Unity—ECS的内存分配器原理详解

TheLudGamer · 发表于 2022-10-9 16:35

ECS 为什么会高效，性能好，Entity的内存布局与分配就是非常重要的部分，今天我们一起来分析一下Unity ECS 架构里面如何来做高效的内存分配器。
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1: ECS 里面基本的一些概念
Unity ECS框架里面有几个重要的概念:

（Entity内存对象布局示意图）

总结一下Unity ECS的使用步骤与逻辑关系:

(Unity ECS 架构图)

2: ECS 高效的内存模型与布局

作为架构师，设计框架数据结构由为关键。特别对于游戏开发，要处理迭代成百上千个游戏物体。高效的内存模型与布局如何实现? 首先要明白怎么样布局内存才会高效。内存模型布局高效主要从两个方面来考虑:
1:内存对齐。
CPU访问不同地址的内存数据的时候，如果内存地址基于2^n 数据对齐(n根据CPU而定)，访问最为高效。例如我们以16字节数据对齐，那么对象内存开始排布的时候, 从地址能整除16的内存位置开始排布。高效的内存布局，对象实例内存地址要对齐，对象实例里面的每个数据成员内存地址也要对齐。Entity的内存分配与内存布局, 在创建Entity的时候，ECS系统就会注意Entity的内存对齐，同时也会注ComponentData在Entity里面排布的内存对齐，如果没有对齐，就会空一些出来。比如16字节对齐，一个ComponentData只有14个字节，实际上排布下一个ComponentData的时候是从16字节开始排布的。
2: CPU通过地址来取到内存数据的时，数据排布一起取的速度会更快。
ECS天然就具有这种优势。所有的逻辑代码迭代都是基ComponentData的，也就是算法迭代访问处理的数据都在一起，在一个ComponentData里面。这样访问数据高效，避免了地址的来回跳转。

3: Entity内存分配器 Chunk的设计
Unity ECS 设计内存分配缓存池:
(1) 基于固定大小的Chunk来做内存缓存池。每个Chunk大小为16KB(引用来自于UnityECS 文档)
(2) 当Archetype 确定后，Entity的内存大小就确定下来，每个Chunk能分配的当前的Entity数目就能确定下来。基于Archetype创建Entity的时候，首先从内存池里面拿一个Chunk, 然后根据每个Chunk可创建Entity数目，从Chunk里面把Entity分配出去，如果chunk分配完毕，从chunk内存缓存池里面再拿一个Chunk。由于基于Archetype创建，这个Archetype的所有Entity内存大小都是一样的，等释放的时候,我们就可以基于Archetype把Entity缓存起来,重复使用之前的Entity。
对于OS而言，ECS框架基于chunk来分配和释放内存，避免了内存碎片(大小都一样)。对于ArcheType而言，又基于特定ArcheType的Entity来做内存缓存，分配和释放都非常高效。
看完Unity ECS的架构设计与内存布局，我们在其他地方做ECS架构设计(游戏服务器)就有了一个很好的参考，设计万变不离其中，大家可以好好体会一下。关注公众号，回复 ECS，有一节我讲解的 Unity ECS开发的课程，帮助更进一步掌握了解Unity ECS。

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