Unity中的 原生插件/平台交互 原理

http://blog.csdn.net/u010019717/article/details/78451660

声明：  内容摘录自：  http://gad.qq.com/article/detail/20273

总结下来，其实主要是C/C++这种操作系统级别的语言作为桥接， 而且几乎所有高级编程语言都支持C/C++扩展，交互。

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)。

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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。