Unity下的ECS框架（Entitas框架）

程序员文章站 2024-03-26 08:03:42

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Unity下的ECS框架（Entitas框架）

组件-实体-系统（ECS \CES）游戏编程模型：

组件

一个组件可以使用C中的结构体来进行设计。它没有方法，只是用来存储一些数据，并不在它之上进行动作。一个经典的实现方式是，每一个不同的组件都继承至一个抽象的Componet类，通过这样的方法我们能够在运行时动态的添加组件，识别组件。每一个组件都描述了实体的某个属性特征。当他们单独存在的时候，实际上是没有任何意义的，但是当多个组件通过系统的方式组织在一起，就能够发挥强大的力量。我们可以使用空的组件来对实体进行标记，从而能够在运行时动态的识别它。

实体

一个实体指的是存在于你的游戏世界中的物体。实体在代码上就是一个组件的列表。由于实体的结构实在是太简单了，所以很多实现都没有专门的设计一个实体的数据结构。相反的，一个实体就是一个ID，所有组成这个实体的组件将会被这个ID给标记，从而明确的知道哪些组件是属于哪个实体的。如果你想的话，你可以在运行时，动态的将组件从实体中移除或者增加一个或多个你感兴趣的组件。比如说，如果玩家发出了一个冰系魔法，将敌人冻住，你只要简单的将它的速度组件移除，那么敌人就静止住了。

系统

注意，我在上面没有提到任何和游戏逻辑相关的话题。游戏逻辑是系统需要进行的工作。一个系统就是对所有相关联的组件记性操作，比如说，同一个实体的组件。举个例子，人物的移动系统可能会对位置(Position)，速度(Velocity)，碰撞(Collider)，和输入(Input)进行操作。每一个系统，都会在每一帧中按照逻辑上的顺序进行更新。如果要让一个角色跳起来，我们只要检测下Input中的keyJump按键是否被按下，如果是，那么系统就会查看下载Collider中是否有一个接触了地面，如果是，就将这个实体的Velocity的y速度设置一下，让这个物体跳起来。

由于系统只会对相关联的组件进行操作，所以组件就定义了一个实体所应该具有的行为。比如说，如果一个实体有一个Position组件，但是没有Velocity组件，那么我们就知道，这个物体是静止不动的，系统就不会对这个实体的Position组件进行操作了。当我们对这个实体增加了一个Velocity组件的时候，系统就会使用Velocity组件来对物体进行移动。这样的行为可以使用被标记的组件来进行，被标记的组件能够重复的使用在不同的上下文中。对一个实体，增加一个空的Player组件，将会为这个实体打上了Player的标签，那么PlayerControl系统，就会寻找带有这个标签的所有组件，然后使用Input中的数据，进行操作。

组件表示一个游戏对象可以拥有的数据部分
实体用来代表一个游戏对象，它是多个组件的聚合
系统提供了在这些组件上进行的操作

实现

组件

在上篇文章中，我曾说过，组件实际上就是一个C结构体，只拥有简单普通的数据而已，所以我也就会使用结构体来实现组件。下面的组件，从名字上看就能够很好的明白它的作用到底是什么。在下面我会实现三种组件：

Displacement(x,y)
Velocity(x,y)
Appearance(name)

下面的代码，演示了如何定义Displacement组件。它只是拥有两个分量的简单结构体而已：

typedef struct

{

float x ;

float y ;

} Displacement ;

Velocity组件也是同样的进行定义了，显示中只是含有一个string成员而已。

除了上面定义的具体的组件类型，我们还需要一个组件标示符，用来对组件进行标示。每一个组件和系统都会拥有一个组件标示符，如何使用将会在下面详细的解释。

typedef enum

{

COMPONENT_NONE = 0 ,

COMPONENT_DISPLACEMENT = 1 << 0 ,

COMPONENT_VELOCITY = 1 << 1 ,

COMPONENT_APPEARANCE = 1 << 2

} Component ;

定义组件标示符是很简单的事情。在实体的上下文中，我们使用组件标示符来表示这个实体拥有哪些组件。如果这个实体，拥有Displacement和Appearance组件，那么这个实体的组件标示符将会是 COMPONENT_DISPLACEMENT | COMPONENT_APPEARANCE 。

实体

实体本身不会被明确的定义为一个具体的数据类型。我们并不会使用面向对象的方法来对实体进行一个类的定义，然后让它拥有一系列的成员属性。因此，我们将会将组件加入到内存中去，创建一个结构数组。这样会提高缓冲效率，并且会有助于迭代。所以，为了实现这个，我们使用这些结构数组的下标来表示实体。这个下标，就表示是实体的一个组件。

我称这个结构数组为World。这个结构，不仅仅保留了所有的组件，而且还保存了每一个实体的组件标示符。

typedef struct

{

int mask[ENTITY_COUNT];

Displacement displacement[ENTITY_COUNT];

Velocity velocity[ENTITY_COUNT];

Appearance appearance[ENTITY_COUNT];

} World;

ENTITY_COUNT在我的测试程序中，被定义为100，但是在一个真实的游戏中，这个值应该更加的大。在这个实现中，最大数值就被限制在100.实际上，我更加喜欢在栈中实现这个结构数组，而不是在堆中实现，但是考虑到读者可能会使用C++来实现这个World，它也是可以使用vector来保存的。

除了上面的结构体之外，我还定义了一些函数，来对这些实体进行创建和销毁。

unsigned int createEntity(World *world)

{

unsigned int entity;

for(entity = 0; entity < ENTITY_COUNT; ++entity)

{

if(world->mask[entity] == COMPONENT_NONE)

{

return(entity);

}

}

printf("Error! No more entities left!\n");

return(ENTITY_COUNT);

}

void destroyEntity(World *world, unsigned int entity)

{

world->mask[entity] = COMPONENT_NONE;

}

实际上，create方法并不是创建一个实体，而是返回World中第一个为空的实体下标。第二个方法，只是简单的将实体的组件表示符设置为COMPONENT_NONE而已。把一个实体设置为空的组件是很直观的表示方法，因为它为空的话，就表示没有任何的系统将会在这个实体上进行操作了。

我还编写了一些用来创建完整实体的代码，比如下面的代码将会创建一个Tree，这个Tree只拥有Displacement和Appearance。

unsigned int createTree(World *world, float x, float y)

{

unsigned int entity = createEntity(world);

world->mask[entity] = COMPONENT_DISPLACEMENT | COMPONENT_APPEARANCE;

world->displacement[entity].x = x;

world->displacement[entity].y = y;

world->appearance[entity].name = "Tree";

return(entity);

}

在一个真实的游戏引擎中，你的实体可能需要额外的数据来进行创建，但是这个已经不再我介绍的范围内了。尽管如此，读者还是可以看见，这样的系统将会具有多么高的灵活性。

系统

在这个实现中，系统是最复杂的部分了。每一个系统，都是对某一个组件进行操作的函数方法。这是第二次使用组件标示符了，通过组件标示符，我们来定义系统将会对什么组件进行操作。

#define MOVEMENT_MASK (COMPONENT_DISPLACEMENT | COMPONENT_VELOCITY)

void movementFunction(World *world)

{

unsigned int entity;

Displacement *d;

Velocity *v;

for(entity = 0; entity < ENTITY_COUNT; ++entity)

{

if((world->mask[entity] & MOVEMENT_MASK) == MOVEMENT_MASK)

{

d = &(world->displacement[entity]);

v = &(world->velocity[entity]);

v->y -= 0.98f;

d->x += v->x;

d->y += v->y;

}

}

}

这里就显示出了组件标示符的威力了。通过组件标示符，我们能够在函数中确定这个实体是否具有这样的属性，并且速度很快。如果将每一个实体定义为一个结构体的话，那么确定它是否有这些组件，这样的操作将会非常耗时。

这个系统，会自动的添加重力，然后对Displacement和Velocity进行操作。如果所有的实体都是正确的进行了初始化，那么每一个进行这样操作的实体，都会有一个有效的Displacement和Velocity组件。

对于这个组件标示符的一个缺点就是，这样的组合是有限的。在我们这里的实现中，它最多只能是32位的，也就是说最多只能够拥有32个组件类型。C++提供了一个名为std::bitset<n>的类，这个类可以拥有N位的类型，而且我确信，如果你使用的是其他的编程语言的话，也会有这样的类型提供。在C中，可以使用一个数组来进行扩展，像下面这样：

(EntityMask[0] & SystemMask[0]) == SystemMask[0] && (EntityMask[1] & SystemMask[1]) == SystemMask[1] // && ...

问题

这样的系统在我的一些程序中能够很好的进行工作，并且这样的系统能够很容易的进行扩展。它也能够很容易的在一个主循环中进行工作，并且只要添加少量的代码就能够从外部读取文件来创建实体对象。

这一小节，将会讲述在游戏机制中可能出现的一些问题，还会讲述一些这个系统所具有的高级特性。

升级和碰撞过滤

这个问题是在上篇文章中，网友Krohm提出来得。他想知道，在这样的系统中，如何实现游戏特殊行为了。他提出，如果在升级的时候，想要避免和某种类型的物体进行碰撞，该如何进行。

解决这样的问题，我们使用一个叫做动态组件的东西。我们来创建一个组件，叫做GhostBehavior，这个组件拥有一个限定符列表，我们通过这个列表来判断，哪些实体可以让物体穿越过去。比如说，一个组件标示符的列表，或者是材质下标的列表。任何的组件，都可以在任何时候，任何地方被移除出去。当玩家，拾取到了一个升级包，GhostBehavior组件将会增加到玩家实体的列表中去。我们还可以为这个组件创建一个内置的定时器，一旦时间到了，就自动的将自己从列表中移除出去。

为了不进行某些碰撞，我们可以使用物理引擎中的一个经典的碰撞回应。在大部分的物理引擎中，第一步都是先进行碰撞检测，然后产生接触，在然后，为某一个物体添加一个接触力。我们假设，这些工作都是在一个系统中实现的，但是有一个组件能够对每一个实体的碰撞接触进行跟踪记录，这个组件叫做Collidable。

我们创建一个新的系统，同时对GhostBehavior和Collidable进行处理。在上面介绍的两个步骤之间，我们将实体之间的接触删除掉，这样他们就不会产生力，也就不会产生碰撞，让物体穿越过去了。这样的效果，就会产生一个无效的碰撞。同样的系统也能够用来将GhostBehavior进行移除。

同样的策略，也能够用来处理，当发生了碰撞时，我们希望进行某种特定的操作的情况。对于每一个特定的行为，我们都可以创建一个系统，或者同一个系统可以同时处理多个特定的动作。不管怎么样，系统都要先判断两个物体是否发生了碰撞，然后才能够进行特定的行为。

消灭所有怪物

另外一个问题，就是如何通过一个指令，来秒杀所有的怪物。

解决这个问题的关键地方是实现一个系统，这个系统将会在主循环的外面进行。任何一个实体，如果它是怪物的话，那么它就应该有一个同样的组件标示符。比如说，同时拥有AI和血量的实体，就是怪物，这样的判断可以简单的使用组件标示符来进行判断。

还记得我们在上面说过的，每一个系统实际上就是对某个组件标示符进行操作的函数。我们将秒杀技能定义为一个系统。这个系统将会用一个函数来实现。在这个函数中，，最核心的操作就是调用destroyMonster函数了，但是同时可能也会创建一个粒子特效，或者播放一段音乐等。这个系统的组件标示符可能是这样的COMPONENT_HEALTH COMPONENT_AI。

在前面一篇文章中，我讲述过了每一个实体都能够拥有一个或者多个输入组件，这些输入组件将会包括一个boolean值，或者真实的值，用来表示不同的输入。我们创建一个MagicInputComponet组件，这个组件只有一个bool值，一旦将这个组件加入到实体中去，每一个实体都会对这个组件进行处理，从而消灭所有的怪物。

每一个秒杀技能都有一个独特的ID，这个ID将会用来对查找表进行查找。一旦在查找表中，找到了这个ID，那么就调用这个ID对应的函数，让这个函数，来运行这个系统消灭所有的怪物。

结论

记住，这里的实现只是一个非常简单的方法。它仅仅对我们这里的测试程序有效而已，对于一个完整的游戏来说，它并没有那个能力来驱动它。然后，我希望，通过这个例子，你已经明白了设计ECS系统的主要原则，并且能够独立的使用你自己的熟练的语言来实现它。

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