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关于Godot引擎的preload关键字

1. 本文组织

1.     背景
2.     源码分析
3.     实验验证
4.     结论

2. 背景

    Godot引擎指引Step By Step -> Resources的Loading resources from code节中有这样一段话：

The second way is more optimal, but only works with a string constant parameter because it loads the resource at compile-time.

    这段话引起了群组成员的讨论，什么叫compile-time?我们认识的GDScript是一门脚本语言还需要编译么？那么编译时加载是什么鬼？

    于是纷纷猜想：

是不是就是说运行时就在内存里了？
 
启动的时候加载在内存里?
 
GD可能是运行时编译，编译的同时加载?
 
c++的运行时加载的?
 
只要是preload的，启动程序的时候都已经读到内存了

    到底是什么呢？咱们来对照源码，并启动C++调试，探究一下这究竟是什么鬼。

3. 源码分析

    先交代一下源码版本：godot-3.0.6-stable

    我们开始吧。

    首先，我们不难找到，在godot源码的 modules/gdscript/gdscript.cpp 第1736行，可以发现，preload是gds语言的一个关键字，并不是函数（教程里经常出现的PI，居然也是关键字），也难怪C#版本的脚本不支持preload（当然，我们可以用别的方式来达到相同的效果）。

    既然preload是关键字，那么肯定会在做词法分析的时候有专门的case处理，好的，我们来到词法分析器的类 modules/gdscript/gdscript_tokenizer.cpp，我们顺利地在104行发现preloadtoken类型。继续，195行发现preloadtoken对应的token常量是GDScriptTokenizer::TK_PR_PRELOAD。

    当然，词法分析期这里具体的实现我们并不关心，我们只关心GDScriptTokenizer::TK_PR_PRELOAD这个token被怎么处理的。于是，我们来到module/gdscript/gdscript_parser.cpp，直接搜索GDScriptTokenizer::TK_PR_PRELOAD就能发现在 388 行是处理改token的case。代码略长，有兴趣的可以自己看看代码，这里只摘出我们感兴趣的部分(第457行开始的部分)：

Ref<Resource> res;
if (!validating) {
    //this can be too slow for just validating code
    if (for_completion && ScriptCodeCompletionCache::get_singleton()) {
        res = ScriptCodeCompletionCache::get_singleton()->get_cached_resource(path);
    } else { // essential; see issue 15902
        res = ResourceLoader::load(path);
    }
    if (!res.is_valid()) {
        _set_error("Can't preload resource at path: " + path);
        return NULL;
    }
} else {

    if (!FileAccess::exists(path)) {
        _set_error("Can't preload resource at path: " + path);
        return NULL;
    }
}
ConstantNode *constant = alloc_node<ConstantNode>();
constant->value = res;
expr = constant;

    因为语法分析不只是执行脚本要用，内置的脚本编辑器也会用来检查你的代码的合法性，因此，第一个if (!validating)正如注释所说，作用是加快运行速度，毕竟写代码的时候并不需要加载资源，因此else分支里面也仅仅检查文件是否存在。

    我们真正感兴趣的部分在 if 的 true 分支里，首先检查资源是否已经缓存了，是则用已经缓冲好的，否则现场加载资源，并在后面校验资源合法性。最后三行代码，就是设置 preload语句的返回值，返回的是一个“常量”（对GDScript来说）啦。

说点题外话

相信有经验的C++程序员已经能看出，这里使用的是“某种“智能指针，事实上，Godot的智能指针实现和C++11标准库的实现方式不相同，这里的智能指针的引用计数是被引用的对象所持有的(非常类似于OpenScenGraph里面的，WebRTC源码里面也有大量的这种风格智能指针，核心接口叫RefCountInterface)，两种智能指针各有优劣。

    其实到这里，我们就已经能得到结论了：preload在GDScript编译的时候加载，更准确地说，在对GDScript做词法分析的时候加载。 

    因此不再多说。于是……

再说点题外话

其实我们往外找，可以找到modules/gdscript/gdscript.cpp第1831行，ResourceFormatLoaderGDScript::load函数，该函数的作用是加载GDScript（不会直接调用，而是注册到ResourceLoader以后被间接调用）。可以看到，其实Godot引擎除了支持GDScript本身以外，似乎还支持两种扩展名的字节码:.gde和.gdc（有没有想起pyc?）。不过目前我没看到相关文档说支持，可能是我没看到，也可能是还没暴露出来吧（自己脑补：难道因为preload的行为可能得单独处理？）。

    第二部分到此结束，激动人心的时刻到了……做！实！验！！！

4. 实验验证

    我们设计一个实验来验证上面得到的结论。我这里用到的工具Visual Studio 2017 Community（以及其SDK和附带的工具）。

4.1. 获取源码，编译

    此过程略，不会的请恕我不多说，自己看文档。

4.2. 使用我们编译出来的Godot引擎编辑器启动

    同上，略

4.3 创建一个叫做TestPreload的项目

    同上，略

4.4 创建Scene1

如图，创建一个场景，依次创建Node，在其下创建一个Button，将这个场景保存为Scene1.tscn。为Node分配GDS脚本，命名为Scene1.gd，内容如下：

extends Node

func _ready():
    $Button.connect("pressed", self, "on_button_pressed")

func on_button_pressed():
    get_tree().change_scene("res://Scene2.tscn")

4.5 创建Scene2

如图，创建一个场景，依次创建Node，在其下创建一个Button以及一个TextureRect(不为其设置纹理)，将这个场景保存为Scene2.tscn。为Node分配GDS脚本，命名为Scene2.tscn，内容如下：

extends Node

func _ready():
    $Button.connect("pressed", self, "on_button_pressed")

func on_button_pressed():
    var tex = preload("res://icon.png")
    $TextureRect.texture = tex

说明

    要从Scene1跳到Scene2是考虑到调试的问题。
    即使你不查看代码，你也能发现Godot的游戏进程和Editor并不是同一个进程，调试Editor是无法调试游戏进程的。（不过不幸的是，即使它们是同一个进程也没法调试。如果你查看代码，会发现Godot的Project Manager和Editor并不是同一个进程，在Project Manager中选定项目后，Project  Manager会在一个新进程中打开Editor，随后自己退出。）
    我们想要在C++的级别对Godot游戏进行调试，需要使用调试器启动游戏进程（配置麻烦），所以选择了一个偷懒一点的做法：让游戏先启动，然后attach这个游戏进程。
    而游戏进程一起动就会加载Default Scene内相关的资源，为了方便对照load和preload的行为，我让Default Scene做跳转，当我Debugger  attacher上游戏进程以后，再跳转到Scene2。

4.6 启动游戏，使用Debugger

    启动游戏之前，我们设置一下游戏名称，方便等下找到游戏进程。项目->项目设置->Application->Config->Name设为TestPreload。Ok，启动！

    使用VS的调试器附加到游戏进程。在VS的菜单中选择调试->附加到进程，在可用进程列表中找到窗口标题为TestPreload的进程，点击附加按钮。附加成功的话，就可以看到VS的界面出现变化，可以看到很多被附加的进程的信息。当然，我们关心的只有preload。

4.7 设置断点，切换场景

    只有一处断点是我们关心的：preload的资源什么时候加载。为此，我们顺着gdscript_parser.cpp第464行的藤，摸ResourceLoader::load(在core/io/resource_load.cpp第190行)的瓜，我们在resource_load.cpp第192行设置断点。看何时触发该断点。

    开始实验前我们不妨预期一下实验结果：加载Scene2的时候，需要加载Scene2的场景文件、脚本文件，因此，这里至少会触发2次（当然我们并不关心），加载脚本文件的时候会编译脚本，此时preload会触发加载icon.png。好吧，开始~~

    我们从调试器自动窗口p_path可以看到，首先触发此断点是因为加载Scene2.tscn，继续运行，第二次触发此断点是因为加载Scene2.gd，继续运行，第三次触发此断点是因为加载icon.png，第四次触发此断点又是因为加载Scene2.gd。

    可以看到，preload确实是在加载（编译）Scene2.gd的时候完成加载的（查看第三次触发断点时的调用栈可以看出）。此时因为还没有执行on_button_pressed函数，TextureRect也是空的。好的，继续运行，不再触发断点，点击按钮，Texture显示了，但是仍然没有触发断点，继续点击按钮也不触发（因为preload的返回值是编译时产生的，对于GDScript来说是个常量）。

4.8 修改Scene2.gd的代码

    将preload改成load。

4.9 将4.6的步骤再做一次。

    可以看到，第一次触发断点是因为加载Scene2.tscn，第二次和第三次触发都是因为加载Scene2.gd，不会触发第四次断点，也就是说，这次在加载Scene2的时候，并没有加载icon.png。继续运行后，点击按钮，触发断点，因为要加载icon.png。继续运行，Texture显示了，不再触发断点。（如果再次点击按钮，仍然会触发断点，加载icon.png，这个好理解吧？因为调用了load函数。）

未解之谜
可以看到，两次实验中，脚本都被加载了2次，原因我目前也没看懂。求解!

5. 结论

    所谓的“编译时”加载，就是指的编译 gd源码的时候加载的，更具体一点，做语法分析的时候加载 。