关于Unity Dots 1.0版本的学习研究(三)之基础概念

Ilingis · 发表于 2022-10-26 10:14

一、简介

如果了解了前两篇内容的读者，应该对dots整体已经有了一定的熟悉，且能够利用dots实现一些小功能了。但可能对其中部分概念理解的还是不是很透彻，本文则将更细致的介绍相关的基础概念，帮助大家加深印象。
二、核心概念

2.1 DOTS

全称Data-Oriented Techonology Stack，面向数据的技术栈，由Burst，ECS，JobSystem3大块组成。其中，Burst用来优化代码的编译效果，使运行速度更快，ECS指实体组件系统，JobSystem则提供多线程执行支持(篇幅二已详细介绍)。
2.2 ECS

unity的实体组件系统，由以下3个部分组成：

Entity。实体，ECS中的E，用来标识物体，不带任何方法。Dots模式部分的所有物体运行前都会转化成实体。
ComponentData。组件数据，ECS中的C，仅用来存放组件数据，不存在任何方法。
System。系统，ECS中的S，用来处理组件数据的方法，system代码会在运行游戏后自动执行。
Aspect。横截面，多个组件数据、实体等的组合，也可以包含其他Aspect，适用于需要同时获取多个组件数据的system。
Authoring。创作者，挂在gameobject上，运行时，在对应的脚本转化为实体时会调用，可以用来在转化过程中为目标实体添加新的组件数据。

优势：

通过chunk内存对齐，优化执行效率；
system遍历chunk执行逻辑，数据是连续的，缓存命中率高，执行效率更高；
组件只存在必要的数据，不像之前Transform等存在大量冗余数据，因此内存占用少；
所有数据均为结构体，非托管对象，不存在gc开销。

2.3 Unmanagerd Collection

非托管的集合对象。dots中不能使用托管的内存对象，所以相关集合都需要转化成非托管的对象来使用。
2.4 其他概念

chunk。块，系列二中已介绍过了。包含相同组件的实体存放在一个块中，但块是有大小的(128)，当数量很多时，就需要分成多个块。
Archetype。原型，系列二中已介绍过了。包含相同组件类型的实体可能存放在多个chunk中，而原型则存储所有的这些chunk。即原型中包含一个world中的所有具备相同组件的实体数据。

三、Entity详解

3.1 Entity与GameObject的异同

GameObject是托管的对象，而实体仅是一个唯一标识id。
相同类型的组件，一个实体只允许有一个，而gameobject可以有多个。
实体没有parent的概念，可以通过parent组件来实现。
实体可以添加方法，但是不推荐使用。

实体的组件类型可以是IComponentData、ICleanupComponent、IBufferElementData、ISharedComponent等。
3.2 SubScene机制

1.0中为了将ECS和常规开发模式更好的融合，添加了subscene机制(鼠标右键菜单，添加subscene即可创建)，需要ECS模式执行的对象可以放在subscene下，运行前，subscene下的所有对象都会转化为实体，其他部分则保持原样不变。
相比于面向对象开发，面向数据开发对大家来说并不是很友好，但很多情况这却是优化性能的关键，所以这个机制好处就在于在平常可以使用面向对象开发，仅把需要ECS优化的逻辑放在subscene下以ECS模式运行，从而很好的实现面向对象和面向数据的共存。

图1 subscene示例

3.3 关于worlds和EntityManagers

world是存放着实体的集合，且实体的唯一id也是仅限于其所在的world，即不同的world之间可能会存在不同的实体，但其实体id相同。
实体的创建和销毁是通过world的EntityManager来管理的。方法简介如下：

CreateEntity。创建一个实体。
Instantiate。根据另一个对象创建一个实体，会复制目标对象上的组件。
DestroyEntity。销毁实体。
AddComponent<T>()。给实体添加组件。
RemoveComponent<T>()。移除组件。
GetComponent<T>()。获得组件。
SetComponent<T>()。更改组件值，因为组件都是结构体，所以赋值需要重新设置值。

3.4 EnityId介绍

EntityManager为了能够通过id来查找实体，其内部维护了一个实体元数据的数组，如图2所示，每个实体Id对应此数组的一个槽，当要获取指定id的实体数据时，仅需把id当成此数组的index，获取对应槽的值，而槽的值为指向实体在chunk中位置的指针，如果指向的数据为空，则说明，实体不存在，反之则是要查找的目标实体。因此查找效率还是挺高的。
另外实体是可以销毁的，销毁后，对应槽的指针将指向null，同时这个索引将可以继续使用，此时假如为此槽分配了新的实体，那么之前访问实体的地方，再次根据id查找实体时将获得新的实体，导致出错，因此实体数据中除了id外，还会储存一个VersionNumber，标识实体的版本，槽中的实体每销毁一次，其存储的versionNumber就会自动+1，这样，之前访问实体的地方获取实体时，发现版本不对，就会提示不存在，从而解决了旧的引用获取新实体的问题。

图2

3.5 EnityQuery

system往往需要处理包含特定组件的实体，而这样的组件的数据的收集，则是通过EnityQuery来完成的。由于原型存放着包含相同组件类型的实体。因此当要查找包含某些组件或不包含某些组件的实体时，仅需比较原型就可以很快的拿到要查找的目标实体的chunks，而不用每个实体一一比对，这也是其高效查找的原因。
关于查询实体的方法有很多种，大家可以看demo了解下，后续有需要笔者也会总结在这里。
四、ComponentData

组件数据为结构体类型，且需继承自IComponentData。它是ECS中数据的载体，开发中需要根据不同的功能开发不同的组件，有的时候它可以没有变量，仅用来标识具备某个功能。
4.1 如何为monobehaviour转化的实体添加组件

创建一个组件数据，把脚本中的变量在组件数据中声明一下，再为其创建对应的backer，在baker中为其添加对应的组件即可。除此之外，还可以通过EntityManager等方法操作组件，这部分案例很多，就不过多介绍了。

图3

4.2 DynamicBuffer

可变长的数组，需要实现IBufferElementData接口，默认的初始数组长度为8，如果想要改变默认长度，可以通过
给类添加InternalBufferCapacity特性来调整。注意，它是存储在chunk外的。
当dynamicbuffer结构改变后，后续使用将会被安全检测机制检测到并抛出异常，因此每次结构改变都要创建一个新的dynamicbuffer。
4.3 Enableable components

实现了IBufferElementData或IComponentData的结构体，还可以同时实现IEnableableComponent接口，只有实现了此接口，组件的使能状态才能被控制，不使能的组件将无法查询到。官方文档中提供的存在控制组件使能状态API的途径：

EntityManager。API: SetComponentEnable<T>(Entity)。
ComponentLookup<T>。 API:SetComponentEnabled（Entity,bool）
BufferLookup<T>(控制dynamic buffer使能状态)。 API:SetComponentEnabled（Entity,bool）
EnabledRefRW<T> (used in a SystemAPI.Query or an IJobEntity)
ArchetypeChunk。API:SetComponentEnabled()。

五、System

5.1 system实现

system类写好后，无需调用，就会自动运行，通常是每帧调一次，且只能在主线程运行。system的实现有2种方式，一种是实现ISystem接口，一种是继承SystemBase。demo中有案例，新版本推荐通过ISystem接口实现，它可以将类及函数都加上burst特性，运行效率更高，且代码更简洁。
5.2 System和SystemGroup

一个系统组可以包含多个系统及其他系统组，而系统组中的update方法可以重写，从而控制其组内的system的调用顺序，除此之外，系统也可以添加特性UpdateBefore和UpdateAfter来控制执行在组内的执行顺序。默认的系统组按执行顺序分别为InitializationSystemGroup, SimulationSystemGroup, 和PresentationSystemGroup。我们自己创建的系统和组将默认放在SimulationSystemGroup，不过可以通过UpdateInGroup来调整所在组。
创建系统组案例如图4所示。

图4

设置一个系统所在系统组的案例如图5所示。

图5

UpdateBefore和UpdateAfter特性使用举例：[UpdateBefore(typeof(system1))]
5.3 SystemState

它是ISystem接口中方法的参数，是系统的实例，同时包含以下重要属性及方法：

world，system所在的world。
EntityManager，所在world的实体管理器，操作实体必备。
GetEntityQuery()，查询目标实体的方法，可以被系统追踪，从而更好的检测多线程不安全的使用。
GetComponentTypeHandle<T>()，组件类型句柄，chunk可以通过它判断、获取组件，可以通过其可以被系统追踪，从而更好的检测多线程不安全的使用
GetComponentLookup<T>()，获得world中的所有指定类型的组件，并返回一个包含这些组件的类似于字典的容器。可以被系统追踪，从而更好的检测多线程不安全的使用。

5.4 关于SystemState.Dependency

SystemState.Dependency存储了当前系统以来的jobhandler，最好等待其完成在执行本系统的内容，同时如果本系统执行完毕，返回之前，如果有希望后面的系统以来的jobhandler，则可以赋值给SystemState.Dependency，这样系统就能够有一个安全可靠的依赖关系，顺序执行，当然这不是必须的，需要使用者自行判断。
六、Dots中的集合

6.1 分类

Unity.Collections命名空间下，命名以Native-开头的的集合。具备安全检测机制，在没有正确销毁或者多线程不安全的情况使用时会抛出异常。
Unity.Collections.LowLevel.Unsafe命名空间下，命名以UnSafe-开头的集合。没有Native-系列的安全监测机制。
其他的类型使用比较少，且不分配指针，所以不需要关心dispose和线程安全。

6.2 Allocator

分配非托管内存集合时一个参数，用来控制其生存周期。

Allocator.Temp。临时数据，只存在于当前帧，帧结束后会自动销毁，分配效率最高。
Allocator.TempJob。可持续最多4帧的临时数据，分配效率比Allocator.Temp略慢，需要使用者通过dispose销毁，如果4帧内没正确销毁，将抛出异常。
Allocator.Persistant。永久的数据，需要手动dispose()，分配速度最慢。

6.3 集合简介

dots中的大多数集合都拥有一个GetEnumerator方法，迭代遍历方便高效，很多集合类型还会有一个嵌入的类型ParallelWriter，用以在并行任务中安全的使用数组。如NativeList<T>对应的NativeList<T>.ParallelWriter类型。
关于支持的集合类型，笔者将文档中的简介贴了出来，还是比较多的，就不一一单独介绍了，想了解使用细节，可以在官网查看API介绍！不过，之后在使用过程中，如果笔者发现哪些使用起来不是很好理解，或者有些坑要踩，笔者会回来完善此块，避免大家踩坑。
6.4 支持的数组型集合

图6

6.5支持的Map类型集合

图7

6.6 位相关集合

图8

6.7字符串类型集合

图9

6.8 其他类型集合

图10

七、其他重要基础概念

对于此部分笔者理解的还不是很透彻，知其然，不知其所以然，不过在后续的实践中笔者随着理解的深入，会反过来完善这部分。
7.1 ComponentLookUp<T>介绍

在job中不推荐通过EnityManager获取操作实体的组件，提倡使用此接口来获取。具体原因，笔者尚未完全理解，待之后更新。需要注意的是通过id来查找实体，可能会代码缓存丢失命中，所以要慎用。
7.2 SystemAPI

具备丰富的api，但只能在IjobEntity和ISystem中使用，关于查询实体官方推荐优先使用SystemAPI里的接口，其次是SystemState，最后是EntityManager和world。
7.3 EntityCommandBuffer和EntityCommandBuffer.ParallelWriter

功能如其名，把对实体相关的操作，用一个命令缓存存储起来，之后待主线程执行playback()后统一执行。而ParallelWriter模式则用在并行的job中，它可以对命令按一定规则排序，从而保证更安全的在多线程中使用它。
额外注意的点：官方建议每个job单独使用一个EntityCommandBuffer，共用一个常常会出现出错。
7.4 Temporary Entities

当在EntityCommandBuffer创建实体时，在playback()之前，实体实际是还未真实创建的状态，因此有了此临时实体id临时标识这个实体，待退出EntityCommandBuffer后，实体将分配真正的id，它也将变得没有意义。
7.5 EntityCommandBufferSystem

用来处理延迟执行的EntityCommandBuffer的中的命令，即专门用来执行EntityCommandBuffer的playback()方法的系统。这个一般情况下是不需要使用者自己创建，默认的world本身提供5种此类system，按执行顺序依次是BeginInitializationEntityCommandBufferSystem、EndInitializationEntityCommandBufferSystem、BeginSimulationEntityCommandBufferSystem、EndSimulationEntityCommandBufferSystem、BeginPresentationEntityCommandBufferSystem。和之前提到的3大systemgourp相对应。
八、结语

本文是笔者根据官方文档总结而来，存理论型的，权且了解下dots的基本内容，后续的实践中，笔者还会把遇到的重要的知识点在补充进来，同时也会修改理解的不到位的地方！
至此，关于dots1.0的介绍已经大体告一段落，后续笔者会通过些有意思的的案例，来加深理解和使用！

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