ECS架构分析
概述
ECS全称Entity-Component-System，即实体-组件-系统。是一种面向数据(Data-Oriented Programming)的编程架构模式。
这种架构思想是在GDC的一篇演讲《Overwatch Gameplay Architecture and Netcode》（翻成：守望先锋的游戏架构和网络代码）后受到了广泛的学习讨论。在代码设计上有一个原则“组合优于继承”，它的核心设计思想是基于这一思想的“组件式设计”。
ECS的基本类型
- Entity（实体）：在ECS架构中表示“一个单位”，可以被ECS内部标识，可以挂载若干组件。
- Component（组件）：挂载在Entity上的组件，负载实体某部分的属性，是纯数据结构不包含函数。
- System（系统）：纯函数不包含数据，只关心具有某些特定属性（组件）的Entity，对这些属性进行处理。
运行逻辑
某个业务系统筛选出拥有这个业务系统相关组件的实体，对这些实体的相关组件进行处理更新。
基本特点
Entity数据结构抽象：
| PosiComp | MoveComp | AttrComp | ... |
|---|---|---|---|
| Pos | Velocity | Hp | ... |
| Map | - | Mp | ... |
| - | - | ATK | ... |
- 组件内聚本业务相关的属性，某个实体不同业务的属性通过组件聚合在一起。
- 从数据结构角度上看，Entity类似一个2维的稀疏表，如上述Entity数据结构抽象
- OOP的思路知道类型就知道了这个对象的属性，ECS的实体是知道了有哪些组件知道这个实体大概是什么，有点像鸭子理论：如果走路像鸭子、说话像鸭子、长得像鸭子、啄食也像鸭子，那它肯定就是一只鸭子。
- 业务系统收集所有具有本业务要求组件的Entity，集中批量的处理这些Entity的相关组件
推论
- ECS的组件式设计，是高内聚、低耦合的，对千变万化的业务需求十分友好
- 批量处理数据在这些数据在连续内存的场合下对CPU缓存机制友好
- 低数据耦合可以减少资源竞争对并行友好
- ECS处理数据的方式是批量处理的，一个实体需要连续处理的场合十分不友好
个人见解
个人认为ECS架构的核心是为了解决对象中复杂的聚合问题，能有效的管理代码的复杂度，至于某些场合下的性能的提升，在大多数情况下只是锦上添花的作用（一些SLG游戏具有大量单位可能会有提升吧）。它没有传统OOP编程模式的复杂的继承关系造成的不必要的耦合，结构更加扁平化，相比之下更易于业务的阅读理解和拓展。但这种技术并非是完美无缺的，它十分不擅长单个实体需要连续处理业务（如序列化等）或实体之间相互关联等场合（如更新两个实体的距离），而且对于一些业务逻辑相对固定的模块或者一些底层模块来说，松耦合和管理复杂度可能不是首要问题，有可能在设计上硬拗ECS组件式设计反而带来困扰。对于游戏来说，ECS架构在GamePlay上的实用程度相对较高，在其他符合其特性的模块如（网络模块）也能提供一些不同以往的解题思路。
细节讨论
单例组件
Q：有些数据只需要一份或被全局访问等情况下，没必要挂载在Entity上和筛选
A：使用单例组件，和其他组件一样是纯数据，但是可以通过单例全局访问，即可以被任意系统任意访问。
工具方法
Q：有些处理方法，不适合进行批量处理（例如计算两个单位的距离，没必要弄个系统每个单位都相互计算距离）
A：用工具方法，它通常是无副作用的，不会改变任何状态，只返回计算结果
System之间的依赖关系
Q: 假设有渲染系统和碰撞系统，要像在这一帧正确的渲染目标的位置，就需要碰撞系统先更新位置信息，渲染系统在进行位置，需要正确处理系统间的前后依赖关系。
A：一个很自然的思路就是分层，根据不同层级的优先级进行处理。由此提出流水线（Piepline）的抽象，定义一颗树和相关节点，系统挂载在其节点上，运行时以某种顺序（先序遍历）展开，同一个节点的系统可以并行（没有依赖）。有需要的话流水线还可以定义系统/实体/组件的初始化等其他问题。
System对Entity的筛选
Q：“原教旨主义”的ECS框架有ECS帧的概念，系统会在每一帧重新筛选需要处理的Entity。这种处理方式引起了很大的争论，大家认为是有一些优化空间。
A：社区中几乎没人赞同“原教旨主义”的做法，原因很简单：很多Entity在整个生命周期中都没组件的增删操作，还有相当部分有的有增删操作的Entity其操作频率也很低，每帧都遍历重新筛选代价相对太过昂贵，所以有人提出了缓存、分类、延迟增删操作等思路。一种思路是：Entity的增删/组件的增删的操作进行缓存，延迟到该系统运行时在进行评估筛选，以减少遍历和重复操作。
Entity是否在运行期动态更改组件分类&System是否每帧筛选Entity分类
Q：并不是每个Entity运行期都会改变动态变更组件，有些Entity在运行期压根就不变更组件，甚至它只被编译期就知道的指定System处理。也有些System不在运行期筛选Entity，要么编译期就知道处理哪些Entity，要么是处理一些单例组件。所以有人提出要不要对Entity和System对它们是否在运行期动态操作进行分类，以提升效率。
A：个人认为，Entity不变更组件，本身变动消息就很少只有增删，配合一些缓存、延迟筛选等方法其实没什么影响。不动态筛选Entity的System倒是可以分类型关闭Entity筛选。
是否加入响应式处理
Q：ECS是“自驱式”的更新，就像是U3D的Mono的Update方法更新。还有一种响应式的更新，即基于消息事件的通知。“原教旨主义”式的ECS框架是完全自驱的，没有消息机制。系统之间“消息传递”是通过组件的数据传递的，所以在处理“当进入地图时”这种场合，只能使用“HasEnterMap”或者“Enum.EnterMap”之类的标签，或者添加一个“EnterMapComponent"来处理。
A：个人倾向于加入一些消息的处理机制，可以更灵活些。基本思路是：给System添加一个收件箱，收到的消息放在收件箱的队列里。Entity相关变更（增删、变更组件）的一些消息单独使用一个队列管道，在系统刷新的时候首先处理Entity变更消息，进行评估筛选Entity,然后处理信箱里的其他消息，然后在处理System的更新逻辑。
内存效率优化
Q：批量处理数据在物理内存连续的场合有利于CPU缓存机制，关键是如何让数据的内存连续。首先想到的是使用数组，那么是组件使用数组还是Entity使用数组呢？
A：如果是组件使用数组，那么当系统处理的Entity包含多个组件的话，那么内存访问会在不同的数组中“跳来跳去”，优化效果十分有限。个人认为若是一定要优化内存访问，关键是保证组件一样的Entity存放在连续内存（Chuck）中，这样保证System访问Entity的内存连续，具体实现方案可以参考U3D的ECS设计Archetype和Chuck。另外，也有对象池的优化空间。上面提到，ECS并不是主要解决性能问题的，只是顺带的，不必太过于执着，当然有也是极好的~。
Unity ECS引入了Archetype和Chuck两个概念，Archetype即为Entity对应的所有组件的一个组合，然后多个Archetypes会打包成一个个Archetype chunk，按照顺序放在内存里，当一个chunck满了，会在接下来的内存上的位置创建一个新的chunk。因此，这样的设计在CPU寻址时就会更容易找到Entity相关的component
原型Demo示例
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Threading;
namespace ECSDemo
{
public class Singleton<T> where T : Singleton<T>, new()
{
private static T inst;
public static T Inst
{
get
{
if (inst == null)
inst = new T();
return inst;
}
}
}
#region Component 组件
public class Component
{
}
public class SingleComp<T> : Singleton<T> where T : Singleton<T>, new()
{
//
}
#endregion
#region Entity 实体
public class EntityFactory
{
static long eid = 0;
public static Entity Create()
{
Entity e = new Entity(eid);
eid++;
EntityChangedMsg.Inst.Pub(e);
return e;
}
public static Entity CreatePlayer()
{
var e = Create();
e.AddComp(new PosiComp());
e.AddComp(new NameComp() { name = "Major" });
return e;
}
public static Entity CreateMonster(string name)
{
var e = Create();
e.AddComp(new PosiComp());
e.AddComp(new NameComp() { name = name });
return e;
}
}
public class Entity
{
long instID = 0;
public long InstID { get => instID; }
public Entity(long id) { instID = id; }
// 预计一个Entity组件不会很多，故使用链表...
List<Component> comps = new();
public void AddComp<T>(T t) where T : Component
{
comps.Add(t);
EntityChangedMsg.Inst.Pub(this);
}
public void RemoveComp<T>(T t) where T : Component
{
comps.Remove(t);
EntityChangedMsg.Inst.Pub(this);
}
public T GetComp<T>() where T : Component
{
foreach (var comp in comps)
if (comp is T) return comp as T;
return default(T);
}
public bool ContrainComp(Type type)
{
foreach (var comp in comps)
if (comp.GetType() == type) return true;
return false;
}
}
#endregion
#region System 系统
public class System
{
protected SystemMsgBox msgBox = new();
public virtual void Run()
{
msgBox.Each();
OnRun();
}
public virtual void OnRun()
{
}
}
public class SSystem : System
{
//
}
public class DSystem : System
{
protected Dictionary<long, Entity> entities = new();
protected List<Type> conds = new();
HashSet<Entity> evalSet = new();
public DSystem()
{
msgBox.Sub(EntityChangedMsg.Inst, (msg) => {
var body = (EntityChangedMsg.MsgBody)msg;
var e = body.Value;
evalSet.Add(e);
});
}
public void Evalute(Entity e)
{
var id = e.InstID;
bool test = true;
foreach (var cond in conds)
if (!e.ContrainComp(cond))
{
test = false;
break;
}
Entity cache;
entities.TryGetValue(id, out cache);
if (test)
if (cache == null) entities.Add(id, e);
else
if (cache != null) entities.Remove(id);
}
public override void Run()
{
msgBox.EachEntityMsg();
foreach (var e in evalSet)
Evalute(e);
evalSet.Clear();
msgBox.Each();
OnRun();
}
}
#endregion
#region Pipline 流水线
public class Pipeline<ENode, V>
{
public class Node<NENode, NV>
{
List<NV> items = new();
NENode node;
Node<NENode, NV> parent;
List<Node<NENode, NV>> childern = new();
public List<Node<NENode, NV>> Childern { get => childern; }
public List<NV> Items { get => items; }
public Node(NENode n)
{
node = n;
}
public void AddChild(Node<NENode, NV> c)
{
childern.Add(c);
c.parent = this;
}
public void RemoveChild(Node<NENode, NV> c)
{
childern.Remove(c);
c.parent = null;
}
public void AddItem(NV v)
{
items.Add(v);
}
public void RemoveItem(NV v)
{
items.Remove(v);
}
}
Node<ENode, V> root;
Dictionary<ENode, Node<ENode, V>> dict = new();
public Pipeline(ENode node)
{
root = new Node<ENode, V>(node);
dict.Add(node, root);
}
public void AddNode(ENode n)
{
Node<ENode, V> p = root;
AddNode(n, p);
}
public void AddNode(ENode n, Node<ENode, V> p)
{
var node = new Node<ENode, V>(n);
p.AddChild(node);
dict.Add(n, node);
}
public void AddNode(ENode n, ENode p)
{
Node<ENode, V> node;
dict.TryGetValue(p, out node);
if (node != null)
AddNode(n, node);
}
public void AddItem(ENode n, V item)
{
Node<ENode, V> node;
dict.TryGetValue(n, out node);
if (node != null)
node.AddItem(item);
}
public void RemoveItem(ENode n, V item)
{
Node<ENode, V> node;
dict.TryGetValue(n, out node);
if (node != null)
node.RemoveItem(item);
}
protected void Traveral(Action<V> action)
{
TraveralInner(root, action);
}
protected void TraveralInner(Node<ENode, V> node, Action<V> action)
{
var childern = node.Childern;
var items = node.Items;
foreach (var child in childern)
TraveralInner(child, action);
foreach (var item in items)
action(item);
}
}
public class SystemPipeline : Pipeline<ESystemNode, System>
{
public SystemPipeline(ESystemNode en) : base(en)
{
//
}
public void Update()
{
Traveral((sys) => sys.Run());
}
}
public enum ESystemNode : int
{
Root = 0,
Base = 1,
FrameWork = 2,
GamePlay = 3,
}
#endregion
#region World 世界
public class World : Singleton<World>
{
SystemPipeline sysPipe;
public void Init()
{
sysPipe = SystemPipelineTemplate.Create();
}
public void Update()
{
sysPipe.Update();
}
}
#endregion
#region Event 事件
public class Event<T> : Singleton<Event<T>>
{
List<Action<T>> actions = new();
public void Sub(Action<T> action)
{
actions.Add(action);
}
public void UnSub(Action<T> action)
{
actions.Remove(action);
}
public void Pub(T t)
{
foreach (var action in actions)
action(t);
}
}
public class EveEntityChanged : Event<Entity> { }
public interface IMsgBody
{
Type Type();
}
public interface IMsg
{
void Sub(MsgBox listener);
void UnSub(MsgBox listener);
}
public class Msg<T> : Singleton<Msg<T>>, IMsg
{
public class MsgBody : IMsgBody
{
public MsgBody(T v, Type ty) { Value = v; type = ty; }
Type type;
public T Value { private set; get; }
public Type Type()
{
return type;
}
}
List<MsgBox> listeners = new();
public void Sub(MsgBox listener)
{
listeners.Add(listener);
}
public void UnSub(MsgBox listener)
{
listeners.Remove(listener);
}
public void Pub(T t)
{
var msgBody = new MsgBody(t, this.GetType());
foreach (var listener in listeners)
listener.OnMsg(msgBody);
}
}
public class EntityChangedMsg : Msg<Entity> { }
public class MsgBox
{
protected Queue<IMsgBody> msgs = new();
protected Dictionary<Type, Action<IMsgBody>> handles = new();
public virtual void OnMsg(IMsgBody body)
{
msgs.Enqueue(body);
}
public void Sub(IMsg msg, Action<IMsgBody> cb)
{
msg.Sub(this);
handles.Add(msg.GetType(), cb);
}
public void UnSub(IMsg msg, Action<IMsgBody> cb)
{
msg.UnSub(this);
handles.Remove(msg.GetType());
}
public virtual void Each()
{
while (msgs.Count != 0)
{
var msg = msgs.Dequeue();
var type = msg.Type();
Action<IMsgBody> handle;
handles.TryGetValue(type, out handle);
if (handle != null)
handle(msg);
}
}
}
public class SystemMsgBox : MsgBox
{
Queue<IMsgBody> entityMsgs = new();
public override void OnMsg(IMsgBody body)
{
if (body.Type() == typeof(EntityChangedMsg))
entityMsgs.Enqueue(body);
else
msgs.Enqueue(body);
}
public void EachEntityMsg()
{
while (entityMsgs.Count != 0)
{
var msg = entityMsgs.Dequeue();
var type = msg.Type();
Action<IMsgBody> handle;
handles.TryGetValue(type, out handle);
if (handle != null)
handle(msg);
}
}
public override void Each()
{
while (msgs.Count != 0)
{
var msg = msgs.Dequeue();
var type = msg.Type();
Action<IMsgBody> handle;
handles.TryGetValue(type, out handle);
if (handle != null)
handle(msg);
}
}
}
#endregion
#region AppTest
public class AppComp : SingleComp<AppComp>
{
public bool hasInit;
}
public class MapComp : SingleComp<MapComp>
{
public bool hasInit;
public int monsterCnt = 2;
}
public class PosiComp : Component
{
public int x;
public int y;
}
public class NameComp : Component
{
public string name = "";
}
public class AppSystem : SSystem
{
public override void OnRun()
{
if (!AppComp.Inst.hasInit)
{
AppComp.Inst.hasInit = true;
Console.WriteLine("App 启动");
}
}
}
public class SystemPipelineTemplate
{
public static SystemPipeline Create()
{
SystemPipeline pipeline = new(ESystemNode.Root);
// 基本系统
pipeline.AddNode(ESystemNode.Base, ESystemNode.Root);
pipeline.AddItem(ESystemNode.Base, new AppSystem());
pipeline.AddNode(ESystemNode.GamePlay, ESystemNode.Root);
pipeline.AddItem(ESystemNode.GamePlay, new PlayerSystem());
pipeline.AddItem(ESystemNode.GamePlay, new MapSystem());
return pipeline;
}
}
public class MapSystem : DSystem
{
public MapSystem() : base()
{
conds.Add(typeof(PosiComp));
conds.Add(typeof(NameComp));
}
public override void OnRun()
{
if (!MapComp.Inst.hasInit)
{
MapComp.Inst.hasInit = true;
for (int i = 0; i < MapComp.Inst.monsterCnt; i++)
EntityFactory.CreateMonster($"Monster{i + 1}");
Console.WriteLine($"进入地图 生成{MapComp.Inst.monsterCnt}只小怪");
}
foreach (var (id, e) in entities)
{
var name = e.GetComp<NameComp>().name;
var x = e.GetComp<PosiComp>().x;
var y = e.GetComp<PosiComp>().y;
Console.WriteLine($"【{name}】 在地图的 x = {x}, y = {y}");
}
}
}
public class PlayerComp : SingleComp<PlayerComp>
{
public Entity Major;
}
public class PlayerSystem : SSystem
{
public override void OnRun()
{
base.OnRun();
if (PlayerComp.Inst.Major == null)
PlayerComp.Inst.Major = EntityFactory.CreatePlayer();
if (Console.KeyAvailable)
{
int dx = 0;
int dy = 0;
ConsoleKeyInfo key = Console.ReadKey(true);
switch (key.Key)
{
case ConsoleKey.A:
dx = -1;
break;
case ConsoleKey.D:
dx = 1;
break;
case ConsoleKey.W:
dy = 1;
break;
case ConsoleKey.S:
dy = -1;
break;
default:
break;
}
if (dx != 0 || dy != 0)
{
var comp = PlayerComp.Inst.Major.GetComp<PosiComp>();
if (comp != null)
{
Console.WriteLine($"玩家移动 Delta X = {dx}, Delta Y = {dy}");
comp.x += dx;
comp.y += dy;
}
}
}
}
}
#endregion
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
World.Inst.Init();
while (true)
Loop();
}
public static void Loop()
{
World.Inst.Update();
Console.WriteLine("--------------------------------------------");
Thread.Sleep(1000);
}
}
}
- Demo包含了ECS的基本定义和分层、筛选、消息等机制，简单的原型多看下应该可以看明白。
- 当XXX的消息使用组件的数据HasInit实现，当然也可以使用消息，思路是：给System加虚函数Awake、Start、End、Destory等虚函数，SystemPipeline初始化时两次遍历分别Awake、Start，同样，清理时两次遍历调用End、Destory函数。可以在Start时监听一些消息，在End时清理。
- Pipeline流水线有一种更加自动化的绑定节点的方法：使用C#的特性（Attribute）标记System，在程序启动通过反射自动组装。大概类似这样：
[AttributeUsage(AttributeTargets.Class)]
public class SystemPipelineAttr : Attribute
{
public ESystemNode Type;
public SystemPipelineAttr(Type type = null)
{
this.Type = type;
}
}
[SystemPipelineAttr(ESystemNode.GamePlay)]
public class MapSystem {} // ...
// ...
public static Dictionary<string, Type> GetAssemblyTypes(params Assembly[] args)
{
Dictionary<string, Type> types = new Dictionary<string, Type>();
foreach (Assembly ass in args)
{
foreach (Type type in ass.GetTypes())
{
types[type.FullName] = type;
}
}
return types;
}
// ...
foreach (Type type in types[typeof (SystemPipelineAttr)])
{
object[] attrs = type.GetCustomAttributes(typeof(SystemPipelineAttr), false);
foreach (object attr in attrs)
{
SystemPipelineAttr attribute = attr as SystemPipelineAttr;
// ...
}
}
备注
- ECS的架构目前使用的非常的多，很多有名的框架设计都或多或少的受到了其影响，有：
- U3D的ECS架构：不是指原来的GameObj那套，有专门的插件，有内存优化
- UE4的组件设计：采用了特殊的组件实现父子关系
- ET框架：消息 + ECS，采用ECS解耦，更注重消息驱动的响应式设计，Entity和Comp的思路也独特：Entity同时是组件，并有父子关系
- 云风大佬的引擎：好像未开源，只有一些blog在讨论ECS，貌似连引擎层面和Lua侧都涉及ECS的设计思想
