Unity 实体组件系统（ECS）——预览与体验

七彩极 · 发表于 2021-12-3 11:23

Hi，大家好。吃饱喝足，该写点东西了。

这次给大家带来一期&#34;新技术&#34;的介绍。没错，主角就是Unity官方正在推行的ECS框架（Entity-Component-System）。
相信大家多少听说过ECS（实体组件系统），或者在网络上查找过相关资料，甚至动手实现过一个自己的简易ECS框架。如果没有听说过也没有关系，可以通过实践可以更好地理解它。
简单介绍一下ECS的核心概念：
Entity（实体）：由一个唯一ID所标识的一系列组件的集合。
Component（组件）：一系列数据的集合，本身没有任何方法。只能用于存储状态。
System（系统）：只有方法，没有状态的工具，类似静态类。
这种设计看上去很新颖且奇特，具体到游戏开发的环节中是什么样的呢？
简单来说，Entity相当于一个只有唯一ID的GameObject，Component就是一个只有字段的Struct，System只有方法没有任何字段。Entity通过不同Component的组合可以被不同的System关注。
如下图所示：

Player（Entity）拥有Position，MoveSpeed，Velocity，Player这些Component。那么他就会被PlayerInputSystem，MoveSystem所关注，这些系统在Update时会对该实体的组件进行读写操作。
系统的调用顺序也可以打乱。PlayerInputSystem跟AIInputSystem由于写的是不同的实体的Velocity所以可以并行，可以把他们归到一个Group里面。MoveSystem由于需要读取Velocity，所以得等待Group中所有写入操作都完成后才能Update。

至于为什么要使用ECS，相信很多熟悉OOP（面向对象编程）的同学开发稍微复杂点的游戏时都遇到过：一大堆类不知道继承哪一个，为了解耦写一大堆管理器等。
ECS这种反直觉的设计理念在游戏开发中比起OOP有这些显而易见的优点：

没有大量的管理器或者中间件，简单地说就是避免了OOP中常见的过度抽象。
比起继承，组合的方式更容易塑造新的实体类型。
数据驱动，因为Component没有方法且被统一管理，方便利用Excel配置数据。
可以利用Utils（工具类）抽出System的共有方法，加上SingletonComponent（单例组件）提供全局访问进行解耦。

<hr/>ECS在1998年就已经被应用在一款叫做：Thief : The Dark Project 的游戏中。直到2017年在 GDC 2017上的演讲：Overwatch Gameplay Architecture and Netcode
守望先锋团队向大家分享了在守望先锋中使用的ECS以及一系列实现上的细节。这下才被广大开发者熟知。
由于ECS架构的一些特点，他可以很容易利用多个CPU实现逻辑并行，紧凑且连续的内存布局，比起OOP可以更方便地获得更大的性能提升。

在Unity2018中，伴随Unity ECS推出的还有Burst编译器与C# Job System。下面列出了一部分Unity ECS的愿景：

我们相信我们可以快速编写高性能代码，就像MonoBehaviour.Update一样简单。
我们相信，在基础层面，这将使Unity比现在更加灵活。
我们会立即为您提供有关任何竞态条件的错误信息。
对于小内容，我们希望Unity在不到1秒的时间内加载。
在大型项目中更改单个.cs文件时。组合编译和热重载时间应小于500毫秒。

Unity ECS现阶段并不推荐直接用于生产，但是了解他的使用方法还是很有用处的，因为ECS不仅可以提高性能，还可以帮助你编写更清晰，更易于维护的代码。
<hr/>看到这里有没有很想体验一下Unity的ECS？

下面我们就来写一些Unity ECS-Style风格的代码。

首先我们下载一个Unity 2018.X，新建一个工程在Window -> Package Manager 中选择Advanced -> Show Preview Packages，然后选择Entities并点击Install。
（在2018.1中点击All可以看到Entities）

看到Jobs出现就说明Entities已经安装完毕

准备就绪后，我们直接创建一个脚本并命名Bootstrap。
using System.Collections;
using System.Collections.Generic;
using UnityEngine;
using Unity.Entities;

public class Bootstrap
{
[RuntimeInitializeOnLoadMethod(RuntimeInitializeLoadType.BeforeSceneLoad)]
public static void Awake()
{

}

[RuntimeInitializeOnLoadMethod(RuntimeInitializeLoadType.AfterSceneLoad)]
public static void Start()
{

}
}
ECS不同于以往的Monobehavior，他有一套自己的生命周期。

代码中的Awake跟Start方法都是我自己编写的，只要给他们打上一个特性就会被Unity在场景加载的前后时机进行调用。（方法必须为静态方法）

我们在场景中创建一个空物体并命名Player，加上Mesh Instance Renderer Component（渲染组件）。

Mesh选择球形，新建一个材质球Red并且放在Material中，再把Cast Shadows（投影）设置为开启。

打开Bootstrap脚本，在Awake中创建出EntityManager与EntityArchetype：
private static EntityManager entityManager;    //所有实体的管理器, 提供操作Entity的API

private static EntityArchetype playerArchetype; //Entity原型, 可以看成由组件组成的数组

[RuntimeInitializeOnLoadMethod(loadType: RuntimeInitializeLoadType.BeforeSceneLoad)]
public static void Awake()
{
      entityManager = World.Active.GetOrCreateManager<EntityManager>();

      //下面的的Position类型需要引入Unity.Transforms命名空间
      playerArchetype = entityManager.CreateArchetype(typeof(Position));
}
通过World创建出EntityManager，EntityManager的对象提供了创建实体，给实体添加组件，获取组件，移除组件，实例化与销毁实体等功能。

按照Unity的说法，默认情况下会在进入播放模式时创建好World，因此我们直接在Awake使用World创建EntityManager就好了。

所以EntityManager就是一个实体的管理器。

上个版本的Unity ECS还是静态类，现在已经该为由World创建的实例了。

等待场景加载完成之后会调用Start方法：
[RuntimeInitializeOnLoadMethod(loadType: RuntimeInitializeLoadType.AfterSceneLoad)]
public static void Start()
{
      //把GameObect.Find放在这里因为场景加载完成前无法获取游戏物体。
      GameObject playerGo = GameObject.Find(&#34;Player&#34;);

      //下面的类型是一个Struct, 需要引入Unity.Rendering命名空间
      MeshInstanceRenderer playerRenderer =
         playerGo.GetComponent<MeshInstanceRendererComponent>().Value;

      //获取到渲染数据后可以销毁空物体
      Object.Destroy(playerGo);

      Entity player = entityManager.CreateEntity(playerArchetype);

      //修改实体的Position组件
      entityManager.SetComponentData(player, new Position
         { Value = new Unity.Mathematics.float3(0, 2, 0) });

      // 向实体添加共享数据组件
      entityManager.AddSharedComponentData(player, playerRenderer);
}

float3 是Unity新推出的数学库(Unity.Mathematics)中的类型，用法跟Vector3基本一致。
Unity建议在ECS中使用该数学库。

通过entityManager对象创建的实体都会被管理起来，在创建Entity时我们可以在CreateEntity方法的参数中填上之前创建好的playerArchetype（玩家原型），即按照原型中包含的组件依次添加到实体上。
在Update方法中获取了之前在场景中设置的渲染组件，并且作为AddSharedComponentData的参数。
这时我们的player实体已经拥有了两个组件：Position跟MeshInstanceRenderer。

关于ISharedComponentData接口：他的作用是当实体拥有属性时，比如：球形的实体共享同样的Mesh网格数据时。这些数据会储存在一个Chuck中并非每个实体上，因此在每个实体上可以实现0内存开销。

值得注意的是：如果Entity不包含Position组件，这个实体是不会被Unity的渲染系统关注的。因此想在屏幕上看见这个实体，必须确保MeshInstanceRenderer跟Position都添加到了实体上。

我们运行游戏就会看到我们创建的Player被显示出来了：

细心的你也发现了，在Hierarchy中并没有这个实体的信息。

原因是现在Unity编辑器还没有与ECS整合，因此我们需要打开Window -> Analysis -> Entity Debugger面板查看我们的系统与实体。

在EntityManager中可以看到Entity 0，那就是我们创建的player实体。此时他的Inspector菜单也会有数据填充：

每个Value对应一个Component及其具体的值。可以看到他的坐标，Mesh与Material都被更改了。

现在我们搭建一个简易场景，首先创建一个Plane并命名为Ground。然后创建一个灰色的材质球挂上去：

同时保持他的默认组件就好了：

运行游戏看一下效果：

我们只需要修改摄像机的Transform就能让游戏画面呈现出俯视角的效果：

视角调的还不错：

这时如果我们想在ECS框架中控制这个小球（Player）的移动该怎么实现呢？
<hr/>我们之前在Bootstrap脚本中已经实现了Awake跟Start了，其实每一个System都会实现Update方法。并且会在Start调用后开始调用。
player现在只包含两个组件：Position与MeshInstanceRenderer，显然缺乏一个标识组件，我们创建一个脚本并命名为PlayerComponent：
using Unity.Entities;

//组件必须是struct并且得继承IComponentData接口
public struct PlayerComponent : IComponentData
{
}
在Bootstrap.Start方法中，在player创建出来后加上一句：
entityManager.AddComponentData(player, new PlayerComponent()); //添加PlayerComponent组件

现在我们创建一个脚本命名为MovementSystem，继承自ComponentSystem：

类似继承Monobehavior，我们的系统只要继承了这个基类就会被Unity识别，并且每一帧都调用OnUpdate。

using UnityEngine;
using Unity.Entities;
using Unity.Transforms;
using Unity.Mathematics;

public class MovementSystem : ComponentSystem
{
protected override void OnUpdate()
{
}
}
Unity ECS帮我们简化了获取实体再获取组件的过程，现在可以直接获取不同的组件。也就是说我们可以获取被EntityManager管理的实体上我们想要的组件组成的集合。
利用一个特性：[Inject]：
//这里声明一个结构, 其中包含我们定义的过滤条件, 也就是必须拥有CameraComponent组件才会被注入。
public struct Group
{
      public readonly int Length;

      public ComponentDataArray<Position> Positions;
}

//然后声明结构类型的字段, 并且加上[Inject]
[Inject] Group data;

protected override void OnUpdate()
{
      float deltaTime = Time.deltaTime;

      for (int i = 0; i < data.Length; i++)
      {
         float3 up = new float3(0, 1, 0);

         float3 pos = data.Positions.Value; //Read

         pos += up * deltaTime;

         data.Positions = new Position { Value = pos }; //Write
      }
}

声明了Length属性后，Length会被自动注入，它代表结构中每个数组的总元素数量，方便进行for循环迭代。
[Inject]会从所有Entity中寻找同时拥有PlayerComponent与Position组件的实体，接着获取他们的这些组件，注入我们声明的不同数组中。
我们只需要在结构中声明好筛选的条件与我们需要的组件，ECS就会在背后帮我们处理，给我们想要的结果。
运行后player果然升天了：

趁热打铁，现在我们想自己通过输入控制小球在平面上移动。
先声明一个组件InputComponent作为一个标识：
using Unity.Entities;

public struct InputComponent : IComponentData
{
}
然后再声明一个组件VelocityComponent保存我们的输入向量：
using Unity.Entities;
using Unity.Mathematics;

public struct VelocityComponent : IComponentData
{
public float3 moveDir;
}

我们默认player的速度为1就不单独声明速度值了。
接着创建InputSystem来更改VelocityComponent的值，接下来的工作就是照猫画虎了：
using UnityEngine;
using Unity.Entities;
using Unity.Mathematics;

public class InputSystem : ComponentSystem
{
public struct Group
{
      public readonly int Length;

      public ComponentDataArray<PlayerComponent> Players;

      public ComponentDataArray<InputComponent> Inputs;

      public ComponentDataArray<VelocityComponent> Velocities;
}

[Inject] Group data;

protected override void OnUpdate()
{
      for (int i = 0; i < data.Length; i++)
      {
         float x = Input.GetAxisRaw(&#34;Horizontal&#34;);
         float z = Input.GetAxisRaw(&#34;Vertical&#34;);
         float3 normalized = new float3();
         if(x != 0 || y != 0)
            normalized = math.normalize(new float3(x, 0, z));

         data.Velocities = new VelocityComponent { moveDir = normalized }; //Write
      }
}
}

比较麻烦的一点就是，在游戏初期没有确立基础的组件与系统时需要频繁修改。
移动系统也需要修改：
//这里声明一个结构, 其中包含我们定义的过滤条件, 也就是必须拥有CameraComponent组件才会被注入。
public struct Group
{
      public readonly int Length;

      public ComponentDataArray<VelocityComponent> Velocities;

      public ComponentDataArray<Position> Positions;
}

//然后声明结构类型的字段, 并且加上[Inject]
[Inject] Group data;

protected override void OnUpdate()
{
      float deltaTime = Time.deltaTime;

      for (int i = 0; i < data.Length; i++)
      {
         float3 pos = data.Positions.Value;          //Read
         float3 vector = data.Velocities.moveDir;    //Read

         pos += vector * deltaTime; //Move

         data.Positions = new Position { Value = pos }; //Write
      }
}
还要回到Bootstrap.Start中，向我们的player继续添加这两个组件：
      Entity player = entityManager.CreateEntity(playerArchetype); // Position
      //添加PlayerComponent组件
      entityManager.AddComponentData(player, new PlayerComponent());  // PlayerComponent
      entityManager.AddComponentData(player, new VelocityComponent());// VelocityComponent
      entityManager.AddComponentData(player, new InputComponent()); // InputComponent
      // 向实体添加共享的数据
      entityManager.AddSharedComponentData(player, playerRenderer); // MeshInstanceRenderer

      //修改实体的Position组件
      entityManager.SetComponentData(player, new Position
         { Value = new Unity.Mathematics.float3(0, 0.5f, 0) });
Duang：

可以WASD操控player移动了

<hr/>Unity ECS只提供了渲染系统并没有提供物理系统，如果要跟以前的项目结合，我们还需要能够访问场景中的游戏物体，比如一个经典的Cube。

设置一下参数

我们的目的是让这个立方体升天

在Bootstrap.Start中获取我们的Cube，并且加上GameObjectEntity组件。

GameObjectEntity 确实叫这个名, 是Unity提供的组件。
添加上这个组件后Cube就可以被entityManager关注，并且可以获取Cube上的任意组件：
      //获取Cube
      GameObjectEntity cubeEntity = GameObject.Find(&#34;Cube&#34;).AddComponent<GameObjectEntity>();

      //添加Velocity组件
      entityManager.AddComponentData(cubeEntity.Entity, new VelocityComponent
         { moveDir = new Unity.Mathematics.float3(0, 1, 0) });
我们向Cube添加了一个VelocityComponent组件，在MovementSystem加上这些代码：
public struct GameObject
{
      public readonly int Length;

      public ComponentArray<Transform> Transforms; //该数组可以获取传统的Component

      public ComponentDataArray<VelocityComponent> Velocities;//该数组获取继承IComponentData的
}

[Inject] GameObject go;
在OnUpdate中加上这些代码，针对Transform进行操作：
      for (int i = 0; i < go.Length; i++)
      {
         float3 pos = go.Transforms.position; //Read
         float3 vector = go.Velocities.moveDir; //Read

         pos += vector * deltaTime; //Move

         go.Transforms.position = pos; //Write
      }

运行游戏后，我们可以看到：

Cube果然上天了

Cube跟player的移动其实是被不同的系统实现的，player是因为被默认存在的渲染系统关注了所以实现了移动，而Cube是我们自己的MovementSystem实现的。
如果想在ECS中用到之前的物理系统最好是自己写一个单独的系统并关注Rigidbody，BoxCollider这些传统组件，然后在OnUpdate中使用它们。
<hr/>看到这里你应该已经明白了ECS特点与Unity ECS的用法了，希望可以勾起你们对于ECS的兴趣，在以后针对多核开发的时代，相信ECS会成为高性能的代表。
介于篇幅原因，JobComponentSystem，NativeArray，System并行，组件的先后顺序，读写权限这些跟性能优化相关的点就没有介绍了，感兴趣的话可以去Unity ECS官网了解。
附上项目下载地址：

等以后Unity ECS更完善时再出一期。这期文章就到这里了，拜拜咯。

想系统性学习游戏开发、学习Unity开发的，新技术的，欢迎围观：
另外开发群走过路过也不要错过：869551769

JamesB · 发表于 2021-12-3 11:24

之前看Unity官方对ECS用法的说明，看了一下午搞的云里雾里。这种文章早点出就好了。

rustum · 发表于 2021-12-3 11:29

LiteralliJeff · 发表于 2021-12-3 11:37

源码地址：https://github.com/ProcessCA/UnityECSPreview

DomDomm · 发表于 2021-12-3 11:37

写得非常好，照着敲了一遍受益匪浅

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Unity 实体组件系统（ECS）——预览与体验

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