渲染引擎之ECS架构介绍

1.什么是ECS?

  1. 我们先简单地介绍一下什么是ECS:
  • E -- Entity 实体,本质上是存放组件的容器
  • C -- Component 组件,引擎所需的所有数据结构
  • S -- System 系统,根据组件数据处理逻辑状态的管理器

ECS全称Entity-Component-System,即实体-组件-系统,是一种软件架构模式。其中的Component组件用来存放数据,不能实现任何处理状态相关的函数,而System系统不可以自己去记录维护任何状态。说的通俗点,就是组件放数据,系统来处理 。这么做的好处,就是为了尽可能地让数据与逻辑进行解耦 ,可以降低代码复杂度 。与此同时,一个良好的数据结构设计,也会以增加CPU缓存命中的形式来提升性能表现。

ECS架构看起来就是这样子的。先有个场景,它是系统(system)和实体(Entity)的集合。而实体就是一个ID,对应了组件(Component)的集合。组件用来存储数据并且没有任何的行为(Behavior)。System有行为但是没有数据。

与传统的"类-继承"奉行的"我是什么"不同,基于组件化的ECS架构更强调的是"我有什么",是一种组合优先的编程模式。使用组合而非继承,会使代码更具灵活性。

对于很多人来说,ECS只是一个可以提升性能的架构,但是我觉得ECS更强大的地方在于可以降低代码复杂度。

MVC与ECS比较:

(1)MVC也好ECS也好他们都是一种编程的范式,或者说你组织代码的方式。然而他们的层面不同,也就是说不是一个层面的东西。

(2)MVC是一种分层的针对UI交互的设计,而ECS是一种处理对象关系的方式。

  • (3)ECS其实更是解耦的终极方案,处理更复杂问题的一种更好的方案。另一方面MVC并不是不关注数据驱动,想要使用好MVC数据的驱动也是必须的才能更好的解耦。只不过MVC更关于也更适用于UI方面的交互罢了,当然这也是一种经验模型,后来的MVP以及MVVM都是一种优化或者特别场合的提升。
  • 这两种架构方式并不冲突,可以视情况并同时使用。MVC比较实用于UI交互的设计,ECS比较适用于处理游戏物体间的业务逻辑关系。

2.ECS框架思想

数据都放在一边,需要的时候就去用,不需要的时候不要动。ECS 的本质就是数据和操作分离。传统OOP思想常常会面临一种情况,A打了B,那么到底是A主动打了B还是B被A打了,这个函数该放在哪里。但是ECS不用纠结这个问题,数据存放到Component种,逻辑直接由System接管。借着这个思想,我们可以大幅度减少函数调用的层次,进而缩短数据流传递的深度。

3.ECS遵循原则

  • 设计并不是从Entity开始的,而是应该从System抽象出Component,最后组装到Entity中。
  • 设计的过程中尽量确保每个System都依赖很多Component去运行,也就是说System和Component并不是一对一的关系,而是一对多的关系。所以xxxCOM不一定有xxxSys,xxxSys不一定有xxxCOM。
  • System尽量不改变Component的数据。

4.ECS的优缺点

优势

  • 数据和逻辑分离,耦合度低
  • 用组合代替继承,复用度高
  • 较容易进行性能优化
  • 由于所有的数据都在Component中,如果能够在内存中以合理的方式将所有Component聚合到连续的内存中,这样可以大幅度提升CPU缓存的命中率
  • 因为System之间已经完全解耦,所以理论上可以为每个System分配一个线程来运行

劣势

  • 需要一定的学习成本,需要适应ECS的思考方式
  • 需要花费更多的时间在代码结构的设计上

5.总结

  • 依赖于抽象而不依赖于具体
  • 减少依赖、降低耦合
  • 尽量使用组合而不是继承
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