《代号-奥罗拉岛》开发日志04 用Entitas（ECS框架）重构项目

闲鱼技术01 · 发表于 2022-6-26 20:13

写在前面

大概在2月份，我阐述了自己从游戏策划、游戏设计的角度，对于面向组件的游戏开发方式的一些观点。
之后我就开始致力于研究、实践这一方法，并开始制作独立游戏《代号-奥罗拉岛》。
起初我选择的游戏引擎是Godot，但在某些方面遇到了一些困难（主要是tilemap），可喜的是这些问题在godot 4.0 版本中都得到了解决。但在等待4.0正式发布前，我决定更换为Unity引擎。
当然，选择Unity引擎另一个原因是希望能够更容易找到一起开发的小伙伴。
关注Entitas框架已经是多年前的事情了，一直很喜欢Entitas 的设计哲学。当然选择Entitas的另一个更重要的原因就是后续可以方便移植到Godot中。
Entitas 如何与 Unity 解耦

基于以上原因（方便移植到godot）所以我在最开始就考虑Entitas 框架如何与Unity 解耦。在官方的github wiki上我看到了这篇文章：
文章作者的思路是通过Interface控制反转的方式，将Unity的API抽象为供给Entitas调用的Service，如下图所示：

Entitas 与 Unity的解耦模型

当然，得益于Entitas的代码生成和Event功能，Unity可以订阅Component 的修改并相应做到View层的改变。
这方面的架构模型类似于MVC，由Entitas 负责 Model 和Controller 部分，而Unity引擎负责View部分。或者说是CS模型，Unity只关注表现层面，Entitas负责数据模拟，这样双方都可以不关心彼此（或者说至少做到Entitas不关心表现层面的东西。）
下面来讲一些开发实践中的典型问题。
抽象Service处理玩家输入

在官方的Match-One 案例中，采用的是将Input抽象为Component并在单独的Context中处理，然后通过一个InputSystem反应系统来处理具体的输入逻辑。这样做毫无疑问将Entitas和Unity在了一起。
上面讲述通过Interface解耦Unity和Entitas的文章中对这种情况有很详细的解决办法。这里不再赘述。
将Input抽象为Service并保存在单例组件InputServiceComponent中，这是一个独立的ServiceContext，当然这只是一种实践方式，也可以采用依赖注入的方式而不是Component，本质思想不变。
但我很快遇到了新的问题，那就是依赖于物理的移动。在Unity引擎中通过刚体组件来判断角色是否和场景中的物体发生关系。并作出合理的移动判断。这该如何处理呢？
抽象Controller处理依赖于Unity的逻辑部分

如果Unity只作为表现层，而包括物理在内的逻辑校验都在Entitas中处理的话，就不需要讨论Controller这部分了。但不幸的是，类似物理、碰撞等内容依然依赖于Unity。这导致我进一步抽象出Controller，同样是通过Interface。以物理组件为例：

IphysiceController.cs

然后是Unity中的实现：

需要继承MoniBehaviour

所有的Controller都需要挂在GameObject上，因此需要继承MonoBehaviour
这个组件目前只是需要实现Position属性。然后我们在Entitas中通过componet持有这个Controller：

PhysicsComponent组件

最后，通过一个SyncPositionSystem 来处理位置同步相关的逻辑，这也是一个典型的ECS中的系统，首先收集感兴趣的Entity：这些Entity同时包含位置组件、物理组件和速度组件。之后遍历所有满足条件的Entity，将其位置信息和物理组件中的位置信息同步。

SyncPositionSystem

截止到目前，似乎一切又很完美了，但当我们要处理Collider的时候，似乎又遇到了问题
通过接口事件处理碰撞

但到目前位置，我依然不能确认这种方式是否是最佳实践。欢迎有不同意见的读者朋友交流。
按照上面的思路，对于需要碰撞的组件，我们添加IColliderController和持有它的 ColliderController组件。然后我们在Unity中实现这个接口：

ColliderController

这里面比较特殊的就是Action，当碰撞发生的时候或者结束的时候，Unity能够捕捉到Enter和Exit事件。然后调用对应的Action。于是我们可以在Entitas处理回调方法：

ColliderInputSystem

我有一个ColliderSystem，这是一个反应系统（ReactiveSystem），这个系统当ColliderComponent被添加的时候，就开始监听Trigger Enter 和 Exit的事件。然后可以进行下一步处理。
Entitas 内部代码如何组织

Entitas的作者在谈如何组织Entitas和Unity的代码时，绘制了下图：

ECS Game Architecture with Unity and Entitas

我认真看了作者和其他开发者之间的讨论，特别是关于Entitas内部的代码应该如何组织。
这里有必要讨论一下Context，对于Entitas中这一定义，我们应该怎么区分，当然，不只是制作层面，对于内存调用的问题，也包括代码架构方面，我的分层不是对于游戏中对象的切片，而是对于宏观上模块之间的切片。游戏内玩家能看到的componet和Entity全部在GameContext中，而除此之外的Context，则是一些更高级别的抽象，这里重点包括ServiceContext中持有着Entitas需要的各种Service实现。以及CommandContext中对于“命令”的抽象。
ControllerComponent 和ServiceComponent 通常是依赖于外部，需要Entitas每帧调用的。或者通过Action事件方式调用。但当感兴趣的事件发生时，相应的System如何操作。我这里的解决办法是，创建Command，以移动功能为例：

EmitInputSystem

首先是一个逐帧调用的移动输入判断，如果输入判断成功，则创建一个Command，这里是创建MoveCommand，通过对CommandContexts的扩展函数实现：

CreateMoveCommandEntity

在Entitas中需要大量的Context和Entity的扩展函数来完成一些公共代码的编写，其中最常见的就是创建某某实体。一个CommandEntity通常包括一个Owner，命令的发起者，然后根据命令的差别再包含一些自定义属性，这里是速度组件。
这里需要特别说明一下Owner组件，Entitas特别说明了不推荐对于Entity的直接引用，原因大概涉及到Entity的销毁、对象池之类的底层实现。但如果只是短暂的持有，开发人员明确其调用的时机的话则可以。因为如果用ID方式调用Entity必然有效率上的差异，这需要开发者自己取舍。
然后就是Entitas特有的ReactiveSystem，这是一类特殊的系统，这类系统只观察符合条件的Entity，在进行某个component的增删改（改本质上也是删增复合操作）操作时，触发Execute方法，这需要和IExecuteSystem系统区分开，并不是每帧调用。
于是我们顺理成章地有RespMoveSystem响应移动的系统，这个系统会将状态、数据的改变实际作用在GameEntity上：

RespMoveSystem

RespMoveSystem只是将速度组件添加在Owner对应的GameEntity上，一些更复杂的command可能还要在这里进行一些逻辑判断，比如伤害命令要判断目标GameEntity是否为“无敌”状态（也就是带有“无敌”组件）
之后，我们手动删除这个命令，或者这个命令Entity本身就是自销毁的。
抽象出Command的好处很多，比如后续一些AiService可以创造command而不是直接修改GameComponent、这使得Command可复用。并且在需要的时候可以将其序列化，方便制作类似录像回放等功能。
最后，便是GameContext中的一些逻辑处理，比如位置同步等，但做到了Command和GameSystem之间的逻辑分离，一切看起来更清晰了。
我这里并没有在添加InputAction层，因为InputAction都包含在Service和Controller中，于是我的代码结构看起来像这样：

我所理解的Entitas框架架构

尾声

ECS模型作为相对新颖的游戏开发模型，不同于MVC或其他更通用的模型，目前在网络上的学习资料依然不多。因此本文所阐述的内容只代表作者开发工程中的一些感悟，并不能作为ECS模式开发的最佳实践。在此抛砖引玉，欢迎大家友好交流。
后续依然会花更多精力用来研究ECS开发和更“活泼”的游戏AI设计，按照计划，下一篇文章应该会带来我对于GOAP相关研究的实践文章，并且会考虑如何将GOAP与Entitas框架结合起来使用。
我们下一篇文章再会。

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[笔记] 《代号-奥罗拉岛》开发日志04 用Entitas（ECS框架）重构项目

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