[架构设计] Entity-Component-System (ECS)架构
介绍
ECS（Entity-Component-System）是一种游戏开发架构，它将游戏对象（Entity）分解成组件（Component）和系统（System），并在不同的数据集合中对它们进行处理。其中，组件是具有数据的对象，系统是根据组件来处理数据的对象，而实体是由组件构成的。
在ECS架构中，不同的组件包含不同的数据，系统只处理与其相关联的组件。这样，系统就能够高效地处理数据，而且可以轻松地添加和删除组件，从而灵活地管理游戏对象。
优缺点
ECS架构的优点：
- 高性能：ECS可以利用数据布局、缓存友好性等特性来提高处理性能。
- 可扩展性：ECS可以轻松地添加和删除组件，从而实现可扩展性。
- 更容易的代码重用：ECS提供了组件和系统的分离，这样可以更容易地重用代码。
- 更好的测试性：由于ECS中的系统和组件是分离的，所以可以更轻松地对它们进行单元测试。
ECS架构的缺点：
- 学习曲线陡峭：ECS需要开发人员具备一定的编程技能和知识。
- 可读性差：由于组件和系统分离，代码可能更加分散，可读性可能会降低。
总之，ECS是一种适用于大型游戏的高性能架构，可以提高游戏的可扩展性和性能。
实际应用
以游戏中的角色移动为例子来说明ECS的应用：
在ECS中，我们不再使用传统的面向对象模式，而是使用一种类似数据流的方式来处理游戏逻辑。在角色移动的场景中，我们可以将角色的数据分为三个部分：
-
实体（Entity）：实体是游戏对象的抽象，它仅仅是一个标识符，用于标识游戏中的一个对象。
-
组件（Component）：组件包含了实体的数据，例如角色的位置、速度、朝向等信息。
-
系统（System）：系统负责更新组件的状态，例如将角色的位置根据速度进行更新，处理输入等。
在ECS中，我们将实体看作一个空的容器，组件包含着实体的所有数据，系统根据组件的数据来进行逻辑处理。例如在角色移动的场景中，我们可以创建以下组件：
-
位置组件（Position Component）：包含角色的位置信息，例如x、y、z坐标等。
-
移动组件（Movement Component）：包含角色的速度、加速度、朝向等信息。
-
输入组件（Input Component）：包含角色的输入状态，例如玩家是否按下了方向键等。
在游戏运行时，系统会根据组件的数据来进行逻辑处理。例如位置系统会根据移动组件的数据来更新位置组件的数据，而输入系统则会根据玩家的输入来更新输入组件的数据。
使用ECS架构可以将游戏对象的数据分离出来，简化游戏逻辑的处理，提高游戏的性能和可维护性。
上代码
先来个简单的
以下是一个简单的 Unity ECS 示例，演示如何创建实体和组件，并在系统中使用这些组件进行操作：
首先，需要定义一个组件：
using Unity.Entities;
public struct Velocity : IComponentData
{
public float Value;
}
然后，需要定义一个系统，这个系统会在每个帧上更新实体的速度：
using Unity.Entities;
using Unity.Transforms;
public class VelocitySystem : SystemBase
{
protected override void OnUpdate()
{
float deltaTime = Time.DeltaTime;
Entities.ForEach((ref Translation translation, in Velocity velocity) =>
{
translation.Value.y += velocity.Value * deltaTime;
}).Schedule();
}
}
这个系统依赖于两个组件：Translation 和 Velocity。在每个帧上，系统会遍历所有拥有这些组件的实体，并更新它们的速度。
最后，需要在场景中创建实体并添加组件：
using Unity.Entities;
using Unity.Transforms;
public class CreateEntity : MonoBehaviour
{
EntityManager entityManager;
void Start()
{
entityManager = World.DefaultGameObjectInjectionWorld.EntityManager;
Entity entity = entityManager.CreateEntity(typeof(Translation), typeof(Velocity));
entityManager.SetComponentData(entity, new Translation { Value = new float3(0f, 0f, 0f) });
entityManager.SetComponentData(entity, new Velocity { Value = 1f });
}
}
在这个例子中，创建了一个实体，并添加了 Translation 和 Velocity 组件，其中 Velocity 的初始值为 1。这个实体将在每个帧上向上移动。
这是一个简单的 ECS 示例，它演示了如何使用 Unity ECS 创建实体和组件，并在系统中操作这些组件。在实际游戏中，可能会涉及到更复杂的组件和系统，但基本原理都是相同的。
再来个复杂一点的
个较为复杂的 ECS 代码示例，该代码实现了一个简单的飞机射击游戏。
首先，我们定义了一个组件类 Position，它表示游戏对象的位置：
public struct Position : IComponentData
{
public float3 Value;
}
接下来，我们定义了一个组件类 Velocity，它表示游戏对象的速度：
public struct Velocity : IComponentData
{
public float3 Value;
}
我们还定义了一个系统类 MovementSystem，它更新游戏对象的位置和速度：
[UpdateAfter(typeof(InputSystem))]
public class MovementSystem : SystemBase
{
protected override void OnUpdate()
{
float deltaTime = Time.DeltaTime;
Entities.ForEach((ref Position position, in Velocity velocity) =>
{
position.Value += velocity.Value * deltaTime;
}).ScheduleParallel();
}
}
在这个系统中，我们使用 Entities.ForEach 来循环遍历所有拥有 Position 和 Velocity 组件的游戏对象，并更新它们的位置。
接下来，我们定义了一个组件类 PlayerInput，它表示玩家的输入：
public struct PlayerInput : IComponentData
{
public float2 Movement;
public bool Fire;
}
我们还定义了一个系统类 InputSystem，它读取玩家的输入并更新 PlayerInput 组件：
public class InputSystem : SystemBase
{
protected override void OnUpdate()
{
float2 movement = new float2(Input.GetAxis("Horizontal"), Input.GetAxis("Vertical"));
bool fire = Input.GetButton("Fire");
Entities.ForEach((ref PlayerInput playerInput) =>
{
playerInput.Movement = movement;
playerInput.Fire = fire;
}).Schedule();
}
}
在这个系统中，我们使用 Entities.ForEach 来循环遍历所有拥有 PlayerInput 组件的游戏对象，并更新它们的输入。
最后，我们定义了一个系统类 WeaponSystem，它根据玩家的输入来发射子弹：
public class WeaponSystem : SystemBase
{
protected override void OnUpdate()
{
bool fire = false;
Entities.ForEach((in PlayerInput playerInput) =>
{
fire = playerInput.Fire;
}).WithoutBurst().Run();
if (fire)
{
Entity bullet = EntityManager.Instantiate(prefabBullet);
float3 position = EntityManager.GetComponentData<Position>(entityPlayer).Value;
position.z += 1.0f;
EntityManager.SetComponentData(bullet, new Position { Value = position });
EntityManager.SetComponentData(bullet, new Velocity { Value = new float3(0.0f, 0.0f, 10.0f) });
}
}
}
在这个系统中，我们使用 Entities.ForEach 来循环遍历所有拥有 PlayerInput 组件的游戏对象，并根据输入来发射子弹。发射子弹时，我们使用 EntityManager.Instantiate 来实例化子弹预制件，并使用 EntityManager.SetComponentData 来设置它的位置和速度。