ECS的簡單入門（一）：概念

CPU與緩存（Cache）

首先我們先來了解一下CPU讀取資料時的操作，首先CPU會先從自己的緩存中去查找，如下圖，有L1/ L2/ L3三級緩存，若緩存中沒有找到需要的資料，則會去記憶體中查找（我們稱之為Cache Miss），CPU讀取到記憶體資料後就會将新資料存放在緩存當中。CPU通路記憶體的速度會比通路L1 Cache的速度慢100倍，是以提高緩存命中率（Cache Hit），避免Cache Miss會大大提高性能。是以我們應該盡量使用數組，盡量分割屬性（SOA），盡量連續的進行處理。

這也使得一味的讨論複雜度O(n)不再适用，因為現在效率=資料+代碼，最常見的例子就是在資料量小的情況下周遊數組會比 （Hash）Map 快上很多

緩存行

緩存又由若幹個緩存行（cache line）組成，每個緩存行大概占64位元組。

假設我們現在想要旋轉并移動場景中的一個物體，那麼我們會修改它的Position（Vector3資料，3個float）和Rotating（Quaternion，4個float），其中1個float占4位元組，那麼一共占28位元組，那麼在這個緩存行就會有36個位元組是完全浪費的，甚至我們可能隻改了Position的x的值，這樣浪費的就更多。若有上千個這樣的方塊，那麼我們緩存中可能就會存在超50%的記憶體垃圾，進而導緻緩存命中率大大的降低。

問題的引出

了解了上面的知識之後，我們再看回Unity，在傳統模式下，我們在場景中建立一個Cube，上面會有Transform，MeshRenderer，Collider等元件，而這些元件在記憶體中的排放都是無序的，這就會降低我們的緩存命中率。

除此以外，像我們前面說到的旋轉移動方塊，我們隻用到了Position和Rotating兩個屬性，但是使用的時候整個Transform都會被加到緩存當中，而Transform中有很多我們不需要的屬性占用了不少的緩存空間，同樣的降低了我們的緩存命中率。

使用ECS就可以解決上述的這些問題，進而提高性能。

ECS概念

ECS即Entity Component System，是Unity的一種架構，我們可以把Entity看做是一個唯一id，Component看做是資料，其本質是一個存放資料的Struct，一個Entity上可以擁有多個Component，但是Component中不會有任何邏輯處理。而System則可以根據Entities索引讀取對應的Component，對Component中的資料進行處理。

如上圖，有三個Entity，Entity A，Entity B，Entity C，與它們相關聯的Translation，Rotation，LocalToWorld和Renderer這些都是Component。同時還有一個System，用來将Translation和Rotation兩個Component内的值相乘并賦予LocalToWorld。

我們可以設定System需要Renderer Component，那麼Entity C将被該System忽略。或者設定System處理的Entity不能有Renderer Component，那麼Entity A和Entity B将被忽略。

Archetypes

不同的Component可以有多種不同的組合，每種組合我們即稱之為Archetype。例如下圖，Entity A和Entity B的Component的組合是相同的，是以他們都屬于Archetype M，而Entity C由于少了Renderer，是以是另一種組合，屬于Archetype N。

由于可以在運作時給Entity動态的添加或删除Component，若我們将Entity A的Renderder删除，則此時Entity A會隸屬于Archetype N，若再删除Rotation，則剩下的Component組合和Archetype M，Archetype N都不相同，就好隸屬于一個新的Archetype。

Memory Chunks

ECS會根據Archetype來進行配置設定記憶體，每個記憶體塊我們稱之為Chunk，ECS會将符合Chunk對應Archetype的Entity放在該Chunk當中。一個Chunk中，記憶體位址是連續的，大小固定為16KB。若Chunk裝滿了，則會生成一個新的Chunk用來存儲新生成的且Archetype符合的Entity。

由于我們動态的添加或删除Entity的Component，會導緻其Archetype變化，是以ECS也會改變其Chunk，放到與之對應Chunk中。

可能描述的不太好，我們來看示例圖。下圖中有三種Archetype，分别對應三種Component組合。每個Archetype都會有對應的Chunk用來存儲對應的Entity。若Chunk存儲滿了，就會在對應Archetype下新生成一個Chunk。

這樣的設計理念使Archetypes and Chunks是一對多的關系，同時若給定一個Component組合，我們要找到所有對應的Entity，隻需要搜尋現有的archetype即可，而不需要周遊所有的Entity。

ECS不支援使用特殊的排序來将Entity存儲進Chunk中，若有一個Entity被建立或者被改變，使其隸屬于一個新的Archetype時，ECS會将其存儲在該Archetype下第一個還有空間的Chunk中。若有一個Entity被從Chunk中移除，ECS則會把該Chunk中最後一個Entity與其對應的Component移到這個空缺的位置中。

舉例

關于Entity，Component，Archetype和Chunk的關系，我們在此舉個簡單的例子。假設我們有兩個Component：C1和C2，然後我們生成五個Entity，其對應的Component分别為：E1(C1,C2)，E2(C1)，E3(C1,C2)，E4(C1,C2)，E5(C2)。由于組合分别有C1，C2，C1C2三種，是以會有三個Archetype，假設我們一個Chunk隻能存儲兩個Entity。那麼最終結果為：

Archetype1：Chunk1 [ E1(C1,C2)，E3(C1,C2) ] -> Chunk2 [ E4(C1,C2) ]

Archetype2：Chunk1 [ E2(C1) ]

Archetype3：Chunk1 [ E5(C2) ]

結合到我們前面有關緩存的知識，若我們要移動選擇一個方塊，可能會寫兩個Component，MoveComponent存x和y兩個float（假設隻前後左右移動），RotateComponent隻存y一個float（假設隻旋轉y軸），這樣我們的方塊就隻會有3個float，占用12個位元組。若有多個相同的方塊，由于都有上述兩個Component，也就是屬于同一種Archetype，是以記憶體也是連續的。那麼在一個64位元組的緩存行中，我們可以放下5個這樣的方塊資料，隻有4位元組是浪費的，就會大大降低Cache Miss。