Unity下一轮最大的变革-Entity Component System & C# Jobs System #1

ECS+jobs实现的酷炫效果

新一代Entity Component System（ECS）将会彻底改变Unity的底层概念（GameObject-Component 系统）和现有工作方式。MonoBehavious、Update、GameObject....这些概念已经过时了！

1. 什么是ECS？

ECS，中文：实体-组件系统。并不是什么新鲜玩意，它是在游戏架构中广泛采用的一种架构。在游戏中，每个物体是一个Entity（实体），比如，敌人、子弹、车辆等。每个实体具有一个或多个组件，赋予这个实体不同的行为或功能。所以，一个实体的行为可以在游戏运行时通过加减组件进行改变。ECS经常和数据驱动模式一起使用。 wiki链接

从上面介绍可以看到，Unity中的GameObject好像扮演着实体的角色，但，它不够纯粹！

• 下一代ECS全新架构中，将不会再有GameObject的概念，取而代之的是真正的轻量化的Entity，一个Entity就只是Entity，可以把它看成超级轻量化的GameObject，实际上，一个Entity什么都做不了。它不存储任何数据，甚至连名字都没有！
• 你可以给Entity增加或移去Component，但，旧的Component不复存在，其被重新定义为ComponentData,这是一个继承自IComponentData接口的，高效的结构体：

struct MyComponent: IComponentData
{} 

和旧的组件系统不同的是，IComponentData只存储数据，可随时添加到Entity或者移去。

• EntityManager将会管理所有的Entity和其上的ComponentData，它将会保证内存的线性访问。
• 新定义的ComponentSystem管理游戏逻辑（类比以前的MonoBehavior），可以操作旧的GameObjects/Components, 或者新的 ECS ComponentData/ Entity。

2.为什么要引入 ECS

传统的 GameObject/MonoBehaviour 系统七宗罪：（深有体会）

• 面向对象的编程方式（曾经的圣典，已经跟不上时代，OOP最大的问题是数据和逻辑混在一起...现在我们要数据驱动模型）
• Mono编译的未经优化的机器码
• 糟糕的垃圾回收
• 不能忍的单线程

Entity-component-system的出现，就是解决这些问题：

• 简单的思想：数据和逻辑构成你的游戏。
• 有了ECS，就可以使用Unity（c#） Job System 和 Burst 编译器，充分发挥多核CPU的潜力

3. Hello world

说了半天，我到底怎么用ECS？
unity世界的helloworld莫过于沿着y轴旋转一个方块，先来看看我们的老朋友MonoBehavior ：

using UnityEngine;

class Rotator : MonoBehaviour
{
    void Update()
    {
        transform.rotation *= Quaternion.AngleAxis(Time.deltaTime * speed, Vector3.up);
    }
}

多么熟悉的代码啊！伴随了我们将近10年的时间，一想到就要老去，竟然有些伤感...
伤感归伤感，但是上面的代码，一直就有巨大的问题，十几年来我们只不过视而不见罢了。
我们在unity中新建一个脚本，要挂在GameObject上，就必须继承MonoBehaviour，而MonoBehaviour 本身就继承自很多父类，父类中定义的很多字段、属性，在我们的小脚本中根本用不到，可还是不得不继承。白白的浪费了内存。

下面我们来试试ECS：

1. 目前ECS尚处于开发阶段，我们需要以下前提条件才能开启：
   • Unity2018.1版本以上

   • Build Settings - Player Settings ，设置c# runtime：

     
     
     

     image.png
   • 打开项目目录下packages/ manifest.json 文件，加入以下内容：

{
    "dependencies": {
        "com.unity.entities":"0.0.11"
    },
    "testables": [
        "com.unity.collections",
        "com.unity.entities",
        "com.unity.jobs"
    ],
    "registry": "https://staging-packages.unity.com"
}

2. 场景中建立一个cube，新建Rotator.cs脚本，并拖给cube：

public class Rotator : MonoBehaviour {
        //是的，没看错，只有数据
     public float speed;
}

3. 新建RotatorSystem.cs脚本：

using System.Collections;
using System.Collections.Generic;
using Unity.Entities;
using UnityEngine;

/// 

/// ComponentSystem管理游戏逻辑（类比以前的MonoBehavior）
/// 该类只有一个OnUpdate方法需要复写
/// 
class RotatorSystem : ComponentSystem
{
    /// 

    /// 简单的Group结构体，规定Entity必须包含哪些ComponentData
    /// 
    struct Group
    {
        public Transform transform;
        public Rotator rotator;
    }
    protected override void OnUpdate()
    {
        //遍历场景中同时包含transform和Rotator的Entity，执行操作
        foreach (var item in GetEntities())
        {
            item.transform.rotation *= Quaternion.AngleAxis(item.rotator.speed * Time.deltaTime, Vector3.up);
        }
    }
}

这个脚本不用拖拽给任何场景中的物体，运行时它会自动遍历场景中符合条件的Entity。
但此时执行游戏，不会有任何变化，下一步，需要在cube上再挂一个GameObjectEntity组件，告诉ComponentSystem这是一个GameObject类型的实体。

ECS ships with the GameObjectEntity component. On OnEnable, the GameObjectEntity component creates an entity with all components on the GameObject. As a result the full GameObject and all its components are now iterable by ComponentSystems.

Thus for the time being you must add a GameObjectEntity component on each GameObject that you want to be visible / iterable from the ComponentSystem.

运行游戏，voila！cube开始旋转。

4. 好吧，看起来很炫，但这对我的游戏开发有什么意义？

仔细想想：切换到ECS，我们需要做的只是：从MonoBehavior中把逻辑剥离出来放到ComponentSystem的OnUpdate里。实际上，以上有关ECS的代码示例只是‘Hybird’模式，对于大量已经开发的工程，这是一种无痛解决方案。unity这次的变化太大了，所以必须要有这么一种过渡阶段。

那这样做有什么好处吗？

• 分离数据和逻辑，麻麻再也不用担心我的代码难看了。
• 系统批量处理物体（Entity），而不是单个处理，执行效率大大优化。
• hybird模式允许你继续使用熟悉的模式，inspectors、editor tools等的同时，享受到ECS带来的效率提升。

ok，那在Hybird模式下使用ECS有什么损失呢？

• 初始化时间（遍历寻找Entity的过程）无法优化
• 载入时间无法优化
• 数据在内存中是随机获取的，非线性，执行效率下降
• 无法利用多核处理器
• 没有SIMD

SIMD，Single instruction, multiple data，计算机在多核处理器上同时进行同种运算的能力。数据处理是并行的，但不是并发的。也就是，CPU单进程的并发计算。

5. 纯ECS解决方式：

欢迎进入Unity的未来：ECS+IComponentData+c# jobs

• 我们使用ECS的本意是为了提高执行效率（performance），为了获得这种高效率，你必须使用 SIMD 方式编写代码（custom data layouts for each loop）。
• c# job system 只能够管理结构体和NativeContainers，因此，IComponentData是最好的解决方案。
• EntityManager 保证了线性内存模型下的访问（linear memory layout：https://en.wikipedia.org/wiki/Flat_memory_model）。
  三者搭配使用，如虎添翼。

让我们再次转动这个cube：

1. 场景中再建一个cube，写以下代码：

using System;
using Unity.Entities;

/// 

/// 一个简单的结构体（ComponentData）
/// 
[Serializable]
public struct RotationSpeed : IComponentData
{
    public float value;
}

可以看到，和我们一开始说的一样，这就是一个继承自IComponentData的简单结构体，对应过去的Component，此结构体可以从Entity上增加、删除。
但此时直接拖拽给新的cube，提示不能添加：

image.png

...没继承MonoBehavior当然不能添加。
加入一行代码就可以了：

using System;
using Unity.Entities;

/// 

/// 一个简单的结构体（ComponentData）
/// 
[Serializable]
public struct RotationSpeed : IComponentData
{
    public float value;
}

/// 

/// 现阶段这个wrapper是为了能够把IComponentData添加给GameObject，
/// 将来会被移去
/// 
public class RotationSpeedComponent : ComponentDataWrapper { }

image.png

再写一个RotationSpeedSystem，此脚本不用赋给任何物体。

using Unity.Collections;
using Unity.Entities;
using Unity.Jobs;//c# jobs
using Unity.Mathematics;//新的命名空间
using Unity.Transforms;//新的命名空间
using UnityEngine;

public class RotationSpeedSystem : JobComponentSystem
{
    /// 

    /// 使用IJobProcessComponentData遍历符合条件的所有Entity。
    /// 此过程是单进程的并行计算（SIMD）
    /// IJobProcessComponentData 是遍历entity的简便方法，并且也比IJobParallelFor更高效
    /// 
    [ComputeJobOptimization]
    struct RotationSpeedRotation : IJobProcessComponentData
    {
        /// 

        /// deltaTime
        /// 
        public float dt;
        /// 

        /// 实现接口，在Excute中实现旋转
        /// 
         public void Execute(ref Rotation rotation, ref RotationSpeed speed)
        {
            //读取speed，进行运算后，赋值给rotation
            rotation.Value = math.mul(math.normalize(rotation.Value), math.axisAngle(math.up(), speed.value * dt));
        }
    }

    /// 

    /// 我们在这里，只需要声明我们将要用到那些job
    /// JobComponentSystem 携带以前定义的所有job
    /// 最后别忘了返回jobs，因为别的job system 可能还要用
    /// 完全独立于主进程，没有等待时间！
    /// 
    protected override JobHandle OnUpdate(JobHandle inputDeps)
    {
        var job = new RotationSpeedRotation() { dt = Time.deltaTime };
        return job.Schedule(this, 64, inputDeps);
    }
}

cube 又转了。

本系列文章99.9%的内容来自于官方github文档，其余为原创