Unity Burst详解

【简介】

Burst是Unity的编译优化技术，优化了从C#代码编译成Native代码的过程，经过编译优化后代码有更高的运行效率。

在Unity中使用Burst很简单，在方法或类前加上[BurstCompile]特性即可。在构建时编译代码的步骤，Burst编译器会识别该特性对方法或类做编译优化。其适用于高性能计算的场景，逻辑复杂的场景不适用。

Burst编译的实现得益于已有的SIMD和LLVM技术。

【SIMD】

在现代 CPU 中，并行性操作大致分为三种类型：

指令级并行，主要由 cpu 流水线技术，乱序执行技术等技术完成
线程级并行，主要依靠多核多线程技术实现
数据级并行，主要依靠 SIMD (单指令多数据) 来实现

SIMD是CPU硬件设计的一部分，是的CPU可以同时对多个数据执行相同的操作。

指令执行时（指令由操作码和操作数构成）CPU先访问缓存，缓存分为指令缓存和数据缓存，如果缓存中有指令就读取，没有指令从内存中读取；读取数据的过程也类似。

以加法为例，对于5+2这个加法计算，最少需要四条指令：

将数值 5 加载到寄存器中（LOAD操作码）
将数值 2 加载到寄存器中（LOAD操作码）
将两个寄存器中的数值相加（ADD操作码）
将相加后的结果存储到指定的寄存器或内存中（STORE操作码）

在SISD（单指令单数据）中，每个指令只会取一次数据，而在SIMD（单指令多数据）中，一次指令会取多个数据，节省了CPU获取数据的时间。

一次性取出来的数放在向量寄存器中，但向量寄存器大小有限，在AVX指令集中有256位。

在C#中，float类型占64位，一般要4个float类型一组。

现代编译器有三种方式来支持 SIMD：

编译器能够在没有用户干预的情况下生成支持使用硬件SIMD的代码，称之为自动矢量化
通过使用的Intrinsics 函数实现 SIMD
使用矢量 C++ 类 (仅限ICC编译器) 来实现 SIMD

（Intrinsics函数是一种内建函数，它们用于实现高级别的底层操作。这些函数通常由编译器提供，并且可以直接映射到特定的硬件指令。使用Intrinsics函数可以实现对特定硬件功能的直接访问，从而提高代码的性能和效率。

内联函数通常用关键字inline声明，是由编译器处理的普通函数，编译器会根据需要将函数内容直接插入到调用处，减少了函数调用的开销。而Intrinsics函数一般不需要显式声明，编译器会自动识别并将其优化为特定的硬件指令）

Unity.Mathematics提供了支持SIMD的数据类型，例如float4/int4等类型，在Job中需要使用这些数据类型。

在Job中要多用float4类型才有效，例如有一个float类型的数组，可以转为float4类型的数组，有利于在循环计算时自动矢量化。

【LLVM】

传统编译器架构为：

frontEnd（前端）检查源代码是否存在错误，将源代码分析成词法单元，然后进行语法分析生成抽象语法树，生成中间IR语言

Optimizer(优化) 对中间IR语言进行优化，消除冗余计算，内联、变量折叠等

BackEnd(后端) 最终将IR中间语言生成目标机器所能执行的代码

这种问题在于不同语言都要有各自的编译器和优化手段，LLVM期望提供一种IR标准，不同语言经过编译后先生成LLVM IR语言，只需要针对其做优化即可。

新增一个语言时，只需新实现一个前端，新增一种设备后，只需新实现一个后端

BurstCompiler会根据特性找到需要编译的方法，将方法对应的C# IR转为LVVM IR，随后针对LVVM IR做优化，编译。

【Burst使用】

支持的类型和语法

可以简单的将BurstCompile特性至于方法或类上，但不是所有的方法和类都支持。情况如下：

支持基元类型：bool/byte/int/long/float/double,不支持char、string、decimal
支持Unity.Mathematics中的向量类型，例如bool3\bool4\int3\int4\float3\float4等
支持枚举类型、结构体、元组、System.IntPtr、Span<T>
支持DllImport and internal calls
不支持Managed Array，例如int[] a;支持NativeArray
方法中不能引用managed object
不支持Try Catch语法

打Log

代码中Log是少不了的，Burst对Debug.Log有额外支持，例如:

Debug.Log("This a string literal");


int value = 256;
Debug.Log($"This is an integer value {value}"); 

//string需要使用FixedString，例如：
FixedString128Bytes str = "fixedstring128";
Debug.Log(str);

编译检查

为避免在构建时才发现Burst编译不过，提供了Burst Inspector可以在Editor下预编译，以便查看编译结果

通过Jobs > Burst > Open Inspector 打开可视化面板，面板会显示编译结果

面板左边显示了可以正常编译得Job，右边显示当前选中的Job的编译结果，依次是：

Assembly:最终优化生成的NativeCode
.NET IL:原始的C# Job代码生成的IL
LLVM IR (Unoptimized) :未优化的LLVM IR
LLVM IR (Optimized)：优化后的LLVM IR
LLVM IR Optimization Diagnostics:提供优化诊断细节

舍弃编译

当在类或结构体添加BurstCompile特性后，默认对其内所有方法做编译，如果某个方法我们使用了Managed Object而不想编译，可以使用[BurstDiscard]特性。

注意，使用该特性时，方法不能有返回值，可以通过ref或者out传递返回值

同步编译

Editor上Job是默认异步编译的，首次执行到Job时才会异步编译。通过[BurstCompile(CompileSynchronously = true)]开启同步编译

精度设定

浮点数精度会影响计算性能，默认采用中等精度，可以通过[BurstCompile(FloatPrecision.Med, FloatMode.Fast)]指定精度

指定取值范围

对参数和返回值指定取值范围有利于编译器做特定的代码优化，例如

[return:AssumeRange(0u, 13u)]
static uint WithConstrainedRange([AssumeRange(0, 26)] int x)
{
    return (uint)x / 2u;
}

分支指定

可以通过Unity.Burst.CompilerServices.Hint.Likely告诉编译器该分支大概率为true，需要重点优化，例如

if (Unity.Burst.CompilerServices.Hint.Likely(b))
{
    // Any code in here will be optimized by Burst with the assumption that we'll probably get here!
}
else
{
    // Whereas the code in here will be kept out of the way of the optimizer.
}