狐言乱语

Bevy Entity 实体设计

3分钟阅读

Bevy ECS 介绍

Bevy 作为一个数据驱动的游戏引擎， 其内部架构为 ECS(Entity-Component-System) 组件化设计模式。

为什么用ECS

  • 面向数据: 功能由数据驱动 在ECS中，数据是核心。系统的功能和行为主要通过数据的组织和处理来实现，而不是通过复杂的对象层次结构。
  • 清晰架构: 功能松耦合 / 防止深层次的继承嵌套 ECS通过将功能分解为独立的组件和系统，实现了功能之间的松耦合。这种方式避免了传统面向对象设计中常见的深层次继承结构，使得代码更加模块化和易于维护。
  • 高性能：高度并行且缓存友好 ECS的设计使得数据可以高效地存储和访问，支持高度并行的处理。由于数据通常按类型连续存储，这有助于提高缓存命中率，从而提升性能。

ECS定义

  • 实体（Entity）：具有唯一 ID 的组件集合 实体是由多个组件组成的集合，并且每个实体都有一个唯一的标识符（ID）。实体本身没有具体的行为，其行为由所包含的组件和系统共同决定。
  • 组件（Component）：只是一个普通的 Rust 数据类型。通常作用于单一功能 组件是包含特定数据的简单结构体，每个组件负责一个特定的功能。例如，Position 组件包含位置信息，Health 组件包含生命值信息。
  • 资源（Resource）：共享的全局数据 资源是可以在整个系统中共享的数据，通常用于存储全局状态或配置信息。例如，资产存储可以用来管理游戏中的所有资源文件，事件系统可以用来处理游戏中的各种事件。
  • 系统（System）：在实体、组件和资源上运行逻辑 系统是负责执行具体逻辑的模块。系统会遍历具有特定组件的实体，并对这些实体进行操作。例如，移动系统可能会更新所有具有 Position 和 Velocity 组件的实体的位置，伤害系统可能会处理所有具有 Health 组件的实体的伤害计算。

从概念上讲， 您可以将ECS和数据库和表格做类比。不同的数据类型（组件）就是像表的“列”，不同的组件组成了一行，EntityID就像行号，它就是一个整数索引，可以让您查找特定的组件值。

[Entity] (ID)[Transform]PlayerEnemy[Camera]Health…
…
107✓ <translation> <rotation> <scale>✓✓ 50.0
108✓ <translation> <rotation> <scale>✓✓ 25.0
109✓ <translation> <rotation> <scale>✓ <camera data>
110✓ <translation> <rotation> <scale>✓✓ 10.0
111✓ <translation> <rotation> <scale>✓✓ 25.0
…
指向原始笔记的链接

Bevy Entity 结构

当我们打印/调试时， 经常看到Entity的Display/Debug输出是这样的

enemy entity: 1v1
player entity: 3v1

为什么呢？ 我们看一下Entity的源码

// 简化注释和代码
pub struct Entity {
    index: u32,
    generation: NonZeroU32,
}

可以看到Entity内部存储了index和generation两个值，但为什么要存储这两个值呢？ 索引用一个usize不能解决吗？ bevy在文档里提到了这里使用了分代索引设计,它是一种复合索引，由两部分组成：

  1. Index：一个唯一的标识符，用于快速查找对象。
  2. Generation：一个计数器，用于区分同一索引在不同时间点上引用的对象

问题来源

ECS架构会牵涉到大量的实体创建/销毁, 因此会实现回收id。如果只用了一个usize做索引，会带一个ABA的问题。 比如说: 创建A， index为0。 创建B， index为1。 A自己创建了B的索引，标记index为1。 有人删除了B，又创建了C，index也为1。 此时A用index=1去引用B， 但实际上却会拿到C

解决方案

代际索引就是将Index和Generation合并起来组成了一个key。当我们删除Entity时，会将其Generation增加，这样原来的key和现在新的key不一致，从而解决ABA问题。 用文章里的图解释一下:

在数组中插入新元素会生成key

要获取值，我们只需要提供它们的key

我们通过传递 key 来删除 element，然后删除 key 索引处的值并增加生成

我们在第一个可用空间中插入顶点 C，返回一个新key，其生成与数组条目中的生成匹配，注意：返回的key具有 index: 0 而不是 1。

key的生成与条目的生成不匹配，这意味着该key现在指向无效数据，返回空结果

然而Key C 指向正确的数据C！

结论

Bevy ECS 使用了代际索引机制，解决了在对象频繁创建和销毁的情况下，高效管理和查找对象的问题。

参考文档

关系图谱

反向链接