ECS 為什么會(huì)高效，性能好，Entity的內(nèi)存布局與分配就是非常重要的部分，今天我們一起來分析一下Unity ECS 架構(gòu)里面如何來做高效的內(nèi)存分配器。這種思路也可以給我們做內(nèi)存分配提供很好的一個(gè)思路。

1: ECS 里面基本的一些概念

Unity ECS框架里面有幾個(gè)重要的概念:

Entity, ComponentData, System,Archetype, EntityManager, World；

ComponentData:

組件數(shù)據(jù),開發(fā)的時(shí)候，可以把每個(gè)功能相關(guān)的數(shù)據(jù)放到ComponentData里面。

Entity:

對(duì)象實(shí)體，純數(shù)據(jù)對(duì)象，里面包含了一個(gè)個(gè)的ComponentData, 每個(gè)相關(guān)功能使用的數(shù)據(jù)我們放Entity的ComponentData里面, 如圖:

編輯

ystem:

具體算法邏輯的實(shí)現(xiàn)，System算法數(shù)據(jù)基于Entity里面對(duì)應(yīng)處理的ComponentData。游戲引擎每次Update的時(shí)候，System都會(huì)根據(jù)每個(gè)Entity里面的它使用的ComponentData, 來更新數(shù)據(jù)完成計(jì)算。

EntityManager:

負(fù)責(zé)Entity相關(guān)類型信息，對(duì)象實(shí)體的創(chuàng)建與管理。

Archetype:

Entity是由多個(gè)ComponentData組成的，每種Entity類型都會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)Archetype, 里面描述了這個(gè)Entity類型以及相關(guān)的布局。Archetype由EntityManager創(chuàng)建出來，創(chuàng)建出來后這個(gè)類型的Entity的大小，包含的組件數(shù)據(jù)，內(nèi)存布局都確定了。

World:

世界包含多個(gè)Entity組成Entity群體，通過世界把這些Entity群體孤立起來。Unity里面可以同時(shí)擁有多個(gè)不同的世界, 每個(gè)世界獨(dú)立包含EntityManager, 與Systems, 在世界里面創(chuàng)建出來的一個(gè)Entity，只屬于這個(gè)世界。世界里每個(gè)System也只能迭代一個(gè)世界里面的Entity實(shí)體數(shù)據(jù)。你可以創(chuàng)建多個(gè)World。

總結(jié)一下Unity ECS的使用步驟與邏輯關(guān)系:

(1) 創(chuàng)建一個(gè)ECS的World;

(2) 使用World的EntityManager為不同Entity類型創(chuàng)建出來Archetype;

(3) 基于Archetype, 我們創(chuàng)建出來Entity內(nèi)存對(duì)象, 并初始化Entity里面每個(gè)ComponentData數(shù)據(jù);

(4)為ECS World編寫System算法，World會(huì)調(diào)用System算法來迭代每個(gè)Entity里的相關(guān)ComponentData;

編輯切換為居中

2: ECS 高效的內(nèi)存模型與布局

作為架構(gòu)師，設(shè)計(jì)框架數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由為關(guān)鍵。特別對(duì)于游戲開發(fā)，要處理迭代成百上千個(gè)游戲物體。高效的內(nèi)存模型與布局如何實(shí)現(xiàn)? 首先要明白怎么樣布局內(nèi)存才會(huì)高效。內(nèi)存模型布局高效主要從兩個(gè)方面來考慮:

1:內(nèi)存對(duì)齊。

CPU訪問不同地址的內(nèi)存數(shù)據(jù)的時(shí)候，如果內(nèi)存地址基于2^n 數(shù)據(jù)對(duì)齊(n根據(jù)CPU而定)，訪問最為高效。例如我們以16字節(jié)數(shù)據(jù)對(duì)齊，那么對(duì)象內(nèi)存開始排布的時(shí)候, 從地址能整除16的內(nèi)存位置開始排布。高效的內(nèi)存布局，對(duì)象實(shí)例內(nèi)存地址要對(duì)齊，對(duì)象實(shí)例里面的每個(gè)數(shù)據(jù)成員內(nèi)存地址也要對(duì)齊。Entity的內(nèi)存分配與內(nèi)存布局, 在創(chuàng)建Entity的時(shí)候，ECS系統(tǒng)就會(huì)注意Entity的內(nèi)存對(duì)齊，同時(shí)也會(huì)注ComponentData在Entity里面排布的內(nèi)存對(duì)齊，如果沒有對(duì)齊，就會(huì)空一些出來。比如16字節(jié)對(duì)齊，一個(gè)ComponentData只有14個(gè)字節(jié)，實(shí)際上排布下一個(gè)ComponentData的時(shí)候是從16字節(jié)開始排布的。

2: CPU通過地址來取到內(nèi)存數(shù)據(jù)的時(shí)，數(shù)據(jù)排布一起取的速度會(huì)更快。

ECS天然就具有這種優(yōu)勢。所有的邏輯代碼迭代都是基ComponentData的，也就是算法迭代訪問處理的數(shù)據(jù)都在一起，在一個(gè)ComponentData里面。這樣訪問數(shù)據(jù)高效，避免了地址的來回跳轉(zhuǎn)。

3: Entity內(nèi)存分配器 Chunk的設(shè)計(jì)

大量的Entity的創(chuàng)建與銷毀，大量不同類型的數(shù)據(jù)對(duì)象交叉創(chuàng)建，很容易造成內(nèi)存碎片。何為內(nèi)存碎片?給大家舉個(gè)例子,對(duì)象A，對(duì)象B(100字節(jié))，對(duì)象C連續(xù)排布，對(duì)象B銷毀，內(nèi)存釋放，同時(shí)又請求分配對(duì)象D(80字節(jié))，系統(tǒng)在原來對(duì)象B的地方把一塊內(nèi)存分配給對(duì)象D，還剩了一小塊內(nèi)存(20字節(jié))。而這一小塊內(nèi)存，無法分配給當(dāng)前系統(tǒng)的任何一個(gè)對(duì)象，這樣，這小快內(nèi)存就再也無法使用了，造成內(nèi)存碎片，隨著系統(tǒng)不斷運(yùn)行，隨著更多大量的創(chuàng)建與釋放，內(nèi)存碎片越來越多，分配/釋放效率也越來越低。最終讓系統(tǒng)越來越慢。解決這種大量創(chuàng)建與銷毀，我們一般采用Cache內(nèi)存池來做。那Unity ECS架構(gòu)里面內(nèi)存池是如何設(shè)計(jì)的呢？接下來我們來分析ECS里面基于Chunk的內(nèi)存分配器。不同的Archetype,所對(duì)應(yīng)的Entity的內(nèi)存不一樣，系統(tǒng)可能有N中不同的Archetype,而且Archetype是用戶根據(jù)組件數(shù)據(jù)組合創(chuàng)建而來。

綜上Unity ECS 是這樣設(shè)計(jì)內(nèi)存分配緩存池:

(1) 基于固定大小的Chunk來做內(nèi)存緩存池。每個(gè)Chunk大小為16KB(引用來自于UnityECS 文檔)

(2) 當(dāng)Archetype 確定后，Entity的內(nèi)存大小就確定下來，每個(gè)Chunk能分配的當(dāng)前的Entity數(shù)目就能確定下來?；贏rchetype創(chuàng)建Entity的時(shí)候，首先從內(nèi)存池里面拿一個(gè)Chunk, 然后根據(jù)每個(gè)Chunk可創(chuàng)建Entity數(shù)目，從Chunk里面把Entity分配出去，如果chunk分配完畢，從chunk內(nèi)存緩存池里面再拿一個(gè)Chunk。由于基于Archetype創(chuàng)建，這個(gè)Archetype的所有Entity內(nèi)存大小都是一樣的，等釋放的時(shí)候,我們就可以基于Archetype把Entity緩存起來,重復(fù)使用之前的Entity。

對(duì)于OS而言，ECS框架基于chunk來分配和釋放內(nèi)存，避免了內(nèi)存碎片(大小都一樣)。對(duì)于ArcheType而言，又基于特定ArcheType的Entity來做內(nèi)存緩存，分配和釋放都非常高效。

看完Unity ECS的架構(gòu)設(shè)計(jì)與內(nèi)存布局，我們在其他地方做ECS架構(gòu)設(shè)計(jì)(游戲服務(wù)器)就有了一個(gè)很好的參考，設(shè)計(jì)萬變不離其中，大家可以好好體會(huì)一下。

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