Unity ECS入门学习笔记

资源大湿 · 发表于 2021-11-19 11:04

ECS Sample - Boids演示

引言

最近在学习A*寻路算法时，无意间发现Unity在2019年推出了一个新的框架ECS。了解片刻后，被这个框架带来的极大的性能提升所震撼，于是打算认真的学一下这个框架。这篇文章简单总结一下我近一周的学习心得，本人技术有限，如果文章有所疏漏也烦请指正！
ECS也就是Entity Component System的缩写，ECS采用了面向数据编程的思想，将之前笨重的GameObject拆分成值类型的Entity和Component，然后再使用System进行统一管理和运行。该框架亦引入了多线程编程技术，这样大大利用了设备CPU的性能。
这篇文章会包含如下内容：

为什么Unity要开发ECS

芯片性能增速变缓

根据Unity自己的说法，目前芯片的性能迭代早已不遵循摩尔定律，即每18个月芯片性能提高一倍。所以最大化的利用的芯片性能是之后是开发者需要关注的重中之重。
在我看来，其实Unity早就应该提出这一套开发框架了。。本身C#的性能就比C++低不少，而且Unity的MonoBehavior class也非常笨重，这一次的框架更新真的可以给未来基于Unity的游戏带来更多的可能。
ECS是如何带来性能提升的

根据Unity的文档解释，和我个人的理解，我认为有两点。
1. 提高了内存读写速度
但我们运行游戏内的逻辑时，CPU需要在内存里读取数据并放到缓存中等待读取，可是通常数据在内存里的存放顺序是随机的，所以这会很大降低内存寻址的效率。

数据在内存上的分布是随机的

但如果数据是连续存放的，那么内存寻址时的错误率会大大降低，从而减少CPU等待内存寻址的时间，进而提高了CPU的利用率。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。

Archetype示意图

Chunk示意图

2. 多线程的Job system提高了CPU利用率
这个比较好理解，Job system会把entities的分发到CPU的线程上，每个线程都会处理一系列任务。
什么情况要使用ECS

我个人认为并不是所有的项目/人都适合采用ECS架构，首先ECS的学习曲线较为曲折，太多新的方法，另外编程思想也不一样，整体学习的体验像是学一门新的语言，因此并不建议新手一上来就学ECS架构。
其次ECS主要解决的是CPU瓶颈，如果你的项目更多的是GPU瓶颈，那么没有必要把项目完全改成ECS框架，请考虑采用图形学方面的优化。
ECS比较适用于场景中有大量独立的agent逻辑的场景，比如RTS，模拟经营这类游戏就很适合用ECS进行优化。
ECS实例

实例下载：https://github.com/moecia/UnityECS
前言
在开始之前提一下刚刚没有讲到的2个ECS用的工具。
1. Burst Complier：Burst会把C#代码编译成更高效的机器语言，提高游戏运行速度

2. JobSystem：Unity开发的无痛多线程代码运行库。在最新的ECS 0.17.0版本中，似乎不需要再额外写专门的Job struct来实现多线程，只需要让我们的System类继承SystemBase class，并在OnUpdate的Entites.ForEach loop后，加上一个extension method即可实现多线程运行。

因为Unity ECS的更新比较频繁，所以在我学习过程中发现不少教程的方法都已经deprecate了。。所以我这个教程在1，2年后也难免变得不可用。

目前无论是ComponentSystem还是JobSystem，都被Unity宣布弃用。（不少老教程还在用这两个Class）所以我这里一律会使用SystemBase。

SystemBase的和ComponentSystem和JobSystem的主要区别是，在OnUpdate的Entites.ForEach loop后，必须要选择一个extension method，主要有3个常用的extension method，这里目前我还不太完全理解3个的具体区别（因为性能上表现比较一致）所以我这里仅复制粘贴文档，不做解释...
1. Run() : Runs the job immediately on the current thread.
2. Schedul(): Adds an IJobEntityBatchWithIndex instance to the job scheduler queue for sequential (non-parallel) execution.
3. ScheduleParallel(): Adds an IJobEntityBatchWithIndex instance to the job scheduler queue for parallel execution.
代码部分：
MoveSpeed.cs
using Unity.Entities;

namespace EcsSample
{
public struct MoveSpeedComponent : IComponentData
{
      public float MoveSpeed;
}
}MoveSystem.cs
using Unity.Entities;
using Unity.Transforms;

namespace EcsSample
{
public class MoveSystem : SystemBase
{
      protected override void OnUpdate()
      {
         var dt = Time.DeltaTime;
         Entities.ForEach((ref Translation translation, ref MoveSpeedComponent moveSpeedComponent) =>
         {
            translation.Value.y += moveSpeedComponent.MoveSpeed * dt;
            if (translation.Value.y > 5f || translation.Value.y < -5f)
            {
                  moveSpeedComponent.MoveSpeed *= -1;
            }
         }).ScheduleParallel();
      }
}
}TestController.cs
这里额外提下用到的SetSharedComponentData()方法。这个方法用于共享的component，然后会把所有share component打包到一个chunk，这样当需要更新share component时，因为它们内存中的存放位置时连续的，所以访问速度会更快。
using Unity.Collections;
using Unity.Entities;
using Unity.Mathematics;
using Unity.Rendering;
using Unity.Transforms;
using UnityEngine;
using Random = UnityEngine.Random;

namespace EcsSample
{
public class TestController : MonoBehaviour
{
      [SerializeField] private Mesh mesh;
      [SerializeField] private Material material;
      void Start()
      {

         var entityManager = World.DefaultGameObjectInjectionWorld.EntityManager;
         // Add entity achetype
         var entityArchetype = entityManager.CreateArchetype(
            typeof(MoveSpeedComponent),
            typeof(Translation),
            typeof(RenderMesh),
            typeof(LocalToWorld),
            typeof(RenderBounds));
         var entityArray = new NativeArray<Entity>(500000, Allocator.Temp);
         // Instantiate entities
         entityManager.CreateEntity(entityArchetype, entityArray);
         for (int i = 0; i < entityArray.Length; i++)
         {
            var entity = entityArray;
            entityManager.SetComponentData(entity, new MoveSpeedComponent { MoveSpeed = Random.Range(1f, 2f) });
            entityManager.SetComponentData(entity, new Translation { Value = new float3(Random.Range(-8f, 8f), Random.Range(-5f, 5f), 0) });

            entityManager.SetSharedComponentData(entity, new RenderMesh
            {
                  mesh = this.mesh,
                  material = this.material
            });
         }

         entityArray.Dispose();
      }
}
}代码结构比较简单，MoveSpeed.cs就是一个移动速度的Component class，第二个MoveSystem就是控制Entity移动的，当entity移动到屏幕地图顶上就会往下移动，反之到了底部就会往上移动。最后的TestController.cs就是用于生成Entity。
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参考资料

官方文档：
- https://docs.unity3d.com/Packages/com.unity.entities@0.17/manual/index.html
官方入门教学系列：
- https://learn.unity.com/tutorial/editor-scripting
官方样例：
- https://github.com/Unity-Technologies/EntityComponentSystemSamples
中文入门文档：
- http://dingxiaowei.cn/2020/02/09/
- https://www.lfzxb.top/unity-dots-ecs-burst-complier-jobsystem/

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