Unity射线检测GC问题深度解析：从根源到优化

引言

射线检测是Unity游戏开发中最常用的技术之一，广泛应用于点击检测、视线判断、射击系统等场景。然而，不正确的射线检测用法可能导致严重的GC（垃圾回收）问题，进而影响游戏性能。本文将深入分析射线检测GC问题的根源，并提供完整的优化方案。

一、射线检测为什么会产生GC？

核心结论：射线检测本身不会产生GC，产生GC的是用于存储检测结果的数组。

在Unity中，以下射线检测API会产生GC开销：

// 这些API都会在每次调用时创建新的RaycastHit数组
RaycastHit[] hits1 = Physics.RaycastAll(origin, direction, distance);
RaycastHit[] hits2 = Physics.SphereCastAll(origin, radius, direction, distance);
RaycastHit[] hits3 = Physics.BoxCastAll(origin, halfExtents, direction, orientation, distance);
RaycastHit[] hits4 = Physics.CapsuleCastAll(point1, point2, radius, direction, distance);

GC产生的原理

数组是引用类型：RaycastHit数组在堆内存中分配
每次调用创建新数组：无论检测到0个还是多个物体，都会创建新数组
数组成为垃圾：当数组不再被使用时，等待GC回收
GC压力累积：频繁调用导致大量垃圾，引发频繁GC

二、无GC的射线检测API

Unity提供了NonAlloc版本的射线检测API，这些API使用预分配的数组，完全避免GC开销：

// 预分配数组（只需创建一次）
private RaycastHit[] hitResults = new RaycastHit[50];

// 使用NonAlloc版本，复用预分配数组
int hitCount = Physics.RaycastNonAlloc(origin, direction, hitResults, distance);

NonAlloc API的工作原理

结果直接写入预分配数组：从数组第0个元素开始覆盖旧数据
返回实际检测数量：hitCount表示有效结果的数量
忽略旧数据：只有前hitCount个元素是有效的，后面的元素是旧数据

常用NonAlloc API列表

Physics.RaycastNonAlloc()
Physics.SphereCastNonAlloc()
Physics.BoxCastNonAlloc()
Physics.CapsuleCastNonAlloc()

三、代码示例：错误 vs 正确用法

错误用法（产生GC）

void Update()
{
    // 每帧创建新数组，产生GC
    RaycastHit[] hits = Physics.RaycastAll(transform.position, transform.forward, 100f);
    
    foreach (RaycastHit hit in hits)
    {
        Debug.Log(hit.collider.name);
    }
}

正确用法（无GC）

// 预分配数组
private RaycastHit[] hitResults = new RaycastHit[50];

void Update()
{
    // 复用预分配数组，无GC
    int hitCount = Physics.RaycastNonAlloc(transform.position, transform.forward, hitResults, 100f);
    
    // 只处理前hitCount个有效结果
    for (int i = 0; i < hitCount; i++)
    {
        RaycastHit hit = hitResults[i];
        Debug.Log(hit.collider.name);
    }
}

四、扇形检测的GC优化案例

扇形检测是射线检测GC问题的重灾区，因为需要发射多条射线。以下是优化前后的对比：

优化前（产生大量GC）

public List<GameObject> DetectEnemiesInSector()
{
    List<GameObject> enemies = new List<GameObject>(); // 创建列表，产生GC
    
    int rayCount = 15; // 15条射线覆盖扇形
    float halfAngle = 30f;
    
    for (int i = 0; i < rayCount; i++)
    {
        float angle = -halfAngle + (i * sectorAngle / (rayCount - 1));
        Vector3 direction = Quaternion.Euler(0, angle, 0) * transform.forward;
        
        // 每条射线都产生GC
        RaycastHit[] hits = Physics.RaycastAll(transform.position, direction, 100f);
        
        foreach (RaycastHit hit in hits)
        {
            GameObject enemy = hit.collider.gameObject;
            if (!enemies.Contains(enemy))
            {
                enemies.Add(enemy); // 列表扩容可能产生GC
            }
        }
    }
    
    return enemies; // 返回新列表，产生GC
}

优化后（无GC）

// 预分配数组和列表
private RaycastHit[] hitResults = new RaycastHit[50];
private List<GameObject> detectedEnemies = new List<GameObject>(50);
private HashSet<GameObject> uniqueEnemies = new HashSet<GameObject>();

public List<GameObject> DetectEnemiesInSectorOptimized()
{
    detectedEnemies.Clear();
    uniqueEnemies.Clear();
    
    int rayCount = 15;
    float halfAngle = 30f;
    
    for (int i = 0; i < rayCount; i++)
    {
        float angle = -halfAngle + (i * sectorAngle / (rayCount - 1));
        Vector3 direction = Quaternion.Euler(0, angle, 0) * transform.forward;
        
        // 复用数组，无GC
        int hitCount = Physics.RaycastNonAlloc(transform.position, direction, hitResults, 100f);
        
        for (int j = 0; j < hitCount; j++)
        {
            GameObject enemy = hitResults[j].collider.gameObject;
            uniqueEnemies.Add(enemy);
        }
    }
    
    // 使用HashSet去重，效率更高
    detectedEnemies.AddRange(uniqueEnemies);
    return detectedEnemies;
}

五、最佳实践总结

1. 根据需求选择合适的射线检测API

检测单个物体（无GC）：如果只需要检测射线碰到的第一个物体，使用Physics.Raycast()：

if (Physics.Raycast(origin, direction, out RaycastHit hit, distance))
{
    // 处理检测结果
}

检测多个物体（有GC）：如果需要检测射线碰到的所有物体，使用Physics.RaycastAll()：

// 每次调用都会产生GC
RaycastHit[] hits = Physics.RaycastAll(origin, direction, distance);

检测多个物体（无GC）：如果需要检测多个物体且避免GC，使用Physics.RaycastNonAlloc()：

RaycastHit[] hitResults = ArrayPool<RaycastHit>.Shared.Rent(50);
int hitCount = Physics.RaycastNonAlloc(origin, direction, hitResults, distance);

核心原则：GC问题与射线数量无关，只与是否使用返回数组的API有关。即使是单条射线，使用RaycastAll()也会产生GC。

2. 多射线检测使用NonAlloc版本

// 预分配数组
private RaycastHit[] hitResults = new RaycastHit[100];

// 使用NonAlloc版本
int hitCount = Physics.RaycastNonAlloc(origin, direction, hitResults, distance);

3. 合理设置数组大小

数组大小应大于等于预期的最大检测数量
避免数组过大造成内存浪费
避免数组过小导致检测结果被截断

4. 使用对象池管理数组和列表

使用.NET ArrayPool（推荐）

对于数组对象池，推荐使用.NET内置的ArrayPool<T>，它是经过高度优化的数组对象池实现：

using System.Buffers;

// 从ArrayPool获取预分配数组
RaycastHit[] hitResults = ArrayPool<RaycastHit>.Shared.Rent(50);

// 使用数组
int hitCount = Physics.RaycastNonAlloc(origin, direction, hitResults, distance);

// 处理检测结果
for (int i = 0; i < hitCount; i++)
{
    RaycastHit hit = hitResults[i];
    // 处理结果
}

// 归还数组到池中
ArrayPool<RaycastHit>.Shared.Return(hitResults);

优势：

线程安全，适合多线程环境
自动管理数组大小，避免过度分配
减少内存碎片，提高内存使用效率
无需手动实现对象池逻辑

使用自定义列表对象池

对检测结果列表使用对象池，避免频繁创建销毁：

// 列表对象池
private List<GameObject> enemyListPool = new List<GameObject>(100);

// 从池中获取列表
List<GameObject> GetEnemyListFromPool()
{
    if (enemyListPool.Count > 0)
    {
        List<GameObject> list = enemyListPool[enemyListPool.Count - 1];
        enemyListPool.RemoveAt(enemyListPool.Count - 1);
        list.Clear();
        return list;
    }
    return new List<GameObject>(50);
}

// 归还列表到池中
void ReturnEnemyListToPool(List<GameObject> list)
{
    list.Clear();
    enemyListPool.Add(list);
}

六、总结

射线检测的GC问题完全可以避免，关键在于：

理解GC问题的根源：数组创建而非射线检测本身
选择正确的API：根据需求选择Raycast、RaycastAll或RaycastNonAlloc
合理管理内存：使用预分配数组或ArrayPool避免频繁创建
遵循最佳实践：根据检测需求选择合适的API

通过正确的优化措施，您可以在享受射线检测便利性的同时，完全消除其GC开销，为游戏性能保驾护航。

Unity射线检测GC问题深度解析：从根源到优化

Unity射线检测GC问题深度解析：从根源到优化

引言

一、射线检测为什么会产生GC？

GC产生的原理

二、无GC的射线检测API

NonAlloc API的工作原理

常用NonAlloc API列表

三、代码示例：错误 vs 正确用法

错误用法（产生GC）

正确用法（无GC）

四、扇形检测的GC优化案例

优化前（产生大量GC）

优化后（无GC）

五、最佳实践总结

1. 根据需求选择合适的射线检测API

2. 多射线检测使用NonAlloc版本

3. 合理设置数组大小

4. 使用对象池管理数组和列表

使用.NET ArrayPool（推荐）

使用自定义列表对象池

六、总结

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