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  • Unity ECS

    2021-01-20 17:49:57
    作者:庞巍伟 ...来源:知乎 著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权,非商业转载请注明出处。 ECS解决2个问题: ...可以看到如果你渲染的object在500以内,ecs性能并没有显著提升,当超过1000后,ecs性能.

    作者:庞巍伟
    链接:https://www.zhihu.com/question/286963885/answer/452979420
    来源:知乎
    著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权,非商业转载请注明出处。
     

    ECS解决2个问题:

    1)性能;

    2)减少不必要的内存使用;

    放一张图,之前写了demo测试,对于使用ecs,不使用ecs,做instancing优化3中情况下,性能的差别。

    可以看到如果你渲染的object在500以内,ecs性能并没有显著提升,当超过1000后,ecs性能有显著的优势,在10000obj下,差不多100的性能差距。

    所以对于200内obj的游戏,是不是用ecs差别不大。

    另外ecs这是unity提出的一个系统化的方案和标准,我们自己也可以或多或少使用传统方法做出类似的结果,没必要非ecs不可。

     

    demo是如下图(Instancing),根据自带的rotate demo完成对应的instancing和传统方法版本,这个demo是1000个cube,有一个sphere旋转,撞到cube后,cube会自转一段时间,逐渐停止,所以需要1001个物体不停的update:

     

    =========补充公司内分享的完整文章:

     

    不再需要MonoBehaviour、Component和GameObject

    以前MonoBehaviour承载了游戏逻辑和数据两部分功能,我们通过创建GameObject然后添加MB(MonoBehaviour,下同)然后通过Update来更新游戏逻辑,往往我们Update里就是更新一些数据,而MB的实现非常复杂,有很多不需要的功能都一股脑的被继承下来,这导致我们一个非常简单的任务可能需要浪费很多内存去应付那些不需要的功能,如果再无节制的使用MB,那基本就是游戏运行效率的噩梦。

    之前的Component是继承自MB,大部分时候Component的作用就是提供数据,但是通过Component组织的数组是对CPU cache不够友好的,因为它并没有把需要多次重复计算更新的数据组织到一起,使得CPU在做计算时可能cache miss,如果游戏逻辑需要大量对象需要更新数据,可能这部分消耗是非常大的。

    同时MB不能很好的解决执行顺序问题,对于动态创建的GameObject,MB的更新顺序是不确定的,我们往往系统某些MB的Update和Destroy在某些MB之后,以保证相互的依赖关系,但Unity的MB设计上没有更好的解决这个问题,通过调整Script Execution Order既麻烦也没啥卵用(之前测试对于动态创建的MB毫无作用,只能用于场景中静态的MB)。

    还有,如果游戏中存在大量的GameObject,上面绑定大量的Component,那么执行大量的Update是非常耗时的,而且这些Update只能运行在主线程,无法并行。

    为此,Unity 2018.2 引入了全新的ECS系统,用于解决上面提到的问题。

    全数据化驱动

    ECS的核心设计目标就是去掉传统的MB,GameObject,Component对象结构,而改为全数据化驱动的代码组织方式,通过这样的改变,可以解决2个问题:

    1)将数据更有效的组织,提高CPU cache利用率;

    2)并行化。

    先简单看一个例子,这个是ECS sample自带的例子:

     

    这个例子可以看到,虽然画面里有超过1000个物体,但并没有对应1000个GameObject,当球体碰到方块的时候,会产生自转后衰减,同时可以保持在300-600的fps运行帧率。这在以前,我们要实现类似的效果需要创建1000个GameObject,然后有1000个MB负责更新GameObject的transform信息,我按照这样的方法来实现,那么这个demo大概只有1/3的fps。

     

    注意到上图会创建更多的GameObject,fps大概100-200fps之间,当然这么实现并不是最优化的,我们还可以使用Instancing优化drawcall,为了对比我又实现了Instancing的版本,对比如下:

     

     

    fps大概150-300fps,可以看到instancing大概提高了1倍的fps,在1000 objs测试下,不同实现方法之间差别大概1-2倍,貌似差别不是很大,于是我又测试了更高obj数量的fps,在更高的objs测试下,得到如下图表:

     

    可以看到在更高的obj数量下,ECS方法的优势就体现出来了,在10000 obj下,ECS任然可以做到350的高fps,而即便Instance优化,也只剩下4fps,差距几乎100倍。

    现在我们回到开头,ECS解决了如下2个问题:

    1)将数据更有效的组织,提高CPU cache利用率;

    2)并行化。

    但是如何解决的呢?

    将数据更有效的组织,提高CPU cache利用率

    传统的方法是将gameobject的数据放在Components上,比如可能是这样(参考1):

    using Unity.Mathematics;
    class PlayerData// 48 bytes
    {
     public string public int[]
     public quaternion
     public float3
     string name;       // 8 bytes  
     someValues; // 8 bytes
    }
    PlayerData players[];
    

    他的内存布局是这样:

    而这样的设计对cpu cache是极度不友好的,当你试图批量更新float3数据时,cpu cache预测总是失败的,因为他们被分配到了内存中不连续的区域,cpu需要几次寻址跳转才能找到对应的数据并操作,如果我们能够将需要批量更新的数据连续的存放到一起,这将大大提高cpu cache的命中率,提升计算速度。

    按ECS设计规范,就是将批量的更新的数据抽取出来,在内存中连续排列,从而在cache预读中能够将后续的数据一次性读取进来,提高cpu操作的效率,如图(参考1):

     

    在实际计算的时候,通过间接索引,来更新全部entity的各个类型的数据,而不是更新每个entity的全部数据,如图:

    可以看到这里,最大的变化是:

    在一个system(相当于以前的component)更新计算中,是将所有的entity的position放在一起批量更新的,因为这些position的float3数据在内中是连续的,cpu操作起来是最快的。

    并行化

    将数据单独提取出来后,接下来的任务就是将这些数据计算并行化,充分利用多核。在以前,几乎逻辑代码都是跑在主线程,当然也有项目组意识到了这个问题,会将一些和显示无关的逻辑放入多线程中并行,但都没有彻底的在数据上抽象形成一套完整的开发框架,而ECS解决了这个问题。

    ECS开放了底层的job system系统,在上层提供了c# job system,它是一套多线程调度系统。如果不同的数据是无相互依赖的,仅需要将这些数据通过c# job system放入多个线程并行化计算就可以了,如:

    public class RotationSpeedSystem : JobComponentSystem
        {
            struct RotationSpeedRotation : IJobProcessComponentData<Rotation, RotationSpeed>
            {
                public float dt;
    
                public void Execute(ref Rotation rotation, [ReadOnly]ref RotationSpeed speed)
                {
                    rotation.Value = math.mul(math.normalize(rotation.Value), quaternion.axisAngle(math.up(), speed.Value * dt));
                }
            }
    
            protected override JobHandle OnUpdate(JobHandle inputDeps)
            {
                var job = new RotationSpeedRotation() { dt = Time.deltaTime };
                return job.Schedule(this, 64, inputDeps);
            } 
        }
    

    如果不同的数据有依赖,需要其他的数据计算完才能完整计算,则可以设置任务依赖,c# job system会自动完成这样任务的调用和依赖关系排序。

    混合模式

    目前已经存在大量的传统方式开发的代码,如果想享受到ECS带来的高效,势必要将现有代码大幅改造,有没有相对简单的方法既能保持现有代码没有太大变动,又可以提高效率呢,答案是ECS提供一种兼容的混合模式。

    例如如下代码(参考2):

    using Unity.Entities;using UnityEngine;
    class Rotator : MonoBehaviour{
     // The data - editable in the inspector public float Speed;
    }
    class RotatorSystem : ComponentSystem{
     struct Group
        {
     // Define what components are required for this  // ComponentSystem to handle them. public Transform Transform;
     public Rotator   Rotator;
        }
    
     override protected void OnUpdate()
     {
     float deltaTime = Time.deltaTime;
    
     // ComponentSystem.GetEntities<Group>  // lets us efficiently iterate over all GameObjects // that have both a Transform & Rotator component  // (as defined above in Group struct). foreach (var e in GetEntities<Group>())
            {
                e.Transform.rotation *= Quaternion.AngleAxis(e.Rotator.Speed * deltaTime, Vector3.up);
            }
        }
    }
    

    主要的修改是把MB的Update函数移到了ComponentSystem的OnUpdate函数中,同时增加了一个Group的struct,用于在MB和ComponentSystem之间交换数据,同时在原GameObject上添加一个GameObjectEntity组件,这个组件的用途是将GameObject其他全部的Component抽取出来并创建一个Entity,这样就可以通过GetEntities函数在ComponentSystem中遍历对应的GameObject了。

    Unity会在启动的时候,把所有挂载了GameObjectEntity组件的GameObject,都创建对应ComponentSystem,这样你任然可是使用以前的GameObject.Instantiate方法来创建GameObject。只是原本MB的Update函数被替换到了ComponentSystem的OnUpdate函数中。

    通过这样的修改,你可以混合ECS的部分能力又相对保持原本的代码结果,总结来说:

    混合模式可以分离数据和行为,可以批量化更新对象的数据,避免每个对象的virtual方法调用(抽象到了一个函数中),任然可以继续使用inspector来观察GameObject的属性和数据。

    但是这样修改并没有彻底改善什么,创建、加载的时间没有改善,数据的访问任然是cache不友好的,并没有把数据在内存中连续排布,也没有并行化。

    只能说这样修改是为了进一步靠近纯ECS做的阶段性代码重构,最终还是要完全使用纯ECS才能获得最大的性能提升。

    相关参考

    1)Unity 官方分享ppt,ECS & Job System。

    2)https://github.com/Unity-Technologies/EntityComponentSystemSamples/

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  • 目前程序开发分为:面向过程开发(c 语言 ),面向对象开发( unity传统开发方式 ),面向数据开发...首先要明白UnityECS开发方式和传统开发方式区别是如何提高游戏性能的: 传统的GameObject系统: 传统开发...

    目前程序开发分为:面向过程开发(c 语言 ),面向对象开发( unity传统开发方式 ),面向数据开发(ECS)大致这三种。Unity官方2018开始,推出了DOTS(多线程式数据导向型技术栈),其中分别用到的技术:ECS 、Jobs System、Burst 。

    首先要明白UnityECS开发方式和传统开发方式区别是如何提高游戏性能的:

     

    传统的GameObject系统:

    传统开发方式主要用到:

    1.GameObject(场景物体)

    2.Transform、Rigidbody等组件(Component)

    3.各种脚本(Script)

    这三者之间都是通过内存引用来相互连接。

    优点:方便开发。

    缺点:对象与组件之间通过地址引用,并且它们在内存上过于分散,那么查找的时候在性能上会有缺陷。另外当引用组件的时候,还会引用着一些不需要的数据。列如控制小球旋转信息(Rotation),但是不需要小球的位移信息(Position),这就会造成一些不必要的加载,况且当数据以大数量级加载时,优化此方面会大大提高性能。

    下图传统Gameobject的内存引用图:

     

    最新的UnityECS框架:

    UnityECS(实体组件系统)系统分为:

        实体 Entity:数据组件的集合,是包含唯一ID的对象。

        组件数据 Component Data:主要存储在实体中的数据 (不包含处理逻辑)。

        组件系统 ComponentSystem: 定义游戏行为和逻辑。

     

     

    数据(ComponetData)和行为(System)是区分开的,每个实体(Entity)都有自己的N个数据自己来保存,自己有自己的身份证(ID)来供别人区分,让别人通过不同的筛选器(group)选择要操作的实体,并通过调用不同的行为(System)来改变该实体的数据。

    group主要提供不同的查询方式给你提供你要修改哪些数体的数据,可以类比数据库的使用。

    按照这种格式开发,各个对象、组件在内存中都是按照顺序排列的,提高缓存效率,缩短访问时间。

    为啥数据连续排列就能提高性能?

        1.利用PCU的多级缓存技术,提高访问速度。

            特别是空间局部性:如果某个数据被访问,那么与它相邻的数据很快也能被访问。

        2.利用CPU的SIMD(单指令流多数据流技术)

            说白就是利用CPU多核并发技术进行并行计算( 也就是多线程开发,传统开发Upate等都是单线程的,像物体移动,彼此每个物体之间不需要数据依赖可以通过并行计算提高速度。尤其适用于移动端)

     

    unity ECS系统 ,发现网上有官方框架和非官方框架的学习路线:

    第一种是Entitas(由OYM在Github开源项目):

    优点:通用的体系,可以将这套体系快速重构代码,不仅适用于Unity,也可以对服务器使用这套框架,

    缺点:性能永远是Unity的ECS系统的50%,学习曲线非常陡峭。

    github地址:https://github.com/OneYoungMean/Entitas-CSharp-OYM/wiki

     

    第二种是UnityECS (Unity官方提供的框架):

    优缺点从第一种比较可以看出。官方提供的ECS框架,其中迭代了几十个版本API删除和增加,官方提供的案例有的也不能正常运行,这会造成有很高的学习成本。

    ECS主要适用于大型场景、数量级的游戏物体的场景,比如 僵尸世界大战的尸潮 等。当然,你的游戏项目并不是这种类别,使用ECS框架也是能提高你的游戏性能。ECS框架可以想象类似MVC框架一样,让你以对应格式去写代码,并了解面向数据的开发方式。

    文档:https://docs.unity3d.com/Packages/com.unity.entities@0.1/manual/index.html

    官方仓库:https://github.com/Unity-Technologies/EntityComponentSystemSamples

    注意:UnityECS官方迭代速度太快有些API已经不适用,官方文档会报错,据说2020年Unity会推出ECS的一个大版本。

     

    Jobs System:

    unity官方早就推出了也适用于传统开发方式,目前Jobs System和ECS强强联合更能够提高游戏的性能!Jobs System是多核开发技术,untiy自己提供了job概念,不需要你自己去处理线程池切换等,只需要向job中添加处理逻辑。

    详情可以参考:https://software.intel.com/es-es/node/796085

    Burst:

    Burst是一个编译器,它使用LLVM将IL / .NET字节码转换为高度优化的本机代码。

    程序可以不用关注这个,想要了解可以参考:https://blog.csdn.net/alph258/article/details/83997917

     

    本篇参考文章:

    Unity DOD (ECS) 基础概念与资料汇总:https://indienova.com/indie-game-development/unity-dod-all-in-one/

    远程项目仓库(github):https://github.com/h1031464180/UnityECS

     

    展开全文
  • UnityECS的组件是专门用来存储数据的数据结构一般继承自IComponentData接口,当然Unity还提供了其他类型组件。 1.IShareComponentData接口,定义共享数据组件。 using Unity.Entities; using UnityEngine; ...

    UnityECS的组件是专门用来存储数据的数据结构一般继承自IComponentData接口,当然Unity还提供了其他类型组件。

    1.IShareComponentData 接口,定义共享数据组件。

    using Unity.Entities;
    using UnityEngine;
    
    public struct OtherComponentData : IComponentData
    {
    }
    
    //共享组件
    public struct ShareComponentData : ISharedComponentData
    {
        public Mesh mesh;
    }
    

    主要用于列如大量敌人有共同的材质或者网格时候存储数据的,他们不会产生复制,只会占用一块内存。Unity会自动将他们汇集成一个Chunk(块) 内(注意块也是有大小的),当拥有共享组件的实体修改了其共享组件中数据时,会从内存复制一份该共享组件来修改,并重新放入一个Chun(块)里。

    注意:创建共享组件时,我们要选择那些不经常变动的组件作为共享组件,因为修改实体共享组件中的数据时,会导致这个实体被移动到新的Chunk(块)中,这种移动块的操作是比较消耗时间的。(修改普通组件的值是不会改变实体的Chunk的)共享实体可以节省内存,特别是大量创建相同物体时,但不要滥用,这也会降低效率。


    2.ChunkComponent(块组件)块组件和共享组件有点类似,它俩的区别是:修改块组件的值不会导致实体被移动到新的Chunk(块),而是将实体所在块的所有实体的块组件的值也一起修改。(可以看做直接操作的块的 “根数据” )

    public struct ChunkComponent : IComponentData
    {
    
    }
    
    public class EntityNew : MonoBehaviour, IConvertGameObjectToEntity
    {
        public void Convert(Entity entity, EntityManager dstManager, GameObjectConversionSystem conversionSystem)
        {
            
            dstManager.AddChunkComponentData<ChunkComponent>(entity);
        }
    }

    3.ISytemStateComponent (状态组件) 接口,它继承自IComponentData接口。ECS中目前没有提供回调方法,列如当物体删除时我们想要回调知道他被删除了,而状态组件在实体被销毁时该组件是不会被删除的,除非主动去删除。

    // 状态组件
    public struct SystemStateComponent:ISystemStateComponentData
    {
    
    }
    
    namespace Unity.Entities
    {
        public interface ISystemStateComponentData : IComponentData
        {
        }
    }

    4.ISystemStateSharedComponentData(状态共享组件) ,同上,标记整个Chunk(块)

    //共享状态组件
    public struct SharedSystemStateComponent : ISystemStateSharedComponentData
    {
    
    }
    namespace Unity.Entities
    {
        public interface ISystemStateSharedComponentData : ISharedComponentData
        {
        }
    }

    5.IBufferElementData(动态队列/缓冲区/数组),实体身上不能同时挂载两个相同的组件,但是也提供了可以挂载的方式。

    //可以被挂载多次的组件
    public struct IBufferComponetData : IBufferElementData
    {
        public int num;
    }
    namespace Unity.Entities
    {
        public interface IBufferElementData
        {
        }
    }
    
    
    public class BufferMonobehaviour : MonoBehaviour
    {
        public GameObject prefab;
        private void Start()
        {
            var entityManager = World.Active.EntityManager;
            Entity entity = GameObjectConversionUtility.ConvertGameObjectHierarchy(this.prefab, World.Active);
            entity = entityManager.Instantiate(entity);
            // 给实体添加一个缓冲队列
            DynamicBuffer<IBufferComponetData> dynamicBuffer = entityManager.AddBuffer<IBufferComponetData>(entity);
            //给该实体的缓冲队列添加数据
            dynamicBuffer.Add(new IBufferComponetData { num = 1 });
            dynamicBuffer.Add(new IBufferComponetData { num = 2 });
            dynamicBuffer.Add(new IBufferComponetData { num = 3 });
    
        }
    }
    //如何操作数据
    public class BufferSystem : JobComponentSystem
    {
        struct BufferJob : IJobForEachWithEntity_EB<IBufferComponetData>
        {
            public void Execute(Entity entity, int index, DynamicBuffer<IBufferComponetData> bufferDatas)
            {
                for (int i = 0; i < bufferDatas.Length; i++)
                {
                    Debug.Log("===" + bufferDatas[i].num);
                }
            }
        }
    
        protected override JobHandle OnUpdate(JobHandle inputDeps)
        {
            BufferJob bufferJob = new BufferJob();
            JobHandle bufferHandle = bufferJob.Schedule(this, inputDeps);
            return bufferHandle;
        }
    }
    

    注意这里Job中的IJobForEachWighEntity_EB专门用来筛选这种类型的。


    相关脚本参考项目中 Scene16_OtherComponent 文件夹:

    远程项目仓库(github):https://github.com/h1031464180/UnityECS 

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  • 案例九:UnityECS和Job系统模拟雨滴降落(Scne10) 脚本:PureJob_DropData using Unity.Entities; [System.Serializable] public struct PureJob_DropData : IComponentData { public int velocity;...

    使用实体组件系统和作业系统一起使用让性能起飞!


    案例九:UnityECS和Job系统模拟雨滴降落(Scne10)

    脚本:PureJob_DropData

    using Unity.Entities;
    
    [System.Serializable]
    public struct PureJob_DropData : IComponentData
    {
        public int velocity;
        public float delayTime;
    }

    脚本:PureJob_Proxy

    using UnityEngine;
    using Unity.Entities;
    
    public class PureJob_Proxy : MonoBehaviour, IConvertGameObjectToEntity
    {
        public PureJob_DropData dropData;
        public void Convert(Entity entity, EntityManager dstManager, GameObjectConversionSystem conversionSystem)
        {
            dstManager.AddComponentData<PureJob_DropData>(entity, dropData);
        }
    
    
    }

    脚本:PureJob_Main

    using UnityEngine;
    using Unity.Entities;
    using Unity.Collections;
    using Unity.Transforms;
    
    public class PureJob_Main : MonoBehaviour
    {
        public int createCount = 300;
        public GameObject prefab;                       // 雨滴预制体
        public int dropSpeed = 10;
        public int dropHeight = 50;
        public int insRnage = 40;                           // 生成范围
    
        private EntityManager entityManager;
    
        private NativeArray<Entity> entities;
    
        void Start()
        {
            this.CreateMain();
        }
        private void CreateMain()
        {
            // 创建预制体实体
            entityManager = World.Active.EntityManager;
    
            entities = new NativeArray<Entity>(createCount, Allocator.Persistent);
    
            Entity entityPrefab = GameObjectConversionUtility.ConvertGameObjectHierarchy(prefab, World.Active);
    
            entityManager.Instantiate(entityPrefab, entities);
    
            //初始化数据
    
            for (int i = 0; i < createCount; i++)
            {
                entityManager.SetComponentData<PureJob_DropData>(entities[i], new PureJob_DropData
                {
                    delayTime = UnityEngine.Random.Range(0, 10),
                    velocity = UnityEngine.Random.Range(dropSpeed / 10, dropSpeed),
                });
    
                var num = UnityEngine.Random.insideUnitSphere* insRnage;
                num.y = dropHeight;
                entityManager.SetComponentData<Translation>(entities[i], new Translation
                {
                    Value = num
                });
            }
    
        }
    
    
        private void OnDestroy()
        {
            entities.Dispose();
        }
    }
    

    脚本:PureJob_DropJobSystem

    using UnityEngine;
    using Unity.Entities;
    using Unity.Jobs;
    using Unity.Transforms;
    using Unity.Collections;
    
    public class PureJob_DropJobSystem : JobComponentSystem
    {
    
        // Unity Job提供的获取实体组件的方法
    
        struct GravityJob : IJobForEach<PureJob_DropData, Translation>
        {
            [ReadOnly]
            public int minHeight;
            [ReadOnly]
            public float deltaTime;
            [ReadOnly]
            public int velocity;
            [ReadOnly]
            public int delay;
            public void Execute(ref PureJob_DropData dropData, ref Translation translation)
            {
                if (dropData.delayTime > 0)
                {
                    dropData.delayTime -= deltaTime;
                }
                else
                {
                    if (translation.Value.y < minHeight)
                    {
                        translation.Value.y = 0;
                        dropData.velocity = velocity;
                        dropData.delayTime = delay;
                    }
                    else
                    {
                        translation.Value.y -= dropData.velocity * deltaTime;
                    }
                }
            }
        }
    
    
        public int minHeight = -100;                              // 下落最低值
        #region
        /*
        protected override void OnUpdate()
        {
            // 通过ECS提供的筛方式遍历场景中包含该数据组件的实体
            Entities.ForEach((ref Translation translation, ref DropData dropData) =>
            {
    
                if (dropData.delay > 0)
                {
                    dropData.delay -= Time.deltaTime;
                }
                else
                {
                    if (translation.Value.y < minHeight)
                    {
                        translation.Value.y = 0;
                        dropData.velocity = Random.Range(1, 10);
                        dropData.delay = Random.Range(1, 10);
                    }
                    else
                    {
                        translation.Value.y -= dropData.velocity * Time.deltaTime;
                    }
                }
            });
        }
        */
        #endregion
        protected override JobHandle OnUpdate(JobHandle inputDeps)
        {
            GravityJob gravityJobSystem = new GravityJob
            {
                minHeight = minHeight,
                delay = UnityEngine.Random.Range(1, 10),
                velocity = UnityEngine.Random.Range(1, 10) * 10,
                deltaTime = Time.deltaTime
            };
            JobHandle jobHandle = gravityJobSystem.Schedule(this, inputDeps);
            jobHandle.Complete();
            return jobHandle;
        }
    
    
    }
    

    如上图,生成了10万个小球模拟雨滴下落,不同的Job在并行计算从而提高性能。注意: PureJob_DropJobSystem中可以看到,UnityECS为Job也提供了单独的筛选方式来获取实体~

     

    远程项目仓库(github):https://github.com/h1031464180/UnityECS 

    展开全文
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