Unity协程（Coroutine）原理深入剖析再续

Unity协程（Coroutine）原理深入剖析再续

By D.S.Qiu

尊重他人的劳动，支持原创，转载请注明出处：http.dsqiu.iteye.com

前面已经介绍过对协程（Coroutine）的认识和理解，主要讲到了Unity引擎在执行协程（Coroutine）的原理（Unity协程（Coroutine）原理深入剖析）和对协程（Coroutine）状态的控制（Unity协程(Coroutine)管理类——TaskManager工具分享），到这使用Coroutine的疑问就没有了，但是D.S.Qiu还是有点没嚼烂，所以觉得很有必要再续。

本文主要分为三部分：

1）yield return， IEnumerator 和 Unity StartCoroutine 的关系和理解

2）Cortoutine 扩展——Extending Coroutines: Return Values and Error Handling

3）Cortountine Locking

总之，引用③的一句话：Coroutines – More than you want to know.

1）yield return， IEnumerator 和 Unity StartCoroutine 的关系和理解

yield 和 IEnumerator都是C#的东西，前者是一个关键字，后者是枚举类的接口。对于IEnumerator 只引用②对 IEnumerable与IEnumerator区别的论述：

先贴出 IEnumerable 和 IEnumerator的定义：

C#代码  
public interface IEnumerable  
    IEnumerator GetEnumerator();  
   
public interface IEnumerator  
    bool MoveNext();  
void Reset();  
    Object Current { get; }  
}  

IEnumerable和IEnumerator有什么区别？这是一个很让人困惑的问题（在很多forum里都看到有人在问这个问题）。研究了半天，得到以下几点认识：

1、一个Collection要支持foreach方式的遍历，必须实现IEnumerable接口（亦即，必须以某种方式返回IEnumerator object）。

2、IEnumerator object具体实现了iterator（通过MoveNext()，Reset()，Current）。

3、从这两个接口的用词选择上，也可以看出其不同：IEnumerable是一个声明式的接口，声明实现该接口的class是“可枚举（enumerable）”的，但并没有说明如何实现枚举器（iterator）；IEnumerator是一个实现式的接口，IEnumerator object就是一个iterator。

4、IEnumerable和IEnumerator通过IEnumerable的GetEnumerator()方法建立了连接，client可以通过IEnumerable的GetEnumerator()得到IEnumerator object，在这个意义上，将GetEnumerator()看作IEnumerator object的factory method也未尝不可。

IEnumerator 是所有枚举数的基接口。

枚举数只允许读取集合中的数据。枚举数无法用于修改基础集合。

最初，枚举数被定位于集合中第一个元素的前面。Reset 也将枚举数返回到此位置。在此位置，调用 Current 会引发异常。因此，在读取 Current 的值之前，必须调用 MoveNext 将枚举数提前到集合的第一个元素。

在调用 MoveNext 或 Reset 之前，Current 返回同一对象。MoveNext 将 Current 设置为下一个元素。

在传递到集合的末尾之后，枚举数放在集合中最后一个元素后面，且调用 MoveNext 会返回 false。如果最后一次调用 MoveNext 返回 false，则调用 Current 会引发异常。若要再次将 Current 设置为集合的第一个元素，可以调用 Reset，然后再调用 MoveNext。

只要集合保持不变，枚举数就将保持有效。如果对集合进行了更改（例如添加、修改或删除元素），则该枚举数将失效且不可恢复，并且下一次对 MoveNext 或 Reset 的调用将引发 InvalidOperationException。如果在 MoveNext 和 Current 之间修改集合，那么即使枚举数已经无效，Current 也将返回它所设置成的元素。

枚举数没有对集合的独占访问权；因此，枚举一个集合在本质上不是一个线程安全的过程。甚至在对集合进行同步处理时，其他线程仍可以修改该集合，这会导致枚举数引发异常。若要在枚举过程中保证线程安全，可以在整个枚举过程中锁定集合，或者捕捉由于其他线程进行的更改而引发的异常。

Yield关键字

在迭代器块中用于向枚举数对象提供值或发出迭代结束信号。它的形式为下列之一⑥：

　　yield return <expression_r>;

　　yield break;

备注 :

　　计算表达式并以枚举数对象值的形式返回；expression_r 必须可以隐式转换为迭代器的 yield 类型。

　　yield 语句只能出现在 iterator 块中，该块可用作方法、运算符或访问器的体。这类方法、运算符或访问器的体受以下约束的控制：

　　不允许不安全块。

　　方法、运算符或访问器的参数不能是 ref 或 out。

　　yield 语句不能出现在匿名方法中。

　　当和 expression_r 一起使用时，yield return 语句不能出现在 catch 块中或含有一个或多个 catch 子句的 try 块中。

　　yield return 提供了迭代器一个比较重要的功能，即取到一个数据后马上返回该数据，不需要全部数据装入数列完毕，这样有效提高了遍历效率。

Unity StartCoroutine

Unity使用 StartCoroutine(routine: IEnumerator): Coroutine 启动协程，参数必须是 IEnumerator 对象。那么Unity在背后做什么神奇的处理呢？

StartCoroutine函数的参数我一般都是通过传入一个返回值为 IEnumerator的函数得到的：

C#代码  
float waitTime) {  
return new WaitForSeconds(waitTime);  
"WaitAndPrint " + Time.time);  
}  

在函数内使用前面介绍 yield 关键字返回 IEnumerator 对象，Unity 中实现了 YieldInstruction 作为 yield 返回的基类，有 Cortoutine, WaitForSecondes, WaitForEndOfFrame, WaitForFixedUpdate, WWW 几个子类实现。StartCoroutine 将传入的 IEnumerator 封装为 Coroutine 返回，引擎会对 Corountines 存储和检查 IEnumerator 的 Current值。

③枚举了 WWW ,WaitForSeconds , null 和 WaitForEndOfFrame 检查 Current值在MonoBebaviour生存周期的时间（没有WaitForFixedUpdate ，D.S.Qiu猜测是其作者成文是Unity引擎还没有提供这个实现）：

WWW - after Updates happen for all game objects; check the isDone flag. If true, call the IEnumerator's MoveNext() function;

WaitForSeconds - after Updates happen for all game objects; check if the time has elapsed, if it has, call MoveNext();

null or some unknown value - after Updates happen for all game objects; Call MoveNext();

WaitForEndOfFrame - after Render happens for all cameras; Call MoveNext().

如果最后一个 yield return 的 IEnumerator 已经迭代到最后一个是，MoveNext 就会返回 false 。这时，Unity就会将这个 IEnumerator 从 cortoutines list 中移除。

所以很容易一个出现的误解：协程 Coroutines 并不是并行的，它和你的其他代码都运行在同一个线程中，所以才会在Update 和 Coroutine中使用同一个值时才会变得线程安全。这就是Unity对线程安全的解决策略——直接不使用线程，最近Unity 5 将要发布说的很热，看到就有完全多线程的支持，不知道是怎么实现的，从技术的角度，还是很期待的哈。

总结下：在协程方法中使用 yield return 其实就是为了返回 IEnumerator对象，只有当这个对象的 MoveNext() 返回 false 时，即该 IEnumertator 的 Current 已经迭代到最后一个元素了，才会执行 yield return 后面的语句。也就是说， yield return 被会“翻译”为一个 IEnmerator 对象，要想深入了解这方面的更多细节，可以猛击⑤查看。

根据⑤ C# in depth 的理解——C# 编译器会生成一个 IEnumerator 对象，这个对象实现的 MoveNext() 包含函数内所有 yield return 的处理，这里仅附上一个例子：

C#代码  
using System;  
using System.Collections;  
class Test  
    static IEnumerator GetCounter()  
        for (int count = 0; count < 10; count++)  
            yield return count;  
    }  
}  

C#编译器对应生成：

Cpp代码  
class Test  
    // Note how this doesn't execute any of our original code  
private static IEnumerator GetCounter()  
        return new <GetCounter>d__0(0);  
  
// Nested type automatically created by the compiler to implement the iterator  
    private sealed class <GetCounter>d__0 : IEnumerator<object>, IEnumerator, IDisposable  
        // Fields: there'll always be a "state" and "current", but the "count"  
// comes from the local variable in our iterator block.  
private int <>1__state;  
private object <>2__current;  
public int <count>5__1;  
        [DebuggerHidden]  
public <GetCounter>d__0(int <>1__state)  
            this.<>1__state = <>1__state;  
  
// Almost all of the real work happens here  
private bool MoveNext()  
            switch (this.<>1__state)  
                case 0:  
this.<>1__state = -1;  
this.<count>5__1 = 0;  
while (this.<count>5__1 < 10)        //这里针对循环处理  
                        this.<>2__current = this.<count>5__1;  
this.<>1__state = 1;  
return true;  
                        this.<>1__state = -1;  
this.<count>5__1++;  
                    break;  
                case 1:  
goto Label_004B;  
            return false;  
  
        void IEnumerator.Reset()  
            throw new NotSupportedException();  
  
void IDisposable.Dispose()  
        }  
        object IEnumerator<object>.Current  
            [DebuggerHidden]  
            {  
return this.<>2__current;  
        }  
        object IEnumerator.Current  
            [DebuggerHidden]  
            {  
return this.<>2__current;  
        }  
}  

从上面的C#实现可以知道：函数内有多少个 yield return 在对应的 MoveNext() 就会返回多少次 true （不包含嵌套）。另外非常重要的一点的是：同一个函数内的其他代码（不是 yield return 语句）会被移到 MoveNext 中去，也就是说，每次 MoveNext 都会顺带执行同一个函数中 yield return 之前，之后和两个 yield return 之间的代码。

对于Unity 引擎的 YieldInstruction 实现，其实就可以看着一个函数体，这个函数体每帧会实现去 check MoveNext 是否返回 false 。例如：

C#代码  
new WaitForSeconds(2f);  

上面这行代码的伪代码实现:

C#代码  
private float elapsedTime;  
private float time;  
private void MoveNext()  
        elapesedTime += Time.deltaTime;  
        if(time <= elapsedTime)  
return false;  
else return true;  
}  

增补于： 2014年04月22日 8:00

2）Cortoutine 扩展——Extending Coroutines: Return Values and Error Handling

不知道你们调用 StartCortoutine 的时候有没有注意到 StartCortoutine 返回了 YieldInstruction 的子类 Cortoutine 对象，这个返回除了嵌套使用 StartCortoutine 在 yiled retrun StartCortoutine 有用到，其他情况机会就没有考虑它的存在，反正D.S.Qiu是这样的，一直认为物“极”所用，所以每次调用 StartCortoutine 都很纠结，好吧，有点强迫症。

Unity引擎讲 StartCoroutine 传入的参数 IEnumerator 封装为一个 Coroutine 对象中，而 Coroutine 对象其实也是 IEnumerator 枚举对象。yield return 的 IEnumerator 对象都存储在这个 Coroutine 中，只有当上一个yield return 的 IEnumerator 迭代完成，才会运行下一个。这个在猜测下Unity底层对Cortountine 的统一管理（也就是上面说的检查 Current 值）：Unity底层应该有一个正在运行的 Cortoutine 的 list 然后在每帧的不同时间去 Check。

还是回归到主题，上面介绍 yield 关键字有说不允许不安全块，也就是说不能出现在 try catch 块中，就不能在 yield return 执行是进行错误检查。③利用 StartCortoutine 返回值 Cortoutine 得到了当前的 Current 值和进行错误捕获处理。

先定义封装包裹返回值和错误信息的类：

C#代码  
public class Coroutine<T>{  
public T Value {  
get{  
if(e != null){  
throw e;  
        return returnVal;  
}  
private T returnVal;  //当前迭代器的Current 值  
private Exception e;    //抛出的错误信息  
public Coroutine coroutine;  
public IEnumerator InternalRoutine(IEnumerator coroutine){  
//先省略这部分的处理  
}  

InteralRoutine是对返回 Current 值和抛出的异常信息（如果有的话）：

C#代码  
public IEnumerator InternalRoutine(IEnumerator coroutine){  
while(true){  
try{  
if(!coroutine.MoveNext()){  
break;  
        }  
catch(Exception e){  
this.e = e;  
break;  
        object yielded = coroutine.Current;  
if(yielded != null && yielded.GetType() == typeof(T)){  
            yield break;  
        else{  
return coroutine.Current;  
    }  

下面为这个类扩展MonoBehavior：

C#代码  
public static class MonoBehaviorExt{  
public static Coroutine<T> StartCoroutine<T>(this MonoBehaviour obj, IEnumerator coroutine){  
new Coroutine<T>();  
        return coroutineObject;  
}  

最后给出一个 Example：

C#代码  
        var routine = StartCoroutine<int>(TestNewRoutine()); //Start our new routine  
return routine.coroutine; // wait as we normally can  
// print the result now that it is finished.  
      
        yield return null;  
return new WaitForSeconds(2f);  
return 10;  
return 5;  
    }  

最后输出是10,因为Cortoutine<T> 遇到满足条件的 T 类型就执行 yield break;就不执行 yield return 5; 这条语句了。

如果将中 yield break; 语句去掉的话，最后输出的是 5 而不是10。

C#代码  
if(yielded != null && yielded.GetType() == typeof(T)){  
            yield break;  
        }  

其实就是Unity引擎每帧去 check yield return 后面的表达式，如果满足就继续向下执行。

下面在测试一个例子：连续两次调用 yield return coroutine;

C#代码  
private Coroutine routine1;  
void Start ()   

    routine1 = StartCoroutine(TestCoroutineExtention1()); //Start our new routine    

      

IEnumerator TestCoroutineExtention1()  

    yield return new WaitForSeconds(1);  
return 10;  
"Run 10!");  
return new WaitForSeconds(5);  
return 5;  
"Run 5!");  

IEnumerator TestCortoutine()  

    //wwwState = true;  
return routine1; // wait as we normally can    
" routine1");  
return routine1; // wait as we normally can   
" routine2");  

}  

测试运行会发现只会输出：

Run 10!

Run 5!

routine1

总结下： yield return expression 只有表达式完全执行结束才会继续执行后面的代码，连续两次执行 yield return StartCortoutine() 的返回值是不会满足的，说明 yield return 有区分开始和结束的两种状态。

3）Cortoutine Locking

虽然Cortoutine不是多线程机制，但仍会“并发”问题——同时多次调用 StartCortoutine ，当然通过Unity提供的api也能得到解决方案，每次StartCoroutine 之前先调用 StopCortoutine 方法停止，但这利用的是反射，显然效率不好。④对③的方案进行了扩展提供了 Cortoutine Locking 的支持，使用字符串（方法名）来标记同一个 Coroutine 方法，对于同一个方法如果等待时间超过 timeout 就会终止前面一个 Coroutine 方法，下面直接贴出代码：

C#代码  
using UnityEngine;  
using System;  
using System.Collections;  
using System.Collections.Generic;  

/// <summary>  
/// Extending MonoBehaviour to add some extra functionality  
/// Exception handling from: http://twistedoakstudios.com/blog/Post83_coroutines-more-than-you-want-to-know  
///   
/// 2013 Tim Tregubov  
/// </summary>  
public class TTMonoBehaviour : MonoBehaviour  

    private LockQueue LockedCoroutineQueue { get; set; }  

    /// <summary>  
/// Coroutine with return value AND exception handling on the return value.   
/// </summary>  
public Coroutine<T> StartCoroutine<T>(IEnumerator coroutine)  

        Coroutine<T> coroutineObj = new Coroutine<T>();  
base.StartCoroutine(coroutineObj.InternalRoutine(coroutine));  
return coroutineObj;  

      
/// <summary>  
/// Lockable coroutine. Can either wait for a previous coroutine to finish or a timeout or just bail if previous one isn't done.  
/// Caution: the default timeout is 10 seconds. Coroutines that timeout just drop so if its essential increase this timeout.  
/// Set waitTime to 0 for no wait  
/// </summary>  
public Coroutine<T> StartCoroutine<T>(IEnumerator coroutine, string lockID, float waitTime = 10f)  

        if (LockedCoroutineQueue == null) LockedCoroutineQueue = new LockQueue();  
new Coroutine<T>(lockID, waitTime, LockedCoroutineQueue);  
base.StartCoroutine(coroutineObj.InternalRoutine(coroutine));  
return coroutineObj;  

      
/// <summary>  
/// Coroutine with return value AND exception handling AND lockable  
/// </summary>  
public class Coroutine<T>  

        private T returnVal;  
private Exception e;  
private string lockID;  
private float waitTime;  

        private LockQueue lockedCoroutines; //reference to objects lockdict  
private bool lockable;  

        public Coroutine coroutine;  
public T Value  

            get   

                if (e != null)  

                    throw e;  

                return returnVal;  

        }  

        public Coroutine() { lockable = false; }  
public Coroutine(string lockID, float waitTime, LockQueue lockedCoroutines)  

            this.lockable = true;  
this.lockID = lockID;  
this.lockedCoroutines = lockedCoroutines;  
this.waitTime = waitTime;  

          
public IEnumerator InternalRoutine(IEnumerator coroutine)  

            if (lockable && lockedCoroutines != null)  

                if (lockedCoroutines.Contains(lockID))  

                    if (waitTime == 0f)  

                        //Debug.Log(this.GetType().Name + ": coroutine already running and wait not requested so exiting: " + lockID);  
break;  

                    else  

                        //Debug.Log(this.GetType().Name + ": previous coroutine already running waiting max " + waitTime + " for my turn: " + lockID);  
float starttime = Time.time;  
float counter = 0f;  

                        while (!lockedCoroutines.First(lockID, coroutine) && (Time.time - starttime) < waitTime)  

                            yield return null;  

                        }  
if (counter >= waitTime)  

                            string error = this.GetType().Name + ": coroutine " + lockID + " bailing! due to timeout: " + counter;  

                            this.e = new Exception(error);  

                            yield break;  

                    }  

                else  

                    lockedCoroutines.Add(lockID, coroutine);  

            }  

            while (true)  

                try   

                    if (!coroutine.MoveNext())  

                        if (lockable) lockedCoroutines.Remove(lockID, coroutine);  
break;  

                }  
catch (Exception e)  

                    this.e = e;  
this.GetType().Name + ": caught Coroutine exception! " + e.Message + "\n" + e.StackTrace);   
if (lockable) lockedCoroutines.Remove(lockID, coroutine);  
break;  

                  
object yielded = coroutine.Current;  
if (yielded != null && yielded.GetType() == typeof(T))  

                    returnVal = (T)yielded;  
if (lockable) lockedCoroutines.Remove(lockID, coroutine);  
break;  

                else  

                    yield return coroutine.Current;  

            }  

    }  

      
/// <summary>  
/// coroutine lock and queue  
/// </summary>  
public class LockQueue  

        private Dictionary<string, List<IEnumerator>> LockedCoroutines { get; set; }  

        public LockQueue()  

            LockedCoroutines = new Dictionary<string, List<IEnumerator>>();  

          
/// <summary>  
/// check if LockID is locked  
/// </summary>  
public bool Contains(string lockID)  

            return LockedCoroutines.ContainsKey(lockID);  

          
/// <summary>  
/// check if given coroutine is first in the queue  
/// </summary>  
public bool First(string lockID, IEnumerator coroutine)  

            bool ret = false;  
if (Contains(lockID))  

                if (LockedCoroutines[lockID].Count > 0)  

                    ret = LockedCoroutines[lockID][0] == coroutine;  

            }  
return ret;  

          
/// <summary>  
/// Add the specified lockID and coroutine to the coroutine lockqueue  
/// </summary>  
public void Add(string lockID, IEnumerator coroutine)  

            if (!LockedCoroutines.ContainsKey(lockID))  

                LockedCoroutines.Add(lockID, new List<IEnumerator>());  

              
if (!LockedCoroutines[lockID].Contains(coroutine))  

                LockedCoroutines[lockID].Add(coroutine);  

        }  

        /// <summary>  
/// Remove the specified coroutine and queue if empty  
/// </summary>  
public bool Remove(string lockID, IEnumerator coroutine)  

            bool ret = false;  
if (LockedCoroutines.ContainsKey(lockID))  

                if (LockedCoroutines[lockID].Contains(coroutine))  

                    ret = LockedCoroutines[lockID].Remove(coroutine);  

                  
if (LockedCoroutines[lockID].Count == 0)  

                    ret = LockedCoroutines.Remove(lockID);  

            }  
return ret;  

          

  

}  

小结：

本文主要是对 Unity StartCoroutine 进行了理解，从C# 的yileld 和 IEnumerator 到 Unity 的 StartCoroutine，最后并对Cortoutine 进行了扩展，虽然感觉不是很实用（用到的情况非常至少），但还是有利于对Coroutine 的理解和思考。

对于第三部分的代码感觉有不妥，没有进行测试，附件里有代码，有需求的话请自取

如果您对D.S.Qiu有任何建议或意见可以在文章后面评论，或者发邮件（gd.s.qiu@gmail.com)交流，您的鼓励和支持是我前进的动力，希望能有更多更好的分享。

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posted @ 2018-01-27 19:49 alps_01 阅读(819) 评论(0) 编辑收藏举报

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