Unity ECS编程官方文档选译——Getting Started

资源大湿 · 发表于 2021-2-5 10:28

译注：Unity项目往往稍微大点就会有性能瓶颈。Unity 2018提出了面向数据编程模式的ECS系统，结合新的安全的多线程机制Job System来解决这个问题，来取代过去的单线程、面向对象的GameObject/MonoBehaviour模式。

一、前言

1，我们试图解决什么问题？

当用 GameObject/MonoBehaviour模式做应用时，很容易编写代码，但结果却是难以阅读、难以维护、难以优化。这是多种因素综合导致的，包括：面向对象模式、由Mono编译的非机器码、垃圾回收和单线程编程。

2，使用Entity-Component-System（ECS）来拯救你的工程

ECS是一种编写代码的新方式，着重于你真正该解决的问题:构成你应用的数据（data）和行为（behavior）。

译注：所谓的行为，具体来说就是方法。

除了从设计角度讲这是种更好地编程方式之外，使用ECS还可让你发挥Unity Job System和Burst编译器的功力，充分利用当今的多核处理器。
我们发布了Unity原生的Job System，用户可以使用它并结合ECS C＃脚本来获得多线程批处理的性能优势。这套Job System内置了用于检测线程竞争条件（race condition）的安全功能。
所以，我们需要引入一种新的思维和编码方式，以充分发挥Job System的优势。

二、什么是ESC？

1，MonoBehavior —— 亲切的老朋友

MonoBehaviours既包含数据也包含行为。一个进行旋转的简单例子：

class Rotator : MonoBehaviour
{
//数据-可以在编辑器面板里编辑值
public float speed;
//行为-从这个Coponent中读取speed，然后根据它改变Transform的rotation
void Update()
{
transform.rotation *= Quaternion.AxisAngle(Time.deltaTime * speed, Vector3.up);
}
}

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但是，MonoBehaviour继承了一大堆类；每个都包含了它自己的一大套数据——不管我们用不用得到。因此，我们无缘无故浪费了许多内存。所以，我们得想一想到底需要哪些数据，然后好好优化一下我们的代码。

译注：继承是面向对象编程的三大特征之一，同时也是一大缺点，它导致我们继承了一些无用的数据，浪费了太多内存，内存命中率低下。因此，我们不得不放弃过去的面向对象编程方式，用面向数据编程来进行连续紧凑的内存布局，以提高内存命中率。

2，ComponentSystem——迈入新领域的第一步

在我们的新模式中，一个Component只包含数据，而不包含行为。ComponentSystem才会包含行为，它负责用一组匹配的Component来更新所有GameObject（这些Component也不同于过去继承自MonoBehaviour的组件，它们是用结构struct体定义的，而非类class）。
用ComponentSystem实现上文MonoBehavior 相同的功能：

private class Rotator : MonoBehaviour
{
//数据 - 可以在编辑器面板里编辑值
public float Speed;
}
class RotatorSystem : ComponentSystem
{
struct Group
{
//定义这个ComponentSystem需要处理哪些Component
Transform Transform;
Rotator Rotator;
}
override protected OnUpdate()
{
// 我们马上看到了第一个优化
// 我们知道所有rotator的deltaTime都是一样的，
// 我们就把它存成个本地变量，以便获得根本更好的性能。
float deltaTime = Time.deltaTime;
// ComponentSystem.GetEntities<Group>
// 让我们可以高效地遍历每个有Transform & Rotator的GameObject
// (因为它们都被定义到上文的Group结构体里了)。
foreach (var e in GetEntities<Group>())
{
e.Transform.rotation *= Quaternion.AxisAngle(e.Rotator.Speed * deltaTime, Vector3.up);
}
}
}

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三、混合ECS: 用ComponentSystem配合现存的GameObject/Component模式

目前还存在大量基于MonoBehaviour/GameObject编写的代码，我们或许想要不费力地让ComponentSystem配合现存的GameObject/Component一起工作。其实一次性把一个项目转换成ComponentSystem风格其实也不难的。
从上述例子你就能看出来，我们很轻易地用ComponentSystem配合GameObject/Component遍历了所有的Rotator和Transformt。

1，ComponentSystem是怎么知道GameObject身上的Rotator和Transform的？
EntityManager需要事先知道那些对应的Entity，然后才能像上面的例子那样去遍历所有的Component。
ECS附带一种GameObjectEntity组件。当 OnEnable时，GameObjectEntity会创建一个包含GameObject身上所有Component的Entity。这样，整个GameObject和它的全部Component就都能被ComponentSystem遍历到了。

注意：所以，目前你必须要在你想让ComponentSystem能遍历得到或看得到的GameObject上添加GameObjectEntity组件。

2，这对我们程序来说意味着什么呢？
这意味着你可以一个接一个地，把MonoBehaviour.Update模式转变成ComponentSystem模式。
你可以继续使用GameObject.Instantiate 来创建实例等。
你只是简单地把MonoBehaviour.Update的内容移到了 ComponentSystem.OnUpdate里面去。数据仍然保存在那个MonoBehaviour或别的类型的Component中。

你这么做能够：

你这么做不能够：

所以结合使用ComponentSystem、GameObject和MonoBehaviour是写ECS代码的良好开头，它能给你立即的性能提升，但是它并没有发挥出所有的性能潜力！

四、纯粹ECS：IComponentData 和 Job

使用ECS的动机之一就是你想让程序有最佳性能。所谓最佳性能是说，你写一些简单的ECS 代码就能得到跟你完全手写SIMD指令集代码差不多的性能。

C# Job System不支持托管的类（class），只支持结构体（struct）类型和原生容器（NativeContainer）。所以，只有IComponentData才能被安全地用于C# Job System。
EntityManager 为组件数据的线性内存布局做出了有力的保证。这是使用IComponentData可以实现的C＃ Job System的重要组成部分。

译注：为什么要进行线性内存布局，EntityManager 怎样为组件数据的线性内存布局做出了有力的保证的，后面的ECS In Detail（1）文章会有阐述。

下面是使用纯粹ECS方式实现上述相同功能的例子：
1，使用IComponentData储存数据：

// 这个RotationSpeed就是简单地储存一下旋转速度
[Serializable]
public struct RotationSpeed : IComponentData
{
public float Value;
}
// 目前而言，你要想添加或移除Component，就必须要使用这个ComponentDataWrapper，
// 将来我们想把这个ComponentDataWrapper搞成自动的。
public class RotationSpeedComponent : ComponentDataWrapper<RotationSpeed> { }

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2，使用JobComponentSystem实现对数据的多线程批处理：

// 使用IJobProcessComponentData去遍历所有符合这个组件类型的Entity
// Entity的处理时并行的。主线程只负责安排Job。
public class RotationSpeedSystem : JobComponentSystem
{
//IJobProcessComponentData是用来遍历所有带有所需Compoenent类型Enity的简单方法
//它也比IJobParallelFor更高效更便捷。
[ComputeJobOptimization]
struct RotationSpeedRotation : IJobProcessComponentData<Rotation, RotationSpeed>
{
public float dt;
public void Execute(ref Rotation rotation, [ReadOnly]ref RotationSpeed speed)
{
rotation.Value = math.mul(math.normalize(rotation.Value), math.axisAngle(math.up(), speed.Value * dt));
}
}
// 我们继承JobComponentSystem，这样System就可以自动提供给我们所需Job之间的依赖关系了。
// IJobProcessComponentData声明了它要对RotationSpeed读操作，并且对Rotation写操作。
// 这样声明以后，JobComponentSystem就连可以给我们Job之间的依赖关系了，包括之前已经安排好的要写Rotation或RotationSpeed的那些Job。
// 我们要把这个依赖关系renturn出来，这样，依据类型我们已经安排好的Job就能注册到下一个可能会运行的System里去了。
// 这么做意味着:
// * 主线程不发生等待, 主线程只需要根据依赖关系去安排Job (只有依赖关系被确定以后，Job才会被启动)。
// * 依赖关系为我们自动计算出来了, 这样我们就只写一些模块化的多线程代码就可以了。
protected override JobHandle OnUpdate(JobHandle inputDeps)
{
var job = new RotationSpeedRotation() { dt = Time.deltaTime };
return job.Schedule(this, 64, inputDeps);
}
}

复制代码

译注：进一步内容可以参阅ECS In Detail（1）

普通人物怨 · 发表于 2021-2-5 10:29

为社区做贡献

万胜 · 发表于 2021-2-5 10:33

谢谢分享，加油~！

123456819 · 发表于 2021-2-5 10:35

Burst编译器是什么？

杨柳657 · 发表于 2021-2-5 10:38

现在不是完全体，打算等更新到18.3的版本时再用。

天一教育培训寐 · 发表于 2021-2-5 10:45

这个优化想法太棒了，虽然目前的确很绕，底层应该还有很多代码简化的空间

戏做顿 · 发表于 2021-2-5 10:47

应该是Unity的新编译器，同时还会推出新的数学库。

我是的十八簿 · 发表于 2021-2-5 10:53

作为一个无脑的程序员，我有必要考虑要1分钟实现的东西，值不值得我去花5分钟优化

因醉鞭名马幌 · 发表于 2021-2-5 10:56

哈哈哈，这是个问题。

poney · 发表于 2021-2-5 10:56

不同的地方选择不同的技术吧, 一般情况下用原来的GameObject-Component就好.

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