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Unity 跨平台的发展历程

Unity设计的初衷是建立一个简单易用且跨平台的游戏开发引擎。而当时市面上最好的开发平台就是微软的.NET Framework，由于**.NET只能应用于Windows体系**，所以Unity又借助了MONO来实现了跨平台。Unity的底层是C++，但核心却是.NET Framework，在Unity中是可以使用.NET提供的相关工具的。

.NET Framework：.NET是微软开发的**跨语言（注意不是跨平台）**开发平台，支持二三十种开发语言，用于构建和运行应用程序。这些应用程序只能在Windows体系内使用。

C#（CSharp）：微软专门为.NET推出的高级编程语言。从语言技术、风格、严谨性等特点上来说，C#可称为诸多编程语言中最优秀的一款，甚至由它引发出计算机语言界中的多种新规范和新特征。C#首先发布于2002年，当时公认为C#是.NET大家庭中前景最好的语言，所以Unity选用了C#作为主要开发语言（实际上Unity还支持Unity Script和Boo语言）。

MONO：Novell公司支持在其他操作系统下开发.NET程序的框架。Unity借助MONO实现跨平台，核心是.NET Framework框架。

.NET Framework的作用是跨语言开发，MONO的作用的跨平台运行，Unity通过MONO实现了跨平台的发布。实际上Unity只是在早期使用了MONO作为一种工具，而并不是通常所理解的构建于MONO之上。因为基于MONO的层并没有处理很多重要的游戏任务，比如音频、渲染、物理以及时间的跟踪。Unity出于速度的考虑构建了本地C++后端，允许他的用户将MONO作为脚本编写界面，控制该游戏引擎。因此，MONO只是底层Unity引擎的一个组成部分。

具体实现方式

早期的Unity跨平台是基于MONO运行时的，又通过CLS实现了跨语言。MONO是一个开源工程，其中包含C#编译器，CLR运行时，以及一组类库。该工程常见了一系列符合ECMA标准的.NET工具，MONO使得开发者可以使用任何平台开发C#，也可以让C#在不同平台运行。其基本思路是将各个版本的语言统一编译成CIL语言，在不同平台运行时使用CLR进行解释。有点类似于Java的jdk和jvm。
总结起来就是1种通用语法、1套固定语句、1种编译器、1套运行时。

• 1种通用语法 ==>> 通用语言规范（CLS，Common Language System）：CLS是一种规范，类似于schema，当文件被指定遵守CLS规范后，在某语言中写出不符合通用规范的代码后将被警告或报错。
• 1套固定语句 ==>> 通用中间语言（CIL，Common Intermediate Language） ：CIL是一种代码指令集，可在任何支持CLI的环境运行。CIL是基于堆栈的，又是面向对象的。
• 1种编译器 ==>> C#编译器 ：通过编译器将C#代码编译为CIL代码，以供CLR使用。
• 1套运行时 ==>> MONO版通用语言运行库（CLR，Common Language Runtime） ：由于.NET只能在Windows体系内运行，MONO就提供了一套能够运行在各个平台下的CLR运行时。MONO版本的运行时也就是MONO VM（MONO虚拟机），其提供了即时编译器（JIT）、静态编译器、库加载器、垃圾回收器等功能。

编译过程

Unity C#编译细节过程如下：

整个过程一共两次编译：

1. 第一次把多种语言编译为中间语言；
2. 第二次把中间语言结合运行环境生成原生机器码，而在CLR的编译过程中又分为即时编译、静态编译及完全静态编译。

CLR编译方式

在CLR的编译过程中，存在三种编译方式：

1. 即时编译（JIT，Just-in-time）：程序运行时将IL（中间语言）转为对应平台原生代码，并将原生代码映射到虚拟内存执行。
2. 静态编译（AOT，Ahead-of-time）：程序运行之前将.exe或.dll文件中部分转译为目标平台原生码存储。
3. 完全静态编译（Full-AOT，Full-ahead-of-time）：程序运行之前，所有代码完全编译为目标平台原生码。

JIT是运行时编译的，解释一条执行一条，解释过的语句会缓存，不重复解释，效率较低。IOS不允许JIT动态编译，所以MONO只能以Full-AOT模式运行（即将程序集所有CIL代码进行AOT编译生成本地机器码），Full-AOT模式下，泛型、反射空类型等功能可能会有问题，不允许动态生成代码，不允许动态创建类型，无法使用DLR（Dynamic Language Runtime动态语言运行时）。
AOT与JIT并非对立，AOT同样采用JIT编译，只不过是运行前就编译好了。

CLR涉及概念

• CLI（Common Language Infrastructure）通用语言基础结构：CLI是CLR的子集，主要包括类加载器、实时编译器以及GC垃圾回收，CLI是CLR的灵魂，是CIL的摇篮。
• CTS（Common Type System）通用类型系统，CTS是CLI的一部分，描述了各种类型应该具有怎样的行为以及可以拥有什么样的成员，CTS是一种规范，是CLR实现的依据。CLS是CTS的一部分，描述了一个框架语言需要拥有的最小集功能。
• VES（虚拟执行系统）负责为某种语言在执行时提供一切必须的上下文和内存、线程管理、字符串驻留、垃圾回收、即时编译等服务，CLR是VES的一个实现，可以用运行时（Runtime）代称，一个VES可以提供上述所有服务，也可以只提供部分服务。

IL2CPP（跨平台过渡方案）

早先的跨平台方案是通过将各类语言编译为IL通用语言，再将通用语言放到Mono运行时中编译运行。而自从4.6.1 P5版本后，Unity就推出了IL2CPP的替代方案，其原理与MONO几乎相同，但却能规避掉MONO的众多问题，具体会在下文中进行解释。

MONO时代编译过程大致过程如下：

后期由于种种限制，Unity又提供了一套过渡方案，以提高程序的可用性，大致情况如下：

为什么要用IL2CPP过渡呢？
根据Unity官方博客给出的解释，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
   虽然Mono本身是开源的，但是商业使用还是收到一定的版权限制，而低版本的MONO就无法使用C#的强大特性，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
   因为MONO需要运行在虚拟机内，相比于编译成原生的CPP代码而言，效率非常低。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。

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CIL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。
4. 有了IL2CPP，程序尺寸可以相对缩小，运行速度可以提高！
5. 可以简单的认为，il2cpp 只是替换掉了 mono 的虚拟机实现，所以该分配堆内存的地方还是会一样的分配（可能会有某些细节的地方不一样）。使用了IL2CPP在堆内存分配方面和Mono 相比，Reserved Total 是可以下降的，而 Mono的 Reserved Total 只会上升不会下降。

动态语言和静态语言

我们常说的动、静态语言，通常是指：

• 动态类型语言 Dynamically Typed Language：在运行期间检查数据的类型的语言。例如：Ruby\Python。这类语言编程，不会给变量指定类型，而是在附值时得到数据类型。Python是动态语言，变量只是对象的引用，变量a和b本身都没有类型，而它们的值有类型。
• 静态类型语言 Statically Typed Language：数据类型是在编译其间检查。例如：C/C++、Java/C#。Static typing when possible, dynamic typing when needed。java是静态语言，但是有许多动态特性，比如Reflection、Annotation、Dynamic proxy。

跟Java跨平台的区别

• Java用同一套代码，唯一的语言生成统一的jar包（class文件），通过JVM现场解释现场执行。
• Unity可以使用不同的语言开发，运行环境也无需安装虚拟机（其实是需要MONO CLR的），不同平台要分别编译成平台所需的运行文件。
• 两者都需要运行时进行解释操作，效率是有所损耗的。

其他

本文中所说的跨平台，只是Unity真正实现跨平台的一部分（很重要的一部分），Unity的跨平台还有针对渲染方面的跨平台，也是非常重要的，具体内容可参考【Unity】Unity Shader学习笔记（一）Unity Shader基础 等Shader相关的文章。

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