【游戏架构】 - ECS

为什么选择ECS

在游戏开发中，随着项目规模的扩大和功能的复杂化，传统的面向对象编程（OOP）逐渐暴露出继承链冗长、耦合度高、扩展性差等问题。ECS解决了这些问题，比较经典的案例是《守望先锋》。

核心

CS架构由三个核心部分组成：实体（Entity）、组件（Component）和系统（System）。它们共同构建了一个基于组合优于继承的设计模式，解决了传统OOP中的诸多痛点。

实体（Entity）

• 定义：实体是游戏中的基本单元，例如玩家、敌人、道具等。它本身不包含任何数据或行为，仅仅是一个唯一标识符（ID）。
• 特点：实体通过关联不同的组件来“拥有”功能。例如，一个“玩家实体”可能包含位置组件、生命值组件和渲染组件。

组件（Component）

• 定义：组件是描述实体特性的纯数据结构，不包含任何逻辑。每个组件只负责存储特定类型的数据。
• 特点：
  • 无行为：组件只包含数据（如位置、速度、生命值），没有方法。
  • 高内聚：每个组件专注于单一功能。

系统（System）

• 定义：系统是处理实体集合逻辑的行为集合，负责更新实体的状态。系统根据组件类型筛选实体，并执行相应的逻辑。
• 特点：
  • 无状态：系统不存储数据，只处理逻辑。
  • 高复用性：一个系统可以处理多个实体。

优势

高性能与内存优化

• 内存连续性：ECS通过将相同类型的组件存储在连续的内存块中，显著提升了缓存命中率。
• 批量处理：系统可以高效地处理具有相同组件类型的实体集合，减少CPU开销。

高扩展性与灵活性

• 动态组合：通过添加或移除组件，可以灵活调整实体的功能。例如，为敌人实体添加AI组件即可赋予其自主行为。
• 模块化设计：系统之间相互独立，便于团队协作和功能扩展。

多线程支持

• 并行处理：由于组件数据独立，系统可以利用多线程并行处理实体集合，充分发挥多核CPU的性能。

不足

• ECS的设计理念与传统面向对象编程（OOP）有显著差异，开发者需要重新适应“数据驱动”的思维模式。
• 组件仅存储数据，系统处理逻辑，导致状态变化的追踪变得复杂，调试和排错难度较大。
• 为了性能优化，组件通常设计为最小单元，导致代码分散。
• 组件数据是公开的，任何系统都可以修改，容易引发冲突。
• ECS的核心优势在于大规模实体处理（如MMO、RTS），但小型项目可能因复杂性收益不足。

ECS与传统OOP的对比

特性	传统OOP	ECS架构
继承结构	多层继承，容易导致菱形继承问题	无继承，基于组合设计
耦合度	基类修改会影响整个继承链	组件和系统解耦，修改不影响其他部分
扩展性	需要频繁修改基类或子类	通过添加新组件和系统即可扩展功能
性能优化	内存布局分散，缓存命中率低	数据按组件类型连续存储，缓存效率高
团队协作	类结构复杂，协作难度大	组件和系统模块化，协作更简单

---

参考链接

Overwatch Gameplay Architecture and Netcode - YouTube

GitHub - egametang/ET: Unity3D Client And C# Server Framework

GitHub - sschmid/Entitas: Entitas is a super fast Entity Component System (ECS) Framework specifically made for C# and Unity