框架设计：浅谈ECS设计思想（一）

从一开始的面向过程编程，再到后来面向对象编程。随着硬件性能的不断改进，用户对软件应用的要求也水涨船高。愈发庞大的应用不再是一个人或几个人的小团队能够完成的呢，分工愈来愈明显，逼迫着编程思想不断进步。

ECS设计理念并不是一个新兴的事物，早就在90年代存在了。但是最近，由于2017年《守望先锋》游戏团队在大会上的分享，再次走入了大众的视野。

一. 初步理解

ECS，Entity(实体) Component(组件) System(系统)，是一个gameplay层面的框架，它是建立在渲染引擎，物理引擎之上的，主要解决的问题是如何建立一个模型来处理游戏对象的更新操作，是对数据集合的操作。

Entity，有点类似于Unity中的Game Object，在ECS中，它仅仅是一个Component的组合，不具有任何代表意义，它的意义就在于对其上的Component进行生命周期管理。

而Component和System则是这个框架的核心，Component是一个只包含数据的组件，将每个可能单独使用的对象属性归纳，里面只有数据没有任何方法，如角色的生命值蓝量就是一个Component，每个Entity是由多个Component组合而成，共享一个生命周期。

而System则是用来处理数据的系统，里面只有方法，没有任何数据，每个System只关注于干好一件事情，它只关心那件事作用于游戏世界里同类的一组对象的每单个个体，或是这类对象的某种特定的交互行为。

而游戏的业务循环就是在调用很多不同的系统，每个系统自己遍历自己关心的对象，只有使用预定义组件部分可以被子系统感知到，这样的系统具有很强的内聚性。

二. ECS作用

ECS的设计就是为了管理复杂度，其指导方法就是：Component是纯数据组合，没有任何操作数据的方法；而System是纯方法组合，它没有自己的内部状态，它要么做成无副作用的纯函数，根据它所见到的对象Component组合计算出某种结果；要么用来更新特定Component状态。

在System之间也不用相互调用（减少相互耦合），是由游戏外部框架来驱动若干System的。这样一来每个System都可以独立开发，它只需要遍历框架提供给他的组件集合，做出正确的处理，更新组件状态就够了。而编写Gamplay的人只需要清楚每个System到底做了什么，操作本身对哪些Component产生影响，正确书写System的更新次序就可以了。这样一来容易管理复杂度，二来哥并行处理留下了优化空间（是不是感觉和Unity3D有种莫名的相似感？实际上Unity中大量地方采用了ECS设计思想）。

三. ECS的数据处理

由于System只是对定义好的Component状态的加工过程，那么就会有多个System中处理同一个问题，涉及到相同的Component的情况。当这个问题只相关到一个Entity时，还可以设计出一个System逐个把结果计算出来存为Component的状态；但是当这个问题涉及到多个Entity时候，或者这个行为并不想额外修改Component的状态，保持无副作用。

这个时候就需要引入Utlity函数概念，Utility函数是共享给不同的System调用。为了降低系统复杂度，就要求函数是无副作用的，或是仅仅在很少的地方调用；如果副作用实在存在，又会在很多System中触发，那么就先将行为发生时需要的状态保存起来，放在一个队列里，由一个单独的System在独立环节来处理，推迟到当前帧末尾或下一帧开头来做。

四. ECS的优劣

相比于传统的OOP¹，ECS在写法上要复杂很多，一个对象可以集中的数据来用多个Component来管理，还要额外的System来处理逻辑。但是，ECS它做到让设计分离了，由此的影响如下：

1. 减少多人开发时出问题的概率

如果有一个非常复杂的对象，许多人的工作都和这个对象有牵连，当A在进行逻辑处理时，他不得不传整个对象，还要考虑修改对其他人的影响；但是拆离后，A可以把自己的数据封在特殊的Component里，用自己的System处理，减少出问题概率（但是这样会增加代码复杂度）；

2. 基于组合优于继承原则

组合优于继承²，这是设计层面上的原则，而ECS的Entity则是Component的组合，提高了复用性，也方便我们只关注处理对下对象的某个局部；且当我们对某个功能进行拓展时，几乎不会影响到其它功能模块，因为每个部分都是几乎不关联的；

3. 容易预测和回滚

ECS的初衷就是为解决预测和回滚的，因为数据和状态都存储在Component里面，因此记录关键帧的数据和状态非常方便，这就使得实现预测和回滚容易许多；

4. 适合游戏开发层面做逻辑表现分离

同一套逻辑处理系统，加了表现组件就有了表现，可以放在客户端，不加的话就是纯逻辑，放在服务端确认客户端回传的数据。一套代码又能做服务器又能做客户端；

5. 提升性能

ECS这种面向数据的方式，使得内存排列天然紧密，非常适合现代CPU的缓存机制，极大增加了CPU的缓存命中率³，大幅提升了性能。

6. ECS的劣势

ECS在处理大批量数据上有明显的优势，但是在处理小数据上如UI层面，网络层面上等就不太适合使用。而且Component本身不知道哪些System关注它，System也不知道什么时候关注的Component发生改变，即无法做到自驱动，必须有外部的东西来驱动这些System去工作，其实还需要许多Utility来辅助工作。

参考文章：

1. 云风大神的blog;
2. 手游开发三两事-知乎专栏

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1. OOP, Object Oriented Programming，面向对象的编程；OOD，面向对象的设计；OOA，面向对象的分析； ↩︎

2. 组合优于继承，将不变的部分使用继承以方便复用，将多变的部分用组合以方便拓展； ↩︎

3. 当CPU到缓存中去寻找数据时，发生找不到的情况，就是未命中；简单了解缓存命中率，了解更多关于内存和缓存的知识； ↩︎