Unity中的原生插件及平台交互原理是什么
这篇文章给大家介绍Unity中的原生插件及平台交互原理是什么,内容非常详细,感兴趣的小伙伴们可以参考借鉴,希望对大家能有所帮助。
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原生插件/平台交互
虽然大多时候使用Unity3D进行游戏开发时,只需要使用C#进行逻辑编写。但有时候不可避免的需要使用和编写原生插件,例如一些第三方插件只提供C/C++原生插件、复用已有的C/C++模块等。有一些功能是Unity3D实现不了,必须要调用Android/iOS原生接口,比如获取手机的硬件信息(UnityEngine.SystemInfo没有提供的部分)、调用系统的原生弹窗、手机震动等等
1 、C/C++插件
编写和使用原生插件的几个关键点:
创建C/C++原生插件
导出接口必须是C ABI-compatible函数
函数调用约定
在C#中标识C/C++的函数并调用
标识 DLL 中的函数。至少指定函数的名称和包含该函数的 DLL 的名称。
创建用于容纳 DLL 函数的类。可以使用现有类,为每一非托管函数创建单独的类,或者创建包含一组相关的非托管函数的一个类。
在托管代码中创建原型。使用 DllImportAttribute 标识 DLL 和函数。 用 static 和 extern 修饰符标记方法。
调用 DLL 函数。像处理其他任何托管方法一样调用托管类上的方法。
在C#中创建回调函数,C/C++调用C#回调函数
创建托管回调函数。
创建一个委托,并将其作为参数传递给 C/C++函数。平台调用会自动将委托转换为常见的回调格式。
确保在回调函数完成其工作之前,垃圾回收器不会回收委托。
那么C#与原生插件之间是如何实现互相调用的呢?
1.将源码编译为托管模块;
2.将托管模块组合为程序集;
3.加载公共语言运行时CLR;
4.执行程序集代码。
注:CLR(公共语言运行时,Common LanguageRuntime)和Java虚拟机一样也是一个运行时环境,它负责资源管理(内存分配和垃圾收集),并保证应用和底层操作系统之间必要的分离。
为了提高平台的可靠性,以及为了达到面向事务的电子商务应用所要求的稳定性级别,CLR还要负责其他一些任务,比如监视程序的运行。按照.NET的说法,在CLR监视之下运行的程序属于"托管"(managed)代码,而不在CLR之下、直接在裸机上运行的应用或者组件属于"非托管"(unmanaged)的代码。
这几个过程我总结为下图:
图.NET上的程序运行
回调函数是托管代码C#中的定义的函数,对回调函数的调用,实现从非托管C/C++代码中调用托管C#代码。那么C/C++是如何调用C#的呢?大致分为2步,可以用下图表示:
将回调函数指针注册到非托管C/C++代码中(C#中回调函数指委托delegate)
调用注册过的托管C#函数指针
相比较托管调用非托管,回调函数方式稍微复杂一些。回调函数非常适合重复执行的任务、异步调用等情况下使用。
由上面的介绍可以知道CLR提供了C#程序运行的环境,与非托管代码的C/C++交互调用也由它来完成。CLR提供两种用于与非托管C/C++代码进行交互的机制:
平台调用(Platform Invoke,简称PInvoke或者P/Invoke),它使托管代码能够调用从非托管DLL中导出的函数。
COM 互操作,它使托管代码能够通过接口与组件对象模型 (COM) 对象交互。考虑跨平台性,Unity3D不使用这种方式。
平台调用依赖于元数据在运行时查找导出的函数并封送(Marshal)其参数。下图显示了这一过程。
注意:
1. 除涉及回调函数时以外,平台调用方法调用从托管代码流向非托管代码,而绝不会以相反方向流动。虽然平台调用的调用只能从托管代码流向非托管代码,但是数据仍然可以作为输入参数或输出参数在两个方向流动。
2. 图中DLL表示动态库,Windows平台指.dll文件、Linux/Android指.so文件、Mac OS X指.dylib/framework文件、iOS中只能使用.a。后文都使用DLL代指,并且DLL使用C/C++编写。
当"平台调用"调用非托管函数时,它将依次执行以下操作:
查找包含该函数的DLL。
将该DLL加载到内存中。
查找函数在内存中的地址并将其参数推到堆栈上,以封送所需的数据(参数)。
将控制权转移给非托管函数。
注意: 只在第一次调用函数时,才会查找和加载 DLL并查找函数在内存中的地址。iOS中使用的是.a已经静态打包到最终执行文件中。
2、 Android插件
Java同样提供了这样一个扩展机制JNI(Java NativeInterface),能够与C/C++互相通信。
注:
JNI wiki-https://en.wikipedia.org/wiki/Java_Native_Interface 这里不深入介绍JNI,有兴趣的可以自行去研究。如果你还不知道JNI也不用怕,就像Unity3D使用C/C++库一样,用起来还是比较简单的,只需要知道这个东西即可。并且Unity3D对C/C++桥接器这块做了封装,提供AndroidJNI/AndroidJNIHelper/AndroidJavaObject/AndroidJavaClass/AndroidJavaProxy方便使用等,具体使用后面在介绍。JNI提供了若干的API实现了Java和其他语言的通信(主要是C&C++)。从Java1.1开始,JNI标准成为java平台的一部分,它允许Java代码和其他语言写的代码进行交互,保证本地代码能工作在任何Java虚拟机环境下。"
作为知识扩展,提一下Android Java虚拟机。Android的Java虚拟机有2个,最开始是Dalvik,后面Google在Android 4.4系统新增一种应用运行模式ART。ART与Dalvik 之间的主要区别是其具有提前 (AOT) 编译模式。 根据 AOT 概念,设备安装应用时,DEX 字节代码转换仅进行一次。 相比于 Dalvik,这样可实现真正的优势 ,因为 Dalvik 的即时 (JIT) 编译方法需要在每次运行应用时都进行代码转换。下文中用Java虚拟机代指Dalvik/ART。
C#/Java都可以和C/C++通信,那么通过编写一个C/C++模块作为桥接,就使得C#与Java通信成为了可能,如下图所示:
注:C/C++桥接器本身跟Unity3D没有直接关系,不属于Android和Unity3D,图中放在Unity3D中是为了代指libunity.so中实现的桥接器以表示真实的情况。
通过JNI既可以用于Java代码调用C/C++代码,也可用于C/C++代码与Java(Dalvik/ART虚拟机)的交互。JNI定义了2个关键概念/结构:JavaVM、JNIENV。JavaVM提供虚拟机创建、销毁等操作,Java中一个进程可以创建多个虚拟机,但是Android一个进程只能有一个虚拟机。JNIENV是线程相关的,对应的是JavaVM中的当前线程的JNI环境,只有附加(attach)到JavaVM的线程才有JNIENV指针,通过JNIEVN指针可以获取JNI功能,否则不能够调用JNI函数。
C/C++要访问的Java代码,必须要能访问到Java虚拟机,获取虚拟机有2中方法:
在加载动态链接库的时候,JVM会调用JNI_OnLoad(JavaVM* jvm, void* reserved),第一个参数会传入JavaVM指针。
在C/C++中调用JNI_CreateJavaVM(&jvm, (void**)&env, &vm_args)创建JavaVM指针
所以,我们只需要在编写C/C++桥接器so的时候定义JNI_OnLoad(JavaVM* jvm, void*reserved)方法即可,然后把JavaVM指针保存起来作为上下文使用。
获取到JavaVM之后,还不能直接拿到JNI函数去获取Java代码,必须通过线程关联的JNIENV指针去获取。所以,作为一个好的开发习惯在每次获取一个线程的JNI相关功能时,先调用AttachCurrentThread();又或者每次通过JavaVM指针获取当前的JNIENV:java_vm->GetEnv((void**)&jni_env, version),一定是已经附加到JavaVM的线程。通过JNIENV可以获取到Java的代码,例如你想在本地代码中访问一个对象的字段(field),你可以像下面这样做:
1.对于类,使用jni_env->FindClass获得类对象的引用
2.对于字段,使用jni_env->GetFieldId获得字段ID
3.使用对应的方法(例如jni_env->GetIntField)获取字段的值
类似地,要调用一个方法,你
step1.得获得一个类对象的引用obj,
step2.是方法methodID。这些ID通常是指向运行时内部数据结构。查找到它们需要些字符串比较,但一旦你实际去执行它们获得字段或者做方法调用是非常快的。step3.调用jni_env->CallVoidMethodV(obj,methodID,args)。
从上面的示例代码,我们可以看出使用原始的JNI方式去与Android(Java)插件交互是多的繁琐,要自己做太多的事情,并且为了性能需要自己考虑缓存查询到的方法ID,字段ID等等。幸运的是,Unity3D已经为我们封装好了这些,并且考虑了性能优化。Unity3D主要提供了一下2个级别的封装来帮助高效编写代码:
注:Unity3D中对应的C/C++桥接器包含在libunity.so中。
Level 1:AndroidJNI、AndroidJNIHelper,原始的封装相当于我们上面自己编写的C# Wrapper。AndroidJNIHelper和AndroidJNI自动完成了很多任务(指找到类定义,构造方法等),并且使用缓存使调用java速度更快。AndroidJavaObject和AndroidJavaClass基于AndroidJNIHelper和AndroidJNI创建,但在处理自动完成部分也有很多自己的逻辑,这些类也有静态的版本,用来访问java类的静态成员。http://docs.unity3d.com/ScriptReference/AndroidJNI.html,http://docs.unity3d.com/ScriptReference/AndroidJNIHelper.html
Level 2:AndroidJavaObject、AndroidJavaClass、AndroidJavaProxy,这个3个类是基于Level1的封装提供了更高层级的封装使用起来更简单,这个在第三部分详细介绍。
3、iOS插件
iOS编写插件比Android要简单很多,因为Objective-C也是C-compatible的,完全兼容标准C语言。这些就可以非常简单的包一层 extern"c"{},用C语言封装调用iOS功能,暴露给Unity3D调用。并且可以跟原生C/C++库一样编成.a插件。C#与iOS(Objective-C)通信的原理跟C/C++完全一样:
除此之外,UnityiOS支持插件自动集成方式。所有位于Asset/Plugings/iOS文件夹中后缀名为.m , .mm , .c ,.cpp的文件都将自动并入到已生成的Xcode项目中。然而,最终编进执行文件中。后缀为.h的文件不能被包含在Xcode的项目树中,但他们将出现在目标文件系统中,从而使.m/.mm/.c/.cpp文件编译。这样编写iOS插件,除了需要对iOSObjective-C有一定了解之外,与C/C++插件没有差异,反而更简单。
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