Unity将来时：IL2CPP是什么？

Posted 2020-08-26 oayx

作者：小玉
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来源：知乎
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Unity3D 想必大家都不陌生，独立游戏制作者们很多人都在用它，甚至一些大公司也用在很商业的游戏制作上。Unity3D最大的一个特点是一次制作，多平台部署，而 这一核心功能是靠Mono实现的。可以说Mono是Unity3D核心的核心，是Unity3D跨平台的根本。但是在2014年年中的时 候，Unity3D官方博客上却发了一篇“The future of scripting in unity”的文章，引出了IL2CPP的概念，感觉有取代Mono之势。那什么是IL2CPP，它能为Unity3D和作为使用Unity3D的我们带来哪些好处和改变？这就是本文尝试说明的。

C#，.Net Framework
我 们先说说IL2CPP试图取代的Mono。在说Mono之前，不得不提C#语言和背后的.Net Framework。C#是微软推出的一种基于.NET框架的、面向对象的高级编程语言。C#的发音为“see sharp”，模仿音乐上的音名“C?”（C调升），是C语言的升级的意思。其正确写法应和音名一样为“C?”。C#由C语言和C++派生而来，继承了其 强大的性能，同时又以.NET框架类库作为基础，拥有类似Visual Basic的快速开发能力。C#由安德斯·海尔斯伯格主持开发，微软在2000年发布了这种语言。说到安德斯·海尔斯伯格这里要多说一句，当年和VC（注 意，是VC，那个时候还没有Visual Studio）齐名还有另外一家公司的IDE也非常流行，那就是Borland公司的Delphi，也是由安德斯·海尔斯伯格主导开发的。

他 后来被微软挖走，创建了J++，一门类似Java的语言（好吧，以我肤浅的知识认为，那基本就是照着Java做的）。后来由于和Sun公司授权的原因，微 软在2001年停止了J++的开发而推出了C# 1.0。说来要感谢和Sun的这场官司，否则微软也不会有C#，J++也可能一直会跟随Java的脚步。相反C#经过不断的进化，从1.0开始到4.0和 最新的5.0，C#已经远远甩开Java几条街了（还是以我个人的使用Java和C#感觉而言，关于两门语言的比较，无论是效率上，夸平台上，还是语言易 用性上，社区活跃度上，网上的争论随处可见，每个人都有自己的看法，这也不是本文的重点）。

Mono，Mono VM
C#虽好，但是只能在Windows上运行，微软那时候也没有将其开源，所以总是会有人说不能跨平台，光就这点，C#和Java就不能比呀。

微 软公司已经向ECMA申请将C#作为一种标准。在2001年12月，ECMA发布了ECMA-334 C#语言规范。C#在2003年成为一个ISO标准（ISO/IEC 23270）。这意味着只要你遵守CLI（Common Language Infrastructure），第三方可以将任何一种语言实现到.Net平台之上。Mono就是在这种环境下诞生的。

Mono是一个由 Xamarin公司（先前是Novell,最早为Ximian）所主持的自由开放源代码项目。该项目的目标是创建一系列符合ECMA标准（Ecma- 334和Ecma-335）的.NET工具，包括C#编译器和通用语言架构。与微软的.NET Framework（共通语言运行平台）不同，Mono项目不仅可以运行于Windows系统上，还可以运行于 Linux，FreeBSD，Unix，OS X和Solaris，甚至一些游戏平台，例如：Playstation 3，Wii或XBox 360之上。Mono使得C#这门语言有了很好的跨平台能力。相对于微软的.Net Framework运行时库Mono使用自己的Mono VM作为运行时库。 加上C#本身快速友好的开发能力，最终使得Unity团队在创建之初就决定将Mono，C#作为其核心。（嗯，这是我猜的）

有 人也许会说，Unity还支持javascript和Boo呢,不光光只有C#一门语言。首先我要纠正的是，在Unity中的JavaScript严格意 义上说并不是W3C规范中的JavaScript，它正确的名字叫做Unity Script，其实是从Boo演变过来的（这样大家就能理解为啥在3门语言中，Boo用的人最少，但是却还一直存在的原因了吧）。我认为是Unity开始 为了让更多的人能够快速的上手，特别是考虑到很多脚本程序员对JavaScript已经很熟悉了，为了照顾这部分人，发明了Unity Script，它的语法和W3C的JavaScript几乎一致，使得大家可以直接用其进行开发，降低门槛。但是Unity Script在运行上却和JavaScript有着本质的不同。这个我会在下一节IL中进行详细的描述。从三门语言在Unity中的使用情况而言：Boo 几乎就没人用了，Unity Script和C#两者中无论是演示代码还是Unity Asset Store中的第三方代码，C#已经有85%-90%的比例（个人粗略估计，没有做详细统计）。可见C#在Unity中深受我等游戏码农的爱戴。

IL
啰 嗦完了C#，.Net Framework和Mono，引出了我们很重要的一个概念”IL“。IL的全称是 Intermediate Language，很多时候还会看到CIL（Common Intermediate Language，特指在.Net平台下的IL标准）。在Unity博客和本文中,IL和CIL表示的是同一个东西：翻译过来就是中间语言。它是一种属于 通用语言架构和.NET框架的低阶（lowest-level）的人类可读的编程语言。目标为.NET框架的语言被编译成CIL，然后汇编成字节码。 CIL类似一个面向对象的汇编语言，并且它是完全基于堆栈的，它运行在虚拟机上（.Net Framework, Mono VM）的语言。
具体过程是：C#或者VB这样遵循CLI规范的高级语言，被先被各自的编译器编译成中间语言：IL（CIL），等到需要真正执行的时候，这些IL会被加载到运行时库，也就是VM中，由VM动态的编译成汇编代码（JIT）然后在执行。

正是由于引入了VM，才使得很多动态代码特性得以实现。通过VM我们甚至可以由代码在运行时生成新代码并执行。这个是静态编译语言所无法做到的。回到上一 节我说的Boo和Unity Script，有了IL和VM的概念我们就不难发现，这两者并没有对应的VM虚拟机，Unity中VM只有一个：Mono VM，也就是说Boo和Unity Script是被各自的编译器编译成遵循CLI规范的IL，然后再由Mono VM解释执行的。这也是Unity Script和JavaScript的根本区别。JavaScript是最终在浏览器的JS解析器中运行的（例如大名鼎鼎的Google Chrome V8引擎），而Unity Script是在Mono VM中运行的。本质上说，到了IL这一层级，它是由哪门高级语言创建的也不是那么重要了，你可以用C#，VB，Boo，Unity Script甚至C++，只要有相应的编译器能够将其编译成IL都行！


IL2CPP， IL2CPP VM

本 文的主角终于出来了：IL2CPP。有了上面的知识，大家很容易就理解其意义了：把IL中间语言转换成CPP文件。大家如果看明白了上面动态语言的 CLI， IL以及VM，再看到IL2CPP一定心中充满了疑惑。现在的大趋势都是把语言加上动态特性，哪怕是c++这样的静态语言，也出现了适合IL的c++编译 器，为啥Unity要反其道而行之，把IL再弄回静态的CPP呢？这不是吃饱了撑着嘛。根据本文最前面给出的Unity官方博客所解释的，原因有以下几 个：
1.Mono VM在各个平台移植，维护非常耗时，有时甚至不可能完成
Mono的跨平台是通过Mono VM实现的，有几个平台，就要实现几个VM，像Unity这样支持多平台的引擎，Mono官方的VM肯定是不能满足需求的。所以针对不同的新平 台，Unity的项目组就要把VM给移植一遍，同时解决VM里面发现的bug。这非常耗时耗力。这些能移植的平台还好说，还有比如WebGL这样基于浏览 器的平台。要让WebGL支持Mono的VM几乎是不可能的。
2.Mono版本授权受限
大家有没有意识到Mono的版本已经更新到3.X了，但是在Unity中，C#的运行时版本一直停留在2.8，这也是Unity社区开发者抱怨的最多一 条：很多C#的新特性无法使用。这是因为Mono 授权受限，导致Unity无法升级Mono。如果换做是IL2CPP，IL2CPP VM这套完全自己开发的组件，就解决了这个问题。
3.提高运行效率
根据官方的实验数据，换成IL2CPP以后，程序的运行效率有了1.5-2.0倍的提升。

使用Mono的时候，脚本的编译运行如下图所示：

简单的来说，3大脚本被编译成IL，在游戏运行的时候，IL和项目里其他第三方兼容的DLL一起，放入Mono VM虚拟机，由虚拟机解析成机器码，并且执行
IL2CPP做的改变由下图红色部分标明：

在得到中间语言IL后，使用IL2CPP将他们重新变回C++代码，然后再由各个平台的C++编译器直接编译成能执行的原生汇编代码。

几点注意：
1.将IL变回CPP的目的除了CPP的执行效率快以外，另一个很重要的原因是可以利用现成的在各个平台的C++编译器对代码执行编译期优化，这样可以进一步减小最终游戏的尺寸并提高游戏运行速度。

2. 由于动态语言的特性，他们多半无需程序员太多关心内存管理，所有的内存分配和回收都由一个叫做GC（Garbage Collector）的组件完成。虽然通过IL2CPP以后代码变成了静态的C++，但是内存管理这块还是遵循C#的方式，这也是为什么最后还要有一个 IL2CPP VM的原因：它负责提供诸如GC管理，线程创建这类的服务性工作。但是由于去除了IL加载和动态解析的工作，使得IL2CPP VM可以做的很小，并且使得游戏载入时间缩短。

3.由于C++是一门静态语言，这就意味着我们不能使用动态语言的那些酷炫特性。运行时生 成代码并执行肯定是不可能了。这就是Unity里面提到的所谓AOT（Ahead Of Time）编译而非JIT（Just In Time）编译。其实很多平台出于安全的考虑是不允许JIT的，大家最熟悉的有ios平台，在Console游戏机上，不管是微软的Xbox360， XboxOne，还是Sony的PS3，PS4，PSV，没有一个是允许JIT的。使用了IL2CPP，就完全是AOT方式了，如果原来使用了动态特性的 代码肯定会编译失败。这些代码在编译iOS平台的时候天生也会失败，所以如果你是为iOS开发的游戏代码，就不用担心了。因此就这点而言，我们开发上几乎 不会感到什么问题。

最后给出Unite 2014上官方给出的性能测试截图（数字越小表示运行得越快）：

有了IL2CPP，程序尺寸可以相对缩小，运行速度可以提高！看了兴奋吗？其实现有的Unity版本中已经引入了IL2CPP技术。本文下篇就通过一个实际的例子，看看IL2CPP都为我们做了哪些，以及我们需要注意些什么。