Unity资产管理与更新系统的一种实现方式

Unity资产管理与更新系统的一种实现方式

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  • 时间：2022年03月02日
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  • 分类：厚积薄发

一、概况

这个实现来自于我的个人开源项目 UnityGameWheels（以下简称 UGW），并已在实际生产中有一定的应用。UGW 的代码地址：

Core：纯C#部分。其中资产管理和更新相关内容位于Asset。

Unity：和Unity结合的部分。其中资产管理和更新相关内容位于Asset，编辑器相关位于Editor。

Demo：一些示例代码。

此间一些设计方式参考了我一位老友的GameFramework。此外，玩具代码颇多（比如有个玩具版IOC容器），请见谅并无视。

1.1 企图

  • 希望为移动平台（主要是iOS和Android系统）实现具有一定通用性的资产管理与更新系统。
  • 在使用时不必过多顾及资产包（AssetBundle)，而是关注单个资产（Asset）。
  • 对更新的内容，做出一定程度的分组，实现边玩边下。

1.2 名词

  • 资产和资产包：即Unity中的Asset和AssetBundle。

  • 两种模式：

    • 编辑器模式：在编辑器下开发时，通过UnityEditor.AssetDatabase中的方法直接访问资产文件。
    • 资产包模式：构建资产包使用的模式。这种模式为后文的主要讨论对象。

  • 资源（Resource）：在Core中指资产包。这用法也来自GameFramework。

  • 索引（Index）文件：专指收集、记录资产和资产包基本信息（类似于Unity提供的资产包manifest文件的功能）的文件。

    • CR：安装包索引文件。
    • RR：远端索引文件。
    • PR：持久化索引文件。

  • Manifest 文件：Unity构建资产包时生成的数据文件，包含资产包和资产的关系以及资产包间的依赖关系。

  • 资产系统：指本文所描述的资产管理和更新系统。

1.3 主要组成部分

  • Core（纯C#）部分

  • AssetService类（实现IAssetService接口）是资产包模式的主入口，提供资产管理与更新的入口。

    • 通过Prepare方法来进行资产系统的准备工作。
    • 通过CheckUpdate方法来检查是否需要进行更新以及哪些内容需要更新。
    • 通过IResourceUpdater接口（实现为AssetService.ResourceUpdater）来进行资产包（资源）的更新。
    • 通过LoadAsset，LoadSceneAsset，UnloadAsset等方法来加载和卸载资源。

  • Unity 部分：

    • Asset 文件夹提供依赖于 Unity 库的实现，和编辑器模式下使用的IAssetService8的实现。
    • Editor/AssetBundle 文件夹提供构建资产包相关的编辑器工具。

二、一些重要概念

2.1 资产包的分组
在Unity中，每个资产文件至多显式打入一个资产包，所以对资产包分组（Group），就相当于对显式打入资产包的每个资产都分组。为什么要分组呢？一方面，是为了按组为单位做资产包更新；另一方面，是控制依赖关系的复杂度。

使用非负整数来标记每个资产包的组号。

  • 0 代表公共组，可以被其他组依赖。
  • 正整数代表其他组，不允许组间依赖，但是都可以依赖 0 组。

在分组更新的基础上，这样的限制带来的好处是，不需要为了更新一个分组的内容而大量更新其他分组的内容。当然，这种选择同时也是一种局限。

在应用启动过程中，“正式”进入游戏之前，应将 0 组的内容更新完毕。

2.2 索引文件
Unity自身在构建资产包时，提供了manifest文件，用于指明每个资产包中包含哪些资产以及依赖于哪些其他资产包。索引文件，在此基础上加入了包括资产之间的依赖关系、资产包分组（后文解释）在内的若干其他信息。编辑器工具构建资产包时会生成三个文件夹：

  • Client：用于放在StreamingAssets中、打入首包的资产包；
  • ClientFull：用于放在StreamingAssets中的全量资产包，适合调试或者关闭更新功能的情形。
  • Server：用于放在CDN上用于更新的全量资产包。

这三个文件夹中各自会有一个索引文件。前两者自然格式一致，称为安装包索引文件（记为CR，其中C代表Client，R代表Resource），随首包发布。Server文件夹中的索引文件称为远端索引文件（记为RR，其中第一个R代表Remote）。在资源更新和使用的过程中，本地持久化目录中会存放一份索引文件，称为持久化索引文件（记为PR，其中P代表Persistent），它记载的是本地保存的那些资产包的信息。

注意，在Server文件夹中的每个文件都会后缀它自身的CRC-32校验和，用于下载之后的校验。

2.3 版本号
资产系统使用的资产包版本号包括两部分，是由应用程序版本号VerApp （其实是UnityEngine.Application.version的值）和资源内部版本号 VerRes 拼接而成，对于每一个VerApp，在每个平台上，打包的时候VerRes最好从 1 开始自增。如VerApp为 1.0.1，在这个应用程序版本下，Android平台第19次资产包构建，其版本号为1.0.1.19。如果应用程序版本升为1.1.0，则再度打Android资源包的时候版本号就是1.1.0.1。这也是后文讲的资产包构建器的默认行为。

应用程序运行时，如果开启了资源更新，则本系统只是根据输入的信息来判定应该下载哪个RR，而不会去检查版本的新旧。标准的做法，是应用程序从某个服务器获取当前VerApp 对应的最新的VerRes，以及相应的文件尺寸、CRC-32 等信息，来判定是否需要下载这个版本的RR。

三．更新资产包

3.1 初始化和准备阶段
构造AssetService对象时需要传入一些配置信息，包括但不限于CDN服务器的根目录、同时进行的资产加载任务数量限制、同时进行的资产包加载任务数量限制等内容。

系统初始化之后，通过AssetService.Prepare方法进行的准备工作，其实就是要把CR和PR从各自所在的文件系统中载入内存。CR是必须要存在的，而PR一开始的时候不存在，就认为存在一个空的PR。

3.2 更新检测阶段
在准备阶段完成之后，就要通过AssetService.CheckUpdate来检测是否有需要更新的内容。这里需要传入一个AssetIndexRemoteFileInfo（索引文件信息）对象，是使用者从相关服务器获取的关于RR的信息，其中包括如下一些字段：
<img src='remote_index_info.jpg' height=150/>

其中nternalAssetVersion就是前面所说的VerRes，指这个RR对应的资产包版本，Crc32是该RR的CRC-32校验和，FileSize是该文件的大小（字节）。后面这两个字段都是为了下载之后的校验。

更新检测又有几种情况。

  • 如果关闭了更新，则直接使用CR作为PR。此时，认为安装包中StreamingAssets目录下的内容是完整可用的（即从前述之ClientFull文件夹复制而来，如果之前下载了任何资源，我们都认为是没用的。
  • 如果打开更新，且本地缓存的RR的Crc32和FileSize均和AssetIndexRemoteFileInfo中提供的数据一致，说明不需要从服务器下载RR，用本地缓存的即可。
  • 其余情况，需要从远端下载RR。UGW中有支持文件下载系统的实现，超出本文范畴，不赘述。

对于上述后两种情形，系统会对CR、RR和PR做三方比较，来决定哪些资产包是需要下载的，哪些资产包是需要（从持久化目录删除的）。具体地：

  • RR中没有的资产包（说明已经没用了），如果PR中有，则应该从本地持久化目录中删除。
  • RR中有和CR中相同（通过比较Unity生成的Hash值和文件尺寸来决定）的资产包，则删去PR中包含的那个版本（如果有的话）。
  • 对RR中有，但是CR中缺少或内容不同（通过比较Unity生成的Hash值和文件尺寸来决定）的资产包，需要更新。

在三方比较的同时，系统还会对每个资产包分组构造资产包更新摘要信息。这摘要由ResourceGroupUpdateSummary类描述，包含其所指向的资产包分组中的资产包总量、剩余下载量等信息。这些摘要对象将用于后面的资产包更新。

3.3 更新
前述准备工作完成后，就可以使用AssetService.ResourceUpdater更新器对象进行更新了，通过它（实现IResourceUpdater接口）可以：

  • 获取可用的资产包分组都有哪些。
  • 对给定的资产包分组，获取其中资源状态（需要更新、正在更新、已经最新）。
  • 对某一组的资产包开始、停止更新；
  • 通过前述ResourceGroupUpdateSummary类，获取各组资产包更新进度和状态（是否在更新、是否已经最新等）。

更新资产包的过程中，会更新PR中的内容并在适当的时候保存到持久化目录中。对于每个资产包分组，一定要全部更新完才可使用其中的内容。

四．使用资产

资产系统中提供了一些辅助方法，来判定资产是否已经可以使用，也就是判断资产的存在性、以及所属的资产包分组是否已经更新完毕。在此基础上，使用者可以使用（逻辑层面的）加载、卸载接口来使用和释放资产。

4.1 加载接口与资产访问器
AssetService提供LoadAsset和LoadSceneAsset方法来加载一般资产和场景资产。鉴于后者没有进行仔细测试，此处暂时仅对前者做出说明。LoadAsset的函数签名为

IAssetAccessor LoadAsset(string assetPath, LoadAssetCallbackSet callbackSet, object context);

使用者将资产路径（从 "Assets/" 开始）、回调函数和可选的自定义上下文对象传入，即可同步地获得一个IAssetAccessor，即资产访问器（简称AA）。AA的引入，是由于加载资产操作在概念上是异步的（尽管由于内部缓存等原因可能实际上是同步完成的）。如果在加载未完成的情况下，使用者不想用这个资产了，通过这个访问器可以卸载资产。通过IAssetAccessor接口，使用者可以获取资产路径、资产对象（如果已经加载完成）以及其状态。

一般情况下，任何使用某一资产的代码，都应通过LoadAsset获得一个该资产的访问器。资产和访问器是一对多的关系。

4.2 卸载接口
AssetService提供UnloadAsset方法来（从逻辑上）卸载资产。

void UnloadAsset(IAssetAccessor assetAccessor);

卸载资产时，只需要传入AA即可。要注意，一个资产访问器只允许卸载一次。卸载之后，就不可再使用/引用这个AA对象，否则可能造成很难查找的bug。

4.3 内部实现的基本数据模型
在AssetService内部，用资产缓存（AssetService.Loader.AssetCache内部类，简称ACache）来描述一个资产，用资产包缓存（AssetService.Loader.ResourceCache内部类，简称RCache）来描述一个资产包。这两种缓存内部都保存了自己代表的资产（包）的引用计数。

首先，一个ACache可对应多个资产访问器。每个AA都绑定一个ACache，ACache的状态变化会反映到访问器中。

其次，ACache内部会记录它所代表的资产依赖于哪些其他资产和资产包（从索引文件PR中获得），这些信息用来维护ACache和RCache的引用计数，最终决定资产和资产包的何时释放。这里要注意，单独看ACache的时候，它们构成有向无环图（即不允许资产间的依赖构成环路）。而即使有资产包分组间的依赖关系限制，和资产间不允许依赖成环路的限制，RCache之间仍然可能构成环路，如下图所示（实线代表依赖关系，虚线代表资产和资产包的从属关系）。

由于上图中资产a依赖于资产c，c又依赖于依赖于资产b，而a、b属于资产包x，c属于资产包y，因此x和y是相互依赖的。

注意：AA、ACache和RCache实际上都有相应的对象池来管理，以便减少运行时的GC Alloc。

4.4 加载资产的过程
当尝试（通过文件路径）加载一个资产的时候（即调用AssetService.LoadAsset方法时），如果没有相应的ACache对象，则从对象池获取一个或创建一个；否则，这资产应该已经被要求加载过，直接使用已有的ACache对象即可。不论哪种情况，一个AA将和这个ACache绑定（并增加ACache的引用计数使之一定为正的）并同步返回。

ACache初始化的时候，会做以下事情：

  • 递归的初始化它依赖的资产的ACache（如果需要的话），增加后者的引用计数，并观察后者的状态变化。由于ACache 构成有向无环图，所以简单递归即可完成这步操作。
  • 初始化自身指向的资产所在的资产包的RCache对象（如果需要的话），增加后者的引用计数，并作为后者状态变化的观察者。
  • 从自身所属资产包的RCache对象出发，在RCache构成的图结构中做遍历，增加过程中每个RCache的引用计数。

由于依赖关系相关问题都在ACache中处理，RCache的业务相对简单，只是负责自身指向的资产包的加载和发送状态变化的通知给观察者。

ACache会等待自己代表的资产所属的资产包的 RCache 加载完成，以及自己依赖的其他ACache加载完成，之后再加载自身代表的资产。于是，只要一个ACache加载完成（其资产对象对所有绑定到自身的AA都已可用），它所依赖的（显示打资产包的）资产都加载完成了，于是相关联的资产包也是加载完成了的。

使用者需要注意：

  • 本资产系统中，加载失败即为错误情况，不可继续使用。使用者在加载一个资产时，需要确定它是可用的，比如资产本身是否存在、所在资产包分组是否更新完毕等。
  • 某些Android设备上，文件IO很容易出现问题，尽管Unity层的实现（ResourceLoadingTaskImpl类）增加了重试机制，仍然可能在从文件创建资产包的时候失败（连续失败多次）。目前只能降低同时加载的资产包的数量限制来减少出问题的概率。

4.5 卸载资产的过程
卸载资产时（AssetService.UnloadAsset方法），使用者进行的操作实际上是归还AA对象，归还时不需要在意真实的资产是否仍处于正在被加载的状态。资产系统会清理AA内部保存的回调（通过AssetService.LoadAsset方法传入），以防止在AA被完全清理之前恰好有回调发生。此时对于使用者，这个AA对象已经失效，不应再以任何方式引用或使用它。后面系统进行轮询的时候会回收或丢弃被卸载的AA对象。依前述AA、ACache和RCache之间的关系，相关的ACache和RCache的引用计数会减少。

如果一个ACache或RCache的引用计数减少到 0，它将进入一个集合，以便进行清理。真正清理将也在系统轮询时进行，主要步骤是：

  • 清理被归还的AA对象。
  • 按资产间依赖关系，递归清理引用为 0 的ACache。因为Unity实际上不允许取消加载资产的操作，所以如果ACache 指向的资产正在被加载，就暂缓清理。注意，虽然清理了ACache 对象，但不会真的卸载单个资产，这算是一种实现选择。
  • 隔一段时间，或者使用者要求清理时，如果引用计数为 0 的这些RCache中，其指向的资产包均不处于加载状态，则将它们一同卸载。这时候Unity层的实现部分是会真实调用AssetBundle.Unload(true)方法，将资产包真正卸载。

对引用计数为 0 的资产包的同时卸载规则，主要是为了保障，彼此存在依赖关系的资产包会被一起卸载掉，否则可能出现一些很难查明的资产丢失bug。

4.6 资产包的规划
一个相对独立的功能，从直觉上说，可以打成一个或多个放在一个分组中的资产包。实际操作中，在一个功能内部，经常是按文件夹来分割资产包的，而文件夹又经常是按资产类型分的。

考虑一个问题：如果一个贴图文件夹中有很多贴图，在同一个功能的两个不同界面p、q上使用，由于这个文件夹打在一个资产包中，它只会作为一个总体释放。界面p可能是挂在游戏主界面上的，长期存在，只使用了少量贴图；而界面q是这个功能的主界面，使用了大量贴图。在运行时，p的生命期明显比q长，一旦加载了q使用的贴图资产，只是关闭和销毁q，是释放不掉q使用的这些贴图的。直到p也被销毁，这些贴图才会一并被卸载。如果有很复杂的资产包间的依赖关系，这个释放来得可能很晚。

可以通过按“生命期”划分资产包（从文件夹层面就可以这样做），以及简化资产包之间的依赖关系来规避这样的问题。

五．编辑器

5.1 资产包组织器
编辑器层面提供了一个资产包组织器类AssetBundleOrganizer来配置将哪些资产打入哪些资产包，并配有一个简单的可视化工具（AssetBundleOrganizerEditorWindow）来进行编辑。

组织器可视化工具的功能大致如下：

  • 左数第一栏为资产根目录（可以有多个），设置将哪些目录视为根目录并从中读取资产，以及读取什么类型的资产。
  • 左数第二栏为资产目录，森林结构，每个资产根目录下的资产再为一棵树。
  • 左数第三栏为资产包目录结构，可在其中添加、删除、编辑资产包，指定分组等。
  • 左数第四栏展示在第三栏中选中的资产包内的资产内容。
    结合右边三栏，可以选中资产文件或目录分配入资产包中，也可以从资产包中删除内容。

此外，组织器还支持一个忽略某些资产的标签（AssetBundleOrganizer.IgnoreAssetLabel属性），给资产文件加上指定的标签（Label），组织器将忽略这些资产，从而不会显示将它们打入资产包。

组织器会将信息存放在一个 xml 文件中，如上图左下角的Config path所示。对于规模较小的项目，直接用这个可视化工具也许就够了。但如果项目规模较大，则建议使用AssetBundleOrganizer提供的API来编写“规则”代码，来动态生成这些内容。

5.2 资产包信息提供器
资产包信息提供器由类AssetBundleInfosProvider实现，用于将组织器中的数据转换成构建资产包可用的数据。譬如，资产包组织器中可以将某个目录分配到某个资产包中，但是实际构建资产包需要将目录中的资产文件和资产包对应起来。资产包信息提供器就能进行此转换。此外，还可以检测（打包用的）资产间依赖关系、资产包间的依赖关系是否合法（比如前述资产包编辑器可视化工具中的Check Dependency Legality按钮）等等。

5.3 构建
资产包构建器（AssetBundleBuilder类）封装了构建资产包的过程（方法BuildPlatform）。主要步骤如下：

  • 通过资产包组织器和信息提供器，得到资产和资产包的对应关系，构造Unity的AssetBundleBuild列表。
  • 调用Unity的方法，构建资产包，获得manifest文件。
  • 利用manifest文件和其他数据，生成在索引文件中需要的资产包信息，如分组、CRC-32校验和、Unity生成的Hash值等。
  • 生成Client，ClientFull，Server文件夹及相应的索引文件。

使用者可以通过实现IAssetBundleBuilderHandler接口来指定构建各个阶段的回调。例如：使用Lua脚本的项目可以在自己的IAssetBundleBuilderHandler实现中，用OnPreBeforeBuild回调来给 .lua后缀的文件改名为 .txt之类的后缀，以便能被Unity识别为文本资产（Text asset）；同样，在OnBuildSuccess和OnBuildFailure回调中将重命名的文件复原。

六．局限性

  • 目前对已经发起的资产加载调用是没有优先级的，内部又有一些 Hash 存储，不能保证实际的加载顺序和发起加载调用的顺序一致。
  • 内存中同时有资产间的依赖关系和资产包间的依赖关系，不知道是否可以舍弃后者，还能保证逻辑正确，不出现资产丢失的问题。
  • 加载资产名义上是异步，但实际上有可能是同步返回的。实际使用时，为了便利起见可以增加中间层。
  • 目前采用“集总式”索引文件，可能一次解析的内容较多，在游戏启动阶段造成一些卡顿现象。
  • 未能支持子资产（Sub-asset）或泛型加载资产。例如：对图集（如Texture Packer这类插件输出的）这种类型的资产，需要用一个SerializableObject来存放其中精灵图的引用。

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