UnityC#脚本的热更新原理

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作者:silence394

Unity的脚本如何跨平台

想要了解Unity的热更原理，必须要先了解Unity脚本的编译和跨平台机制。通常游戏的跨平台主要指安卓和IOS端。Unity的官方脚本语言是C#，但也有不少项目会采用C# + Lua语言的方式进行开发。它们主要有三种跨平台的形式：JIT、AOT、脚本语言。
Unity的C#代码在代码被打包时会被编译器变为成为中间语言IL（Intermediate Language），而不是机器码（NativeCode，机器的可执行代码）。后续对这些IL的编译方式不同可以分为AOT和JIT。

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JIT（Just In Time）

JIT是一种动态编译技术，是指Unity打包时将C#编译成IL后，在运行时.NET JIT编译器将IL翻译NativeCode的过程。通常IL由Mono VM编译执行，这是因为Mono VM中包含了.NET JIT编译器。
下面是MonoVM的运行流程图，它就在运行时将IL编译成机器码并保存到内存中并执行。
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AOT（Ahead Of Time）

指在程序程序运行前将代码变成称机器码，它不需要再运行时对代码进行解释和编译，这样可以提高程序的执行速度和安全性。Unity AOT的跨平台原理是将程序的C#源代码在打包时编译成与平台无关的IL，然后通过特定的编译器将IL代码编译成特定平台的Native Code。不同平台只需要提供对应的编译器即可，无需在运行时对代码进行解释和编译，从而实现跨平台。
下面是Unity推荐的IL2CPP编译器原理图。在打包时把C#代码先编译成IL，再由IL2CPP编译器编译成C++代码，再由特定平台的C++编译器编译成NativeCode。
最后需要L2CPP VM的原因是虽然代码转换成了C++代码，但C#中的内存是由GC自动管理，而C++需要手动管理内存，因此还需要一个IL2CPP VM用于GC管理等操作。
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脚本语言

Lua是一种跨平台的脚本语言，它主要依赖解释器和虚拟机实现跨平台功能。正常的lua脚本跨平台流程是：

编写lua脚本
使用lua解释器将lua脚本解释称字节码
由lua虚拟机执行字节码

由于解释器和虚拟机都是跨平台的，lua脚本也就可以在不同的平台上运行了。

字节码（bytecode）指的是一种中间码，它是一种介于源代码和机器码之间的一种代码形式。字节码是针对特定虚拟机（如Java虚拟机、.NET CLR虚拟机）的指令集，每条指令都比较简单，并且都能够被轻易地转换成机器码。字节码通常是在解释执行或者即时编译的过程中生成的，可以有效地提高程序的执行效率和跨平台能力。
在编译型语言中，源代码会被直接编译成机器码，而在解释型语言中，源代码则会被解释器逐行执行。相比之下，字节码的执行效率通常比解释器高，但比直接执行机器码要低。但是，字节码的好处在于它可以在多个平台上运行，只需要在特定平台上实现一个对应的解释器或者即时编译器即可。这也是为什么很多跨平台的语言（如Java和Lua）都采用了字节码的形式。
举个例子，Java源代码在编译时会被转换成Java字节码，然后在JVM上解释执行或者即时编译成机器码。这样，Java程序就可以在不同的操作系统和硬件上运行，只需要在不同平台上实现对应的JVM即可。

另外，lua也提供了JIT版本，以便在运行时将lua代码编译成NativeCode执行，与普通的lua解释器相比，可以显著地提升lua代码的执行速度。

C#如何热更新

Lua脚本语言是解释执行的，运行前加载更新后的代码就可以达到热更新的效果。在本文中要说明的是C#的热更新。
理想化的热更新流程是：

把需要更新的代码编译成动态链接库
游戏启动时加载新的动态链接库
用反射的形式获取动态链接库中的实例或方法

这种模式在PC和Android平台是可以的，但在IOS平台是不可行的。因为IOS对申请的内存禁止了可执行权限，所以运行时创建/加载的NativeCode是无法执行的。
void *mmap(void *start, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offsize)函数是申请内存的函数，它的第三个参数是代表了申请内存的保护方式：

PROT_EXEC 映射区域可被执行
PROT_READ 映射区域可被读取
PROT_WRITE 映射区域可被写入

而IOS平台是不支持PROT_EXEC的。运行时申请的内存不可执行，所以这种理想化的热更新流程无法在IOS平台起作用。
详细原因可以看下这篇文章。
为了解决IOS上的热更新问题，有两个主流方案：ILRuntime 和 HybridCLR。

ILRuntime

Unity会把C#代码打包成DLL，ILRuntime在运行时用自己的解释器来解释IL并执行，而不是直接调用.NET FrameWork或Mono虚拟机来运行代码。它借助Mono.Cecil库来读取DLL的PE信息，以及当中类型的所有信息，最终得到方法的IL汇编码，然后通过内置的IL解译执行虚拟机来执行DLL中的代码。

但是ILRuntime会有一些限制，见https://ourpalm.github.io/ILRuntime/public/v1/guide/FastQA.html。

ILRuntime和原始的 compiler是两套东西，也就是说你的热更DLL和主工程的DLL实质是不互通的（如热更DLL中一个类要继承主工程DLL的一个类），所以就存在跨域问题，需要写委托适配器，委托转换器。在发布版本后这些不能热更，使用之前一定要预留好可能会使用的
部分 C# 语法不支持：由于 ILRuntime 是基于 Mono 实现的，而 Mono 不支持所有 C# 语法，所以 ILRuntime 在某些 C# 语法方面也有限制，比如属性、泛型委托、可选参数等
需要特殊处理的代码：由于 ILRuntime 的实现方式，一些特殊的代码需要进行特殊处理，比如反射、LINQ、协程等
性能问题：由于 ILRuntime 需要动态解析和执行代码，相对于编译时静态绑定的方式，其性能会有一定程度的下降。同时，在使用过程中也需要注意避免频繁的跨域调用和反射操作，以免影响性能
ILRuntime对多线程Thread不兼容，在热更代码里使用多线程会导致Unity崩溃闪退

HybridCLR

是一个特性完整、零成本、高性能、低内存的近乎完美的Unity全平台原生c#热更方案。
IL2CPP是一个纯静态的AOT运行时，不支持运行时加载dll，因此不支持热更新。HybridCLR扩充了IL2CPP的代码，使其由纯AOT Runtime变成“AOT+Interpreter”混合Runtime，进而原生支持动态加载Assembly，使得基于IL2CPP打包的游戏不仅能在Android平台，也能在IOS、Consoles等限制了JIT的平台上高效地以AOT+interpreter混合模式执行。

ILRuntime是引入一个第三方VM（Virtual Machine），在VM中解释执行代码，来实现热更新。这些热更新方案的VM与IL2CPP是独立的，意味着它们的元数据是不相通的，在热更新里新增一个类型是无法被IL2CPP所识别的例如通过System.Activator.CreateInstance是不可能创建出这个热更新类型的实例)，这种看起来像、实际上却又不是的伪CLR虚拟机，在与IL2CPP这种复杂的CLR运行时交互时，产生极大量的兼容性问题，另外还有严重的性能问题。
HybridCLR对IL2CPP运行时进行扩充，添加interpreter模块，进而实现像Mono一样的混合执行模式。这样一来就能彻底支持热更新了，并且兼容性极佳。对开发者来说，除了以解释模式运行的部分执行得比较慢，其他方面跟标准的运行时没有区别。
通俗地说，il2cpp相当于Mono的AOT模块，HybridCLR相当于Mono的interpreter模块，两者合一成为完整Mono。HybridCLR使得IL2CPP变成一个全功能的Runtime，原生（即通过System.Reflection.Assembly.Load）支持动态加载dll，从而支持ios平台的热更新。
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正因为HybridCLR是原生Runtime级别实现，热更新部分的类型与主工程AOT部分类型是完全等价并且无缝统一的。可以随意调用、继承、反射、多线程，不需要生成代码或者写适配器。而其他热更新方案则是独立VM，与IL2CPP的关系本质上相当于Mono中嵌入lua的关系。因此类型系统不统一，为了让热更新类型能够继承AOT部分类型，需要写适配器，并且解释器中的类型不能为主工程的类型系统所识别。特性不完整、开发麻烦、运行效率低下。