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  • EcsRx是对通用ECS模式的一种React,采用rx进行了良好分离的设计,并遵循IoC和其他明智的设计模式。 产品特点 简单的ECS界面可遵循 完全React式架构 偏爱继承而非继承 坚持控制反转 轻量级的代码库 内置对事件的支持...
  • 游戏开发中的ECS模式

    千次阅读 2019-08-15 11:15:36
    所谓的ECS模式全称就是Entity-Component-System模式。很早就听说过unity等引擎中广泛地使用了这样的模式,没有细查。今天看了几篇文章之后有了些许了解,故记叙此文作为笔记。 一、问题提出 之前在写STG框架的时候...

    游戏开发中的ECS设计模式初探

    转自: https://blog.csdn.net/yuliying/article/details/48625257

    所谓的ECS模式全称就是Entity-Component-System模式。很早就听说过unity等引擎中广泛地使用了这样的模式,没有细查。今天看了几篇文章之后有了些许了解,故记叙此文作为笔记。

    一、问题提出

    之前在写STG框架的时候遇到了这样的问题,以面向对象的思想对游戏对象进行抽象,那么可以实现一个基类GameObject。之后包括敌机、自机、子弹在内的所有对象都继承这个基类并进行实现。

    于是很容易设计出这样一个基类:

    classGameObject
    
    {
    
    private:
    
    // === 基础属性 ===
    
    fcyVec2 m_Position; // 位置
    
    fcyVec2 m_Rotation; // 方向
    
    fcyVec2 m_Scale; // 缩放
    
    
    
    // === 碰撞属性 ===
    
    fcyVec2 m_Size; // 大小
    
    public:
    
    voidUpdate(floatdelta);
    
    voidRender(floatdelta);
    
    };

    之后,继承这个基类,分别实现GameBullet、GameEnemy……

    这样带来的问题就是游戏对象的逻辑往往在超类中被定死了,而一旦需要对逻辑作出修改,要么重写实现,要么继承基类进行覆盖。此外,在C++中使用对象池优化时就会造成灾难性的后果——一种类型一个池(尽管可以用通用的内存分配器,但是这样还要考虑内存碎片等杂七杂八的问题)。

    对于传统的设计思路,在游戏开发上就会导致“类灾难”。于是ECS模式被提了出来,用于解决继承带来的问题。

    二、ECS的解决之道

    使用继承去表述游戏对象和逻辑会造成逻辑混杂、维护扩展困难的问题。

    既然继承出了问题,我们就用组合来解决吧。

    于是在2002年的Game Dungeon Siege上,ECS模式被提了出来。

    ECS全写即“实例-组件-系统”的设计模式。简言之,实例就是一个游戏对象实体,一个实体拥有众多的组件,而游戏系统则负责依据组件对实例做出更新。

    举个例子,如果对象A需要实现碰撞和渲染,那么我们就给它加一个碰撞组件和一个渲染组件;如果对象B只需要渲染不需要碰撞,那么我们就给它加一个渲染组件即可。而在游戏循环中,每一个系统都会遍历一次对象,当渲染系统发现对象持有一个渲染组件时,就会根据渲染组件的数据来执行相应的渲染过程。同样的碰撞系统也是如此。

    也就是说游戏对象需要什么就会给自己加一个组件。而系统会依据游戏对象增加了哪些组件来做出行为。换言之实例只需要持有必要的数据,由系统负责逻辑就行了。这也就是ECS模式能和数据驱动很好结合的一个原因。

    于是在上述问题中所有的派生类都消失了,只留下了GameObject。

    三、没有什么是完美的

    虽然ECS模式可以让维护和扩展的成本降低——必要的时候你只要给对象增加组件、为游戏逻辑增加系统就可以扩展了。这种设计降低了耦合,也提高了可复用性。

    但是很明显的,ECS带来了两个缺陷:

    1、数据共享

    比如渲染组件需要对象的位置信息、碰撞组件也要对象的位置信息,那么我们怎么解决这里的数据共享问题?

    一种解决方法是把位置信息作为组件抽象出来,但是这样带来的问题就是效率会降低,在处理渲染和碰撞的时候都会再去存取一次位置信息。

    另一种解决方法是使用引用(比如使用C++中的智能指针)在构建对象的时候分配同一位置对象,然后传递引用给其他组件。

    2、遍历次数

    当游戏中数量巨大并且系统数量也增加时,很明显整个算法的复杂度将不低于O(n*m),遍历对象的次数将变得巨大。

    比如碰撞检测系统若是两两对象进行逻辑处理那么速度上的损失将是十分巨大的。

    这里的一种解决方法是分集合处理,不再赘述。

    四、参考文档

    http://blog.lmorchard.com/2013/11/27/entity-component-system

    http://piemaster.net/2011/07/entity-component-primer/

    http://www.richardlord.net/blog/what-is-an-entity-framework

    http://en.wikipedia.org/wiki/Entity_component_system

    http://blog.csdn.net/i_dovelemon/article/details/27230719

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  • Filament 渲染引擎剖析 之 ECS模式

    千次阅读 2020-07-07 15:35:23
    一、什么是 ECS 模式 ECS Entity-Component-System(实体-组件-系统) 是基于组合优于继承原则的一种模式,每一渲染对象都是一个实体,每个实体由一个或者多个组件构成,每个组件仅包含该组件需要关注的数据,而系统...

    一、什么是 ECS 模式

    ECS Entity-Component-System(实体-组件-系统) 是基于组合优于继承原则的一种模式,每一渲染对象都是一个实体,每个实体由一个或者多个组件构成,每个组件仅包含该组件需要关注的数据,而系统来处理这些实体的集合,只有逻辑部分,不存在状态。

    ECS 的优势:
    (1) 容易添加新的复杂的实体类型
    显而易见,将需要的组件整合起来就会形成一个新的实体类型。
    (2) 容易定义新的实体数据;、
    实体数据是在组件中定义的,只需要扩充新的组件很容易的定义新的实体属性。
    (3) 更加高效;
    各个系统只负责处理自己关心的数据,内存命中率更高。

    二、为什么“组合优于继承” ?

    设计模式两个核心原则:

    (1)面向接口编程,而不是具体的实现。
    (2)代码的复用既可以通过类继承实现,也可以通过对象的组合实现,应该尽量选择对象组合的方式。

    继承实现代码复用是一种“白盒复用”,必须要了解父类的实现细节。
    对象组合实现代码复用是一种“黑盒复用”,无需了解对象的内部细节,只需关心接口的定义,通过改变对象的引用来改变行为。

    • 类继承的优点:

    (1)类继承关系是在编译时刻静态的定义好的,使用直观;
    (2)类继承修改重用的代码变得相对容易,仅仅修改继承的方法;

    • 类继承的缺点:

    (1)运行时刻不能改变继承了父类的子类的行为;
    (2)通过继承实现代码复用是把父类的细节暴露给了子类,父类与子类紧密的绑定在一起,父类实现的改动会导致子类也改动;

    对象组合的优点:
    (1)对象的组合是在运行时刻通过对象间的引用关系定义的,这就就按要求不同的对象要遵从对方所实现的接口,从而要求更加用心接口的设计。

    (2)对象的组合是通过接口实现的, 在复用过程中不会打破其封装的。任何一个对象在运行时都能替换为另一个实现了相同接口且同类型的对象。具体实现之间依赖少。

    (3)对象的组合方式可以保持每个类的内聚性,让每个类专注实现一个功能。

    • 对象组合的缺点:
      类继承的优点即是对象组合的缺点。

    Filament ECS 的实现

    Entity ——对象的索引

    我们从每个组件管理器看每个entity 可以附着的组件:

    
    class FEngine : Engine {
    ...
    public:
        FRenderableManager& getRenderableManager() noexcept {
            return mRenderableManager;
        }
    
        FLightManager& getLightManager() noexcept {
            return mLightManager;
        }
    
        FCameraManager& getCameraManager() noexcept {
            return mCameraManager;
        }
    
        FTransformManager& getTransformManager() noexcept {
            return mTransformManager;
        }
    
        utils::EntityManager& getEntityManager() noexcept {
            return mEntityManager;
        }
        
        void destroy(utils::Entity e) {
             mRenderableManager.destroy(e);
             mLightManager.destroy(e);
             mTransformManager.destroy(e);
             mCameraManager.destroy(e);
        }
    }
    
    void FEngine::createRenderable(const RenderableManager::Builder& builder, Entity entity) {
        mRenderableManager.create(builder, entity);
        auto& tcm = mTransformManager;
        // if this entity doesn't have a transform component, add one.
        if (!tcm.hasComponent(entity)) {
            tcm.create(entity, 0, mat4f());
        }
    }
    
    void FEngine::createLight(const LightManager::Builder& builder, Entity entity) {
        mLightManager.create(builder, entity);
    }
    

    从 FEngine 中的代码可以看出, filament 的组件主要包含以下几类:

    • 可渲染组件 RenderableComponent
    • 变换组件 TransformComponent
    • 灯光组件 LightComponent
    • 相机组件 CameraComponent

    那么这些组件是如何与Entity 关联起来呢?
    ——通过组件管理类的创建接口,将组件与Entity映射起来。

    void FLightManager::create(const FLightManager::Builder& builder, utils::Entity entity) {
        auto& manager = mManager;
    
        if (UTILS_UNLIKELY(manager.hasComponent(entity))) {
            destroy(entity);
        }
        Instance i = manager.addComponent(entity);
        assert(i);
    
        if (i) {
            // This needs to happen before we call the set() methods below
            // Type must be set first (some calls depend on it below)
            LightType& lightType = manager[i].lightType;
            lightType.type = builder->mType;
            lightType.shadowCaster = builder->mCastShadows;
            lightType.lightCaster = builder->mCastLight;
    
            ShadowParams& shadowParams = manager[i].shadowParams;
            shadowParams.options.mapSize        = clamp(builder->mShadowOptions.mapSize, 0u, 2048u);
            shadowParams.options.constantBias   = clamp(builder->mShadowOptions.constantBias, 0.0f, 2.0f);
            shadowParams.options.normalBias     = clamp(builder->mShadowOptions.normalBias, 0.0f, 3.0f);
            shadowParams.options.shadowFar      = std::max(builder->mShadowOptions.shadowFar, 0.0f);
            shadowParams.options.shadowNearHint = std::max(builder->mShadowOptions.shadowNearHint, 0.0f);
            shadowParams.options.shadowFarHint  = std::max(builder->mShadowOptions.shadowFarHint, 0.0f);
    
            // set default values by calling the setters
            setLocalPosition(i, builder->mPosition);
            setLocalDirection(i, builder->mDirection);
            setColor(i, builder->mColor);
    
            // this must be set before intensity
            setSpotLightCone(i, builder->mSpotInnerOuter.x, builder->mSpotInnerOuter.y);
            setIntensity(i, builder->mIntensity);
    
            setFalloff(i, builder->mCastLight ? builder->mFalloff : 0);
            setSunAngularRadius(i, builder->mSunAngle);
            setSunHaloSize(i, builder->mSunHaloSize);
            setSunHaloFalloff(i, builder->mSunHaloFalloff);
        }
    }
    

    mManager 是一个SOA类型的结构体,instance 是 entity 对应的 数组索引,各种类型的 manager 用法都类似。

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  • 更新日期:2020年6月8日。 Github源码:[点我获取源码] 索引ECS使用ECS新建组件(ECS中的C)...ECS - 实体-组件-系统,此ECS非Unity的ECS,并不一定会带来性能的提升,只是基于ECS的思想,建立在Unity现有的组件模式.

    更新日期:2020年6月8日。
    Github源码:[点我获取源码]
    Gitee源码:[点我获取源码]

    ECS

    ECS - 实体-组件-系统,此ECS非Unity的ECS,并不一定会带来性能的提升,只是基于ECS的思想,建立在Unity现有的组件模式之上,以ECS模式进行开发可以避开项目后期繁重的继承链,提升开发速度和质量、以及项目稳定性。

    HTFramework的ECS(HTECS)保持与Unity官方的ECS相同的开发模式,在HTECS中可以尝试将编码习惯逐渐脱离OOP,在未来Unity DOTS盛起的大趋势下可以无缝转接,且HTECS基于Unity源生的组件结构,使得HTECS的组件和实体足够透明,你可以像控制MonoBehaviour那样去控制他们。

    使用ECS

    新建组件(ECS中的C)

    ECS的组件类必须满足以下条件:
    1.继承至ECS_Component
    2.标记ComponentName特性(选择性,用来在检视面板快速识别一个组件的功能)。
    3.标记DisallowMultipleComponent特性(选择性,但建议始终标记,因为同类型的组件即使挂在一个实体上,也只会有一个组件生效)。

    推荐使用快捷创建方式,所有条件会自动帮你填充:
    在这里插入图片描述
    如下,我新建了一个RotateComponent旋转组件:

        /// <summary>
        /// 旋转组件
        /// </summary>
        [DisallowMultipleComponent]
        [ComponentName("旋转组件")]
        public sealed class RotateComponent : ECS_Component
        {
            /// <summary>
            /// 旋转轴
            /// </summary>
            public Vector3 Axle = new Vector3(0, 1, 0);
            /// <summary>
            /// 旋转速度
            /// </summary>
            public float Speed = 1;
        }
    

    我再新建一个PositionComponent位置组件:

        /// <summary>
        /// 位置组件
        /// </summary>
        [DisallowMultipleComponent]
        [ComponentName("位置组件")]
        public sealed class PositionComponent : ECS_Component
        {
    
        }
    

    位置组件里什么也没有,这里偷懒一下暂时就用Unity源生的Transform替换了。

    再新建一个InputComponent输入组件,用来接收输入:

        /// <summary>
        /// 输入组件
        /// </summary>
        [DisallowMultipleComponent]
        [ComponentName("输入组件")]
        public sealed class InputComponent : ECS_Component
        {
    
        }
    

    新建系统(ECS中的S)

    ECS的系统类必须满足以下条件:
    1.继承至ECS_System
    2.标记SystemName特性(选择性,用来在检视面板快速识别一个系统的功能)。
    3.标记StarComponent特性(表明此系统所关注的组件类型,如无此特性标记,此系统自动无效)。

    推荐使用快捷创建方式,所有条件会自动帮你填充:

    在这里插入图片描述
    如下,我新建了一个RotateSystem旋转系统:

        /// <summary>
        /// 旋转系统(只关注拥有PositionComponent、RotateComponent组件的实体)
        /// </summary>
        [StarComponent(typeof(PositionComponent), typeof(RotateComponent))]
        [SystemName("旋转系统")]
        public sealed class RotateSystem : ECS_System
        {
            /// <summary>
            /// 系统逻辑更新
            /// </summary>
            /// <param name="entities">系统关注的所有实体</param>
            public override void OnUpdate(HashSet<ECS_Entity> entities)
            {
            }
        }
    

    看下代码,你会发现RotateSystemStarComponent特性标记了两个类型,分别是PositionComponentRotateComponent,这表示RotateSystem只会关注同时拥有这两个组件的实体,RotateSystemOnUpdate会每帧呼叫(除非这个系统已禁用),他的参数entities就是他所关注的所有实体,换句话说,entities中的每一个实体均包含有PositionComponentRotateComponent组件。

    再新建一个InputSystem输入系统,用来处理我们的输入:

        /// <summary>
        /// 输入系统(只关注拥有InputComponent组件的实体)
        /// </summary>
        [StarComponent(typeof(InputComponent))]
        [SystemName("输入系统")]
        public sealed class InputSystem : ECS_System
        {
            /// <summary>
            /// 系统逻辑更新
            /// </summary>
            /// <param name="entities">系统关注的所有实体</param>
            public override void OnUpdate(HashSet<ECS_Entity> entities)
            {
            }
        }
    

    新建实体(ECS中的E)

    任何GameObject只要挂上ECS_Entity组件,他就成为了一个实体,可以通过以下两种方式生成实体:

    1.编辑模式下静态生成:

    为一个GameObject直接挂载组件ECS_Entity,然后点击按钮Generate ID生成ID即可,此ID在整个ECS环境中将是独一无二的。
    在这里插入图片描述
    也可以选中一个GameObject后,点击菜单栏选项 HTFramework -> ECS -> Mark As To Entity,快捷完成此操作。
    在这里插入图片描述

    2.运行模式下动态生成:

    动态生成实体必须调用如下接口:

    ECS_Entity entity = ECS_Entity.CreateEntity(target);
    

    传入的参数target为此实体挂载的GameObject对象。

    不能直接使用AddComponent来挂载实体组件,这会导致ID无效,从而实体无效。

    为实体挂载组件

    为实体挂载组件可以使用静态方式也可以使用动态方式,就像添加一个MonoBehaviour一样。

    我们直接使用鼠标拖拽将PositionComponentRotateComponent添加到我们生成的实体上:
    在这里插入图片描述

    Inspector检视面板

    也可以点击ECS_Entity面板的Open In Inspector按钮打开检视面板,在检视面板添加或删除组件,更可以直观的在检视面板查看此实体将会被哪些系统所关注(对于实体挂载的组件非常多的情况下,这可以快速的判断出实体的功效)。
    在这里插入图片描述
    窗口的Components面板检索所有组件,Systems面板检索所有系统,比如此处,我们可以看到当前实体挂载的所有组件,以及将来会关注这个实体的系统,点击系统栏右侧的Apply To Star按钮,可以快捷应用当前实体到此系统所关注的状态,也即是将此系统所关注的组件全部附加到当前实体上。

    旋转实体

    1.编写系统逻辑

    接下来我们在RotateSystemOnUpdate中加入如下代码:

            /// <summary>
            /// 系统逻辑更新
            /// </summary>
            /// <param name="entities">系统关注的所有实体</param>
            public override void OnUpdate(HashSet<ECS_Entity> entities)
            {
                foreach (var entity in entities)
                {
                    RotateComponent component = entity.Component<RotateComponent>();
                    entity.transform.Rotate(component.Axle, component.Speed);
                }
            }
    

    2.运行

    我们直接运行入口场景,便可以发现我们的实体(挂载PositionComponentRotateComponent的)已经自动旋转起来了,接下来我们想要让输入来控制实体的旋转。

    输入控制旋转实体

    1.指令

    HTECS为了降低多系统之间功能代码相互覆盖的耦合度(比如这里输入系统将会关联到旋转系统),统一使用Order(指令)来驱动各个系统,指令分为ID指令对象,对于一些简单的指令,可能只需要ID就可以了,不需要独立的指令对象(当然这不是强制性的,如果不想用,你可以完全当做没看到这个东西)。

    新建指令类:(快捷创建方式)

    在这里插入图片描述

    /// <summary>
    /// 新建指令
    /// </summary>
    public sealed class RotateOrder : ECS_Order
    {
    	
    }
    

    比如这里简单的旋转指令,他就不需要指令对象,只需要一个代表旋转指令的ID即可。

        /// <summary>
        /// 指令ID
        /// </summary>
        public enum OrderID
        {
            Rotate = 1
        }
    

    指令可以发送到一个实体上,也可以随时给这个实体撤销指令。

    2.编写系统逻辑

    接下来我们来改写RotateSystemOnUpdate方法:

            /// <summary>
            /// 系统逻辑更新
            /// </summary>
            /// <param name="entities">系统关注的所有实体</param>
            public override void OnUpdate(HashSet<ECS_Entity> entities)
            {
                foreach (var entity in entities)
                {
                	//如果目标实体存在旋转指令,才执行旋转逻辑
                    if (entity.IsExistOrder((int)OrderID.Rotate))
                    {
                        RotateComponent component = entity.Component<RotateComponent>();
                        entity.transform.Rotate(component.Axle, component.Speed);
                    }
                }
            }
    

    同时编写InputSystemOnUpdate逻辑:

            /// <summary>
            /// 系统逻辑更新
            /// </summary>
            /// <param name="entities">系统关注的所有实体</param>
            public override void OnUpdate(HashSet<ECS_Entity> entities)
            {
                //空格键发出旋转指令
                if (Main.m_Input.GetKeyDown(KeyCode.Space))
                {
                    foreach (var entity in entities)
                    {
                        entity.GiveOrder((int)OrderID.Rotate);
                    }
                }
                //释放时撤销指令
                if (Main.m_Input.GetKeyUp(KeyCode.Space))
                {
                    foreach (var entity in entities)
                    {
                        entity.RecedeOrder((int)OrderID.Rotate);
                    }
                }
            }
    

    GiveOrder向一个实体发起指令,RecedeOrder撤销该实体的指令,这两个方式都支持传入一个Order(指令)对象,用以描述指令的具体细节或参数(比如发起攻击指令了,该攻击谁?)。

    3.运行

    我们直接运行入口场景,按住空格键,便可以发现我们的实体(挂载PositionComponentRotateComponentInputComponent的)已经自动旋转起来了,释放空格键,停止旋转。

    除此之外,我们会发现,未挂载InputComponent组件的不会旋转,因为输入系统不会关注他,自然不会给他发送旋转指令,未同时挂载PositionComponentRotateComponent组件的也不会旋转,因为旋转系统不会关注他,自然也不会为他附加旋转逻辑。

    ECS Dirty

    由于整个ECS环境是实时变化的(当然对于一些特殊的项目,也可能场景只有几个实体且不会增删),无论组件的增删,还是实体的增删,这些都会导致一个系统很可能不再继续关注他之前所关注的实体(比如我在运行时动态移除了某个实体上的InputComponent组件,那么输入系统将不再关注这个实体),所以这就需要ECS环境重新去检测所有的系统,找到他们所关注的实体,这个过程叫做ECS Dirty,只有在ECS环境处于Dirty状态时,才会触发这个过程,且框架底层会尽可能少的去触发ECS Dirty,除非在必要的时刻。

    运行时检视面板

    在编辑器中运行时将会出现运行时检视面板(Runtime Data),主要用以调试或数据监测,目前面板如下:
    在这里插入图片描述
    1.展示当前环境中的所有ECS系统。

    • IsEnabled:是否激活系统。
    • 显示当前系统所关注的所有实体列表。
    • Remove按钮:移除当前系统对此实体的关注。
    • Set Dirty按钮:手动设置ECS环境为Dirty状态。
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  •  基于ECS模式,我们将行为树的层级结构拆分成下图  其中:   (1)NodeComponent只用来用来存储NodeData数据,不包含具体逻辑。  (2)NodeData,即多分支节点数据、单分支节点数据、叶子节点数据三种。多...

    一、设计思路

            基于ECS模式,我们将行为树的层级结构拆分成下图

            其中:       

            (1)NodeComponent只用来用来存储NodeData数据,不包含具体逻辑。

            (2)NodeData,即多分支节点数据、单分支节点数据、叶子节点数据三种。多分支节点数据对应的是组合节点,单分支节点数据对应的是装饰节点,叶子节点数据对应的是行为节点和条件节点。

           

            (3)TaskData,具体执行的任务的数据。可能是根据布尔值,可能是根据条件,可能是根据数量等数据进行具体的执行

           

            (4)BehaviorEntity,主要作为索引

            (5)BehaviorSystem,对应的轮询、节点处理、数据反序列化逻辑都在这里存放

            (6)NodeHandler,具体节点处理的逻辑

            

            (7)NodeDataSerializor,Node数据序列化/反序列化器

            

            (8)TaskDataSerilizor,Task数据序列化/反序列化器

            

     

    二、运行示例

    Git库:https://gitee.com/MK_Aliens/StarLightFramework-ECS.git

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空空如也

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