关于OOP到组件式到ECS的思考

本文主要总结最近在学习ECS架构时的一些心得体会。主要关于OOP、组件式开发和ECS架构三者之间的联系。

面向对象

在面向对象的开发中，如果我们需要复用一些代码，通常会用到类的集成和多态。
示例：

classDiagram
    class WorldTarget {
        +position()
        +render()
    }

    class Player {
        +position()
        +render()
        +attack()
    }

    class Enemy {
        +position()
        +render()
        +chasePlayer()
    }

    class EnemyX {
        +position()
        +render()
        +chasePlayer()
        +specialAttack()
    }

    class EnemyY {
        +position()
        +render()
        +chasePlayer()
        +defend()
    }
    

    WorldTarget <|-- Player
    WorldTarget <|-- Enemy
    Enemy <|-- EnemyX
    Enemy <|-- EnemyY

一个显而易见的问题是，随着需求的增加，类的层次结构会变得越来越复杂，代码的维护也会变得越来越困难。

组件式

基于继承的开发方式的缺点，我们想到使用组件式开发。
示例：

classDiagram
    class PositionComponent {
        +x
        +y
    }

    class RenderComponent {
        +render()
    }

    class AttackComponent {
        +attack()
    }

    class ChasePlayerComponent {
        +chasePlayer()
    }

    class SpecialAttackComponent {
        +specialAttack()
    }

    class DefendComponent {
        +defend()
    }

    class PlayerEntity {
        +position: PositionComponent
        +render: RenderComponent
        +attack: AttackComponent
    }

    class EnemyXEntity {
        +position: PositionComponent
        +render: RenderComponent
        +chasePlayer: ChasePlayerComponent
        +specialAttack: SpecialAttackComponent
    }

    class EnemyYEntity {
        +position: PositionComponent
        +render: RenderComponent
        +chasePlayer: ChasePlayerComponent
        +defend: DefendComponent
    }

    PlayerEntity o-- PositionComponent
    PlayerEntity o-- RenderComponent
    PlayerEntity o-- AttackComponent
    
    EnemyXEntity o-- PositionComponent
    EnemyXEntity o-- RenderComponent
    EnemyXEntity o-- ChasePlayerComponent
    EnemyXEntity o-- SpecialAttackComponent
    
    EnemyYEntity o-- PositionComponent
    EnemyYEntity o-- RenderComponent
    EnemyYEntity o-- ChasePlayerComponent
    EnemyYEntity o-- DefendComponent

从开发和维护的角度来看，组件式已经非常优秀了。

组件式的缺点

1. CPU缓存未命中率高：由于组件数据在内存中是分散存储的，处理实体时需要频繁跳转内存地址，导致CPU缓存未命中率高，影响性能。
2. 如果使用组件式，如果不进行组件进行统一管理，系统会变得混乱，难以维护。

主要讲一下第二点。
假设我们有两个entity：AvatarEntity和EnemyEntity。

class AvatarEntity {
    private PositionComponent _position;
    private PhysicsComponent _physics;
    
    void Init(){
        this.AddComponent<PhysicsComponent>();
        this.AddComponent<PositionComponent>();
    }

    void Update(){
        _physics.Update();
        _position.Update();
    }
}

class EnemyEntity {
    private PositionComponent _position;
    private PhysicsComponent _physics;

    void Init(){
        this.AddComponent<PhysicsComponent>();
        this.AddComponent<PositionComponent>();
    }

    void Update(){
        _physics.Update();
        _position.Update();
    }
}

在上面的代码中会有一个问题，在严格的游戏中，理论上我们应该严格的控制更新顺序，比如先更新物理组件，再更新位置组件。
但在上面代码中，AvatarEntity和EnemyEntity都各自管理自己的组件更新顺序，这样就会导致更新顺序混乱出现的bug。

实体-组件-系统架构

为了解决组件式的缺点，我们引入实体-组件-系统（ECS）架构。
ECS架构将组件的管理和更新交给系统来处理，从而保证了组件的统一管理和更新顺序。
ECS的三个核心概念如下：

• 实体（Entity）：作为纯粹的标识符，不保存逻辑，只负责关联组件。
• 组件（Component）：仅承载数据，遵守“只做数据不做行为”的约束。
• 系统（System）：针对特定组件组合进行遍历和更新，实现业务逻辑。

相比传统组件式开发，ECS能够带来以下直接收益：

1. 更新顺序可控：所有系统由统一调度器串联执行，消除实体内部更新顺序不一致的问题。
2. 数据更聚合：同类组件集中存储更能命中缓存，提高遍历效率。
3. 易于并行化：系统之间仅共享只读数据或通过消息通信，可天然划分线程或任务。

统一调度示例

public sealed class Simulation {
    private readonly List<ISystem> _updateSystems = new() {
        new PhysicsSystem(),
        new PositionSyncSystem(),
        new RenderSystem()
    };

    public void Tick(float deltaTime, IReadOnlyList<Entity> entities) {
        foreach (var system in _updateSystems) {
            system.Update(deltaTime, entities);
        }
    }
}

该调度器集中控制系统的执行顺序，使得Avatar、Enemy等所有实体都按照统一的逻辑管线逐步更新，避免不同实体各自管理组件顺序造成的状态错乱。下图展示了调度器与系统、实体、组件之间的关系：

graph TD
    Scheduler[调度器 Simulation]
    Physics[PhysicsSystem]
    Position[PositionSyncSystem]
    Render[RenderSystem]
    Entities[(实体集合)]
    Components[(组件数据)]
    Scheduler --> Physics --> Entities
    Scheduler --> Position --> Entities
    Scheduler --> Render --> Entities
    Physics --> Components
    Position --> Components
    Render --> Components
    Entities -.引用.-> Components