和上面“停住”，然后又原位恢复的执行效果很像？没错，Unity实现协程的原理，就是通过yield return生成的IEnumerator再配合控制何时触发MoveNext来实现了执行权的调度。

具体而言，Unity每通过MonoBehaviour.StartCoroutine启动一个协程，就会获得一个IEnumerator（StartCoroutine的参数就是IEnumerator，参数是方法名的重载版本也会通过反射拿到该方法对应的IEnumerator）。并在它的游戏循环中，根据条件判断是否要执行MoveNext方法。而这个条件就是根据IEnumerator的Current属性获得的，即yield return返回的值。

在启动一个协程时，Unity会先调用得到的IEnumerator的MoveNext一次，以拿到IEnumerator的Current值。所以每启动一个协程，协程函数会立即执行到第一个yield return处然后“停住”。

对于不同的Current类型（一般是YieldInstruction的子类），Unity已做好了一些默认处理，比如：

• 如果Current是null，就相当于什么也不做。在下一次游戏循环中，就会调用MoveNext。所以yield return null就起到了等待一帧的作用；
• 如果Current是WaitForSeconds类型，Unity会获取它的等待时间，每次游戏循环中都会判断时间是否到了，只有时间到了才会调用MoveNext。所以yield return WaitForSeconds就起到了等待指定时间的作用；
• 如果Current是UnityWebRequestAsyncOperation类型，它是AsyncOperation的子类，而AsyncOperation有isDone属性，表示操作是否完成，只有isDone为true时，Unity才会调用MoveNext。对于UnityWebRequestAsyncOperation而言，只有请求完成了，才会将isDone属性设置为true。

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7、源码分析

Test.cs（Unity逻辑层）:

private void Start()
{
    StartCoroutine(TestEnumerator());
}

在Unity的逻辑层进入StartCoroutine的定义你会看到如下代码：

namespace UnityEngine
{
    public class MonoBehaviour : Behaviour
    {
        // ...
        public Coroutine StartCoroutine(IEnumerator routine);
        public Coroutine StartCoroutine(string methodName);
        // ...
    }
}

发现这些代码已经被封装好编译成了.dll文件，如果想看到具体实现可以在git上获取源码（Unity官方公布了中间层的代码，但是还未公布底层C++的代码）。

MonoBehavior.bindings.cs（Unity中间层）:

当你下载好中间层的源码后发现，最核心的实现StartCoroutineManaged2竟然是个被extern修饰的外部函数。

extern Coroutine StartCoroutineManaged(string methodName, object value);
extern Coroutine StartCoroutineManaged2(IEnumerator enumerator);

public Coroutine StartCoroutine(string methodName)
{
    object value = null;
    return StartCoroutine(methodName, value);
}

public Coroutine StartCoroutine(IEnumerator routine)
{
    if (routine == null)
        throw new NullReferenceException("routine is null");

    if (!IsObjectMonoBehaviour(this))
        throw new ArgumentException("Coroutines can only be stopped on a MonoBehaviour");

    return StartCoroutineManaged2(routine);
}

MonoBehavior.cpp（Unity底层）:
通过各种途径的尝试终于获得了Unity的底层源码 (^o)/，这里因为版权问题大家还是自行从网络渠道获取吧。

MonoBehaviour::StartCoroutineManaged2(ScriptingObjectPtr enumerator)
{
    Coroutine* coroutine = CreateCoroutine(enumerator, SCRIPTING_NULL);
    return 封装过的Coroutine对象;
}

Coroutine* MonoBehaviour::CreateCoroutine(ScriptingObjectPtr userCoroutine, ScriptingMethodPtr method)
{
    获取moveNext;
    获取current;
    
    Coroutine* coroutine = new Coroutine ();
    初始化coroutine对象;    //这个时候就会把moveNext和current传递给coroutine对象
    
    m_ActiveCoroutines.push_back (*coroutine);
    m_ActiveCoroutines.back ().Run ();
    // ...
    return coroutine;
}

Coroutine.cpp（Unity底层）：

void Coroutine::Run ()
{
    // - Call MoveNext (处理迭代器块的逻辑直到遇到yield return)
    // - Call Current (返回一个条件，何时可以执行下一个moveNext)
    
    //根据IEnumerator的特性，首先得调用下MoveNext，这样current就被赋值了
    bool keepLooping = InvokeMoveNext(&exception);    
    
    ProcessCoroutineCurrent();
}

void Coroutine::ProcessCoroutineCurrent()
{
    //调用Current，并从中取出yield return的返回对象monoWait
    ScriptingInvocation invocation(m_Current);
    ...
    ScriptingObjectPtr monoWait = invocation.Invoke(&exception);
   
    //yield return null
    if (monoWait == SCRIPTING_NULL)
    {
        ...
        //wait的时间就是0，相当于等一帧
        CallDelayed (ContinueCoroutine, m_Behaviour, 0.0F, this, 0.0F, CleanupCoroutine, DelayedCallManager::kRunDynamicFrameRate | DelayedCallManager::kWaitForNextFrame);
        return;
    }
    
    HandleIEnumerableCurrentReturnValue(monoWait);
}

void Coroutine::HandleIEnumerableCurrentReturnValue(ScriptingObjectPtr monoWait)
{
    ScriptingClassPtr waitClass = scripting_object_get_class (monoWait, GetScriptingTypeRegistry());
    const CommonScriptingClasses& classes = GetMonoManager ().GetCommonClasses ();
    
    //yield return new WaitForSeconds()
    if (scripting_class_is_subclass_of (waitClass, classes.waitForSeconds))
    {
        float wait;
        通过monoWait获取需要wait的时间;
        CallDelayed(ContinueCoroutine, m_Behaviour, wait, this, 0.0F, CleanupCoroutine, DelayedCallManager::kRunDynamicFrameRate | DelayedCallManager::kWaitForNextFrame);
        return;  
    }
    
    //yield reuturn new WaitForFixedUpdate()
    if (scripting_class_is_subclass_of (waitClass, classes.waitForFixedUpdate))
    {
        CallDelayed (ContinueCoroutine, m_Behaviour, 0.0F, this, 0.0F, CleanupCoroutine, DelayedCallManager::kRunFixedFrameRate);
        return;  
    }
    
    //yield return new WaitForEndOfFrame()
    if (scripting_class_is_subclass_of (waitClass, classes.waitForEndOfFrame))
    {
        CallDelayed (ContinueCoroutine, m_Behaviour, 0.0F, this, 0.0F, CleanupCoroutine, DelayedCallManager::kEndOfFrame);
        return;  
    }
    
    //yield return 另一个协程
    if (scripting_class_is_subclass_of (waitClass, classes.coroutine))
	{
        Coroutine* waitForCoroutine;
        ...
        if(waitForCoroutine->m_DoneRunning)
        {
            ContinueCoroutine(m_Behavoir, this);
            return;
        }
        ...
	    return;  
	}
    
    //yield return www
    if (scripting_class_is_subclass_of (waitClass, classes.www))
    {
        WWW* wwwPtr;
        if(wwwPtr != NULL)
        {
            //WWW类型比较特殊它本身做了类似的处理，它提供了一个方法CallWhenDone，当它完成的时候直接回调Coroutine。
            wwwPtr->CallWhenDone(ContinueCoroutine, m_Behaviour, this, CleanupCoroutine);
        }
        return;  
    }
}

void Coroutine::ContinueCoroutine (Object* o, void* userData)
{
    Coroutine* coroutine = (Coroutine*)userData;
    if((Object*)coroutine->m_Behaviour != o)
    {
        ...
        reutrn;
    }
    coroutine->Run();
}

CallDelayed.cpp（Unity底层）：

//这个枚举型就是下面用到的mode
enum  {
    kRunFixedFrameRate = 1 << 0,
    kRunDynamicFrameRate = 1 << 1,
    kRunStartupFrame = 1 << 2,
    kWaitForNextFrame = 1 << 3,
    kAfterLoadingCompleted = 1 << 4,
    kEndOfFrame = 1 << 5
};

void CallDelayed (DelayedCall *func, PPtr<Object> o, float time, void* userData, float repeatRate, CleanupUserData* cleanup, int mode)
{
    DelayedCallManager::Callback callback;
    
    callback.time = time + GetCurTime ();
    callback.userData = userData;
    callback.call = func;
    callback.cleanup = cleanup;
    callback.object = o;
    callback.mode = mode;
    ...
        
    //将callback保存在DelayedCallManager的Callback List中
    GetDelayedCallManager ().m_CallObjects.insert (callback);
}

void DelayedCallManager::Update (int modeMask)
{
    float time = GetCurTime();
    Container::iterator i = m_CallObjects.begin ();
    
    while (i !=  m_CallObjects.end () && i->time <= time)
    {
        m_NextIterator = i;	m_NextIterator++;
        Callback &cb = const_cast<Callback&> (*i);
        
        // - 确保modeMask匹配
        // - 不执行那些在DelayedCallManager::Update中被添加进来的delayed calls
        if((cb.mode & modeMask) && cb.timeStamp != m_TimeStamp && cb.frame <= frame)
        {
            void* userData = cb.userData;
            DelayedCall* callback = cb.call;
            
            if (!cb.repeat)
            {
                从callback列表中移除即将被执行的callback;
                callback (o, userData);    //执行callback
                清除userData;
            }
            else
            {
                //增加时间后并重新插入callback列表中
                cb.time += cb.repeatRate;
                ...
                m_CallObjects.insert (cb);
                
                从callback列表中移除即将被执行的callback;
                callback (o, userData);    //执行callback
            }
        }
        
        i = m_NextIterator;
    }
}

详细的流程分析：

• C#层调用StartCoroutine方法，将IEnumerator对象（或者是用于创建IEnumerator对象的方法名字符串）传入C++层。
• 通过mono的反射功能，找到IEnuerator上的moveNext、current两个方法，然后创建出一个对应的Coroutine对象，把两个方法传递给这个Coroutine对象。
• 创建好之后这个Coroutine对象会保存在MonoBehaviour一个成员变量List中，这样使得MonoBehaviour具备StopCoroutine功能，StopCoroutine能够找到对应Coroutine并停止。
• 调用这个Coroutine对象的Run方法。
• 在Coroutine.Run中，然后调用一次MoveNext。如果MoveNext返回false，表示Coroutine执行结束，进入清理流程；如果返回true，表示Coroutine执行到了一句yield return处，这时就需要调用invocation(m_Current).Invoke取出yield return返回的对象monoWait，再根据monoWait的具体类型（null、WaitForSeconds、WaitForFixedUpdate等），将Coroutine对象保存到DelayedCallManager的callback列表m_CallObjects中。
• 至此，Coroutine在当前帧的执行即结束。
• 之后游戏运行过程中，游戏主循环的PlayerLoop方法会在每帧的不同时间点以不同的modeMask调用DelayedCallManager.Update方法，Update方法中会遍历callback列表中的Coroutine对象,如果某个Coroutine对象的monoWait的执行条件满足，则将其从callback列表中取出，执行这个Coroutine对象的Run方法，回到之前的执行流程中。

至此，Coroutine的整体流程已经分析完毕，实现原理已经很明朗了。

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8、总结

1、协程只是看起来像多线程一样，其实还是在主线程上执行。
2、协程只是个伪异步，内部的死循环依旧会导致应用卡死。
3、yield是C#的语法糖，和Unity没有关系。
4、避免使用字符串的版本开启一个协程，字符串的版本在运行时要用mono的反射做更多参数检查、函数查询工作，带来性能损失。

Unity的协程是和MonoBehavior进行了绑定的，只能通过MonoBehavior.StartCoroutine开启协程，而在开发中，有些不是继承MonoBehavior的类就无法使用协程了，在这种情况下我们可以自己封装一套协程。在搞清楚Unity协程的实现原理后，想必实现自己的协程也不是难事了，感兴趣的同学赶快行动起来吧。

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[参考]

https://sunweizhe.cn/2020/05/08/深入剖析Unity协程的实现原理

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