ECS模式

大家好，本文提出了ECS模式。ECS模式是游戏引擎中常用的模式，通常用来组织游戏场景。本文出自我写的开源书《3D编程模式》，该书的更多内容请详见：
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普通英雄和超级英雄​

需求​

我们需要开发一个游戏，游戏中有两种人物：普通英雄和超级英雄，他们具有下面的行为：

• 普通英雄只能移动
• 超级英雄不仅能够移动，还能飞行

我们使用下面的方法来渲染：

• 使用Instance技术来一次性批量渲染所有的普通英雄
• 一个一个地渲染每个超级英雄

实现思路​

应该有一个游戏世界，它由多个普通英雄和多个超级英雄组成

一个模块对应一个普通英雄，一个模块对应一个超级英雄。模块应该维护该英雄的数据和实现该英雄的行为

给出UML​

领域模型

总体来看，领域模型分为用户、游戏世界、英雄这三个部分

我们看下用户、游戏世界这两个部分：

Client是用户

World是游戏世界，由多个普通英雄和多个超级英雄组成。World负责管理所有的英雄，并且实现了初始化和主循环的逻辑

我们看下英雄这个部分：

一个NormalHero对应一个普通英雄，维护了该英雄的数据，实现了移动的行为

一个SuperHero对应一个超级英雄， 维护了该英雄的数据，实现了移动、飞行的行为

给出代码​

首先，我们看下Client的代码；
然后，我们依次看下Client代码中前两个步骤的代码，它们包括：

• 创建WorldState的代码
• 创建场景的代码

然后，因为创建场景时操作了普通英雄和超级英雄，所以我们看下它们的代码，它们包括：

• 普通英雄移动的代码
• 超级英雄移动和飞行的代码

然后，我们依次看下Client代码中剩余的两个步骤的代码，它们包括：

• 初始化的代码
• 主循环的代码

然后，我们看下主循环的一帧中每个步骤的代码，它们包括：

• 主循环中更新的代码
• 主循环中渲染的代码

最后，我们运行Client的代码

Client的代码​

Client

let worldState = World.createState()

worldState = _createScene(worldState)

worldState = WorldUtils.init(worldState)

WorldUtils.loop(worldState, [World.update, World.renderOneByOne, World.renderInstances])

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Client首先创建了WorldState，用来保存游戏世界中所有的数据；然后创建了场景；然后进行了初始化；最后开始了主循环

创建WorldState的代码​

World

export let createState = (): worldState => {
    return {
        normalHeroes: Map(),
        superHeroes: Map()
    }
}

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createState函数创建了WorldState，它包括两个分别用来保存所有的普通英雄和所有的超级英雄的容器

创建场景的代码​

Client

let _createScene = (worldState: worldState): worldState => {
    创建和加入normalHero1到worldState.normalHeroes
    创建和加入normalHero2到worldState.normalHeroes

    normalHero1移动

    创建和加入superHero1到worldState.superHeroes
    创建和加入superHero2到worldState.superHeroes

    superHero1移动
    superHero1飞行

    return worldState
}

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_createScene函数创建了场景，创建和加入了两个普通英雄和两个超级英雄到游戏世界中。其中第一个普通英雄进行了移动，第一个超级英雄进行了移动和飞行

NormalHero

//创建一个普通英雄
export let create = (): [normalHeroState, normalHero] => {
    创建它的state数据：
        position设置为[0,0,0]
        velocity设置为1.0

        其中：position为位置，velocity为速度

    返回该英雄
}

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NormalHero的create函数创建了一个普通英雄，初始化了它的数据

SuperHero

//创建一个超级英雄
export let create = (): [superHeroState, superHero] => {
    创建它的state数据：
        position设置为[0,0,0]
        velocity设置为1.0
        maxVelocity设置为1.0

        其中：position为位置，velocity为速度，maxVelocity为最大速度

    返回该英雄
}

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SuperHero的create函数创建了一个超级英雄，初始化了它的数据

普通英雄移动的代码​

NormalHero

//一个普通英雄的移动
export let move = (worldState: worldState, normalHero: normalHero): worldState => {
    从worldState中获得该英雄的position和velocity

    根据velocity，更新position

    更新worldState中该英雄的数据
}

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move函数实现了移动的行为逻辑，更新了位置

超级英雄移动和飞行的代码​

SuperHero

//一个超级英雄的移动
export let move = (worldState: worldState, superHero: superHero): worldState => {
    从worldState中获得该英雄的position和velocity

    根据velocity，更新position

    更新worldState中该英雄的数据
}

//一个超级英雄的飞行
export let fly = (worldState: worldState, superHero: superHero): worldState => {
    从worldState中获得该英雄的position和velocity、maxVelocity

    根据maxVelocity、velocity，更新position

    更新worldState中该英雄的数据
}

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SuperHero的move函数的逻辑跟NormalHero的move函数的逻辑是一样的

fly函数实现了飞行的行为逻辑。它跟move函数一样，也是更新英雄的position。只是因为两者在计算时使用的速度的算法不一样，所以更新position的幅度不同

初始化的代码​

WorldUtils

export let init = (worldState) => {
    console.log("初始化...")

    return worldState
}

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init函数实现了初始化。这里没有任何逻辑，只是进行了打印

主循环的代码​

WorldUtils

export let loop = (worldState, [update, renderOneByOne, renderInstances]) => {
    worldState = update(worldState)
    renderOneByOne(worldState)
    renderInstances(worldState)

    ...

    requestAnimationFrame(
        (time) => {
            loop(worldState, [update, renderOneByOne, renderInstances])
        }
    )
}

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loop函数实现了主循环。在主循环的一帧中，首先进行了更新；然后一个一个地渲染了所有的超级英雄；然后一次性批量渲染了所有的普通英雄；最后执行下一帧

主循环中更新的代码​

World

export let update = (worldState: worldState): worldState => {
    遍历worldState.normalHeroes：
        更新每个normalHero
    遍历worldState.superHeroes：
        更新每个superHero
}

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update函数实现了更新，它会遍历所有的normalHero和superHero，调用它们的update函数来更新自己

我们看下NormalHero的update函数的代码：

//更新一个普通英雄
export let update = (normalHeroState: normalHeroState): normalHeroState => {
    更新该英雄的position
}

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它更新了自己的position

我们看下SuperHero的update函数的代码：

//更新一个超级英雄
export let update = (superHeroState: superHeroState): superHeroState => {
    更新该英雄的position
}

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它的逻辑跟NormalHero的update是一样的，这是因为两者都使用同样的算法来更新自己的position

主循环中渲染的代码​

World

export let renderOneByOne = (worldState: worldState): void => {
    worldState.superHeroes.forEach(superHeroState => {
        console.log("OneByOne渲染 SuperHero...")
    })
}

export let renderInstances = (worldState: worldState): void => {
    let normalHeroStates = worldState.normalHeroes

    console.log("批量Instance渲染 NormalHeroes...")
}

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renderOneByOne函数实现了超级英雄的渲染，它遍历每个超级英雄，一个一个地渲染
renderInstances函数实现了普通英雄的渲染，它一次性获得所有的普通英雄，批量渲染

运行Client的代码​

下面，我们运行Client的代码，打印的结果如下：

初始化...
更新NormalHero
更新NormalHero
更新SuperHero
更新SuperHero
OneByOne渲染 SuperHero...
OneByOne渲染 SuperHero...
批量Instance渲染 NormalHeroes...
{"normalHeroes":{"144891":{"position":[0,0,0],"velocity":1},"648575":{"position":[2,2,2],"velocity":1}},"superHeroes":{"497069":{"position":[6,6,6],"velocity":1,"maxFlyVelocity":10},"783438":{"position":[0,0,0],"velocity":1,"maxFlyVelocity":10}}}

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通过打印的数据，可以看到运行的步骤如下：
1.进行了初始化
2.更新了所有的人物，包括两个普通英雄和两个超级英雄
3.渲染了2个超级英雄
4.一次性批量渲染了所有的普通英雄
5.打印了WorldState

我们看下打印的WorldState：

• WorldState的normalHeroes中一共有两个普通英雄的数据，其中有一个普通英雄数据的position为[2,2,2]而不是初始的[0,0,0]，说明该普通英雄进行了移动操作；
• WorldState的superHeroes中一共有两个超级英雄的数据，其中有一个超级英雄数据的position为[6,6,6]，说明该超级英雄进行了移动和飞行操作

值得注意的是：
因为WorldState的normalHeroes和superHeroes中的Key是随机生成的id值，所以每次打印时Key都不一样

提出问题​

• NormalHero和SuperHero中的update、move函数的逻辑是重复的

• 如果英雄增加更多的行为，NormalHero和SuperHero模块会越来越复杂，不容易维护

虽然这两个问题都可以通过继承来解决，即最上面是Hero基类，然后不同种类的Hero层层继承，但是继承的方式很死板，不够灵活

基于组件化的思想改进​

概述解决方案​

• 基于组件化的思想，用组合代替继承。具体修改如下：

  • 将人物抽象为GameObject；
  • 将人物的行为抽象为组件，并把人物的相关数据也移到组件中；
  • GameObject通过挂载不同的组件，来实现不同的行为

这样就通过GameObject组合不同的组件来代替人物层层继承，从而更加灵活

给出UML​

领域模型

总体来看，领域模型分为用户、游戏世界、GameObject、组件这四个部分

我们看下用户、游戏世界这两个部分：

Client是用户

World是游戏世界，由多个GameObject组成。World负责管理所有的GameObject，并且实现了初始化和主循环的逻辑

我们看下GameObject这个部分：

一个GameObject对应一个人物。GameObject负责管理挂载的组件，它可以挂载PositionComponent、VelocityComponent、FlyComponent、InstanceComponent这四种组件，每种组件最多挂载一个

我们看下组件这个部分：

组件负责维护自己的数据，实现自己的行为逻辑。具体来说，是将NormalHero、SuperHero的position数据和move函数、update函数移到了PositionComponent中；将NormalHero、SuperHero的velocity数据移到了VelocityComponent中；将SuperHero的maxVelocity数据和fly函数移到了FlyComponent中

InstanceComponent没有数据和逻辑，它只是一个标记，用来表示挂载该组件的GameObject使用一次性批量渲染的算法来渲染

结合UML图，描述如何具体地解决问题​

• 现在只需要实现一次Position组件中的update、move函数，然后将它挂载到不同的GameObject中，就可以实现普通英雄和超级英雄的更新、移动的逻辑，从而消除了之前在NormalHero、SuperHero中因共实现了两次的update、move函数而造成的重复代码

• 因为NormalHero、SuperHero都是GameObject，而GameObject本身只负责管理组件，没有行为逻辑，所以随着人物的行为的增加，GameObject并不会增加逻辑，而只需要增加对应行为的组件，让GameObject挂载该组件即可
  通过这样的设计，将行为的逻辑和数据从人物移到了组件中，从而可以通过组合的方式使人物具有多个行为，避免了庞大的人物模块的出现

给出代码​

首先，我们看下Client的代码；
然后，我们依次看下Client代码中前两个步骤的代码，它们包括：

• 创建WorldState的代码
• 创建场景的代码

然后，因为创建场景时操作了普通英雄和超级英雄，所以我们看下它们的代码，它们包括：

• 移动的相关代码
• 飞行的相关代码

然后，我们依次看下Client代码中剩余的两个步骤的代码，它们包括：

• 初始化和主循环的代码

然后，我们看下主循环的一帧中每个步骤的代码，它们包括：

• 主循环中更新的代码
• 主循环中渲染的代码

最后，我们运行Client的代码

Client的代码​

Client的代码跟之前的Client的代码基本上一样，故省略。不一样的地方是_createScene函数中创建场景的方式不一样，这个等会再讨论

创建WorldState的代码​

World

export let createState = (): worldState => {
    return {
        gameObjects: Map()
    }
}

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createState函数创建了WorldState，它保存了一个用来保存所有的gameObject的容器

创建场景的代码​

Client

let _createScene = (worldState: worldState): worldState => {
    创建和加入normalHero1到worldState.gameObjects：
        创建gameObject
        创建positionComponent
        创建velocityComponent
        创建instanceComponent
        挂载positionComponent、velocityComponent、instanceComponent到gameObject
        加入gameObject到worldState.gameObjects

    创建和加入normalHero2到worldState.gameObjects

    normalHero1移动：
        调用normalHero1挂载的positionComponent的move函数

    创建和加入superHero1到worldState.gameObjects：
        创建gameObject
        创建positionComponent
        创建velocityComponent
        创建flyComponent
        挂载positionComponent、velocityComponent、flyComponent到gameObject
        加入gameObject到worldState.gameObjects

    创建和加入superHero2到worldState.gameObjects

    superHero1移动：
        调用superHero1挂载的positionComponent的move函数
    superHero1飞行：
        调用superHero1挂载的flyComponent的fly函数

    return worldState
}

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_createScene函数创建了场景，场景的内容跟之前一样，都包括了2个普通英雄和2个超级英雄，只是现在创建一个英雄的方式改变了，具体变为：首先创建一个GameObject和相关的组件；然后挂载组件到GameObject；最后加入该GameObject到World中

普通英雄对应的GameObject挂载的组件跟超级英雄对应的GameObject挂载的组件也不一样，其中前者挂载了InstanceComponent（因为普通英雄需要一次性批量渲染），后者则挂载了FlyComponent（因为超级英雄多出了飞行的行为）

另外，现在改为通过调用对应组件的函数而不是直接操作英雄模块，从而实现英雄的“移动”、“飞行”

GameObject

//创建一个gameObject
export let create = (): [gameObjectState, gameObject] => {
    创建它的state数据：
        没有挂载任何的组件

    返回该gameObject
}

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GameObject的create函数创建了一个gameObject，初始化了它的数据

PositionComponent

//创建一个positionComponent
export let create = (): positionComponentState => {
    创建它的state数据：
        gameObject设置为null
        position设置为[0,0,0]

        其中：position为位置，gameObject为挂载到的gameObject

    返回该组件
}

Copy

PositionComponent的create函数创建了一个positionComponent，初始化了它的数据

VelocityComponent

//创建一个velocityComponent
export let create = (): velocityComponentState => {
    创建它的state数据：
        gameObject设置为null
        velocity设置为1.0

        其中：velocity为速度，gameObject为挂载到的gameObject

    返回该组件
}

Copy

FlyComponent

//创建一个flyComponent
export let create = (): flyComponentState => {
    创建它的state数据：
        gameObject设置为null
        maxVelocity设置为1.0

        其中：maxVelocity为最大速度，gameObject为挂载到的gameObject

    返回该组件
}

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InstanceComponent

//创建一个instanceComponent
export let create = (): instanceComponentState => {
    创建它的state数据：
        gameObject设置为null

        其中：gameObject为挂载到的gameObject

    返回该组件
}

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这三种组件的create函数的职责跟PositionComponent的create函数的职责一样，不一样的是InstanceComponent的state数据中只有挂载到的gameObject，没有自己的数据

我们可以看到，组件的state数据中都保存了挂载到的gameObject，这样做的目的是可以通过它来获得挂载到它上的其它组件，从而一个组件可以操作其它挂载的组件

移动的相关代码​

PositionComponent

...

//获得一个组件的position
export let getPosition = (positionComponentState: positionComponentState) => {
    return positionComponentState.position
}

//设置一个组件的position
export let setPosition = (positionComponentState: positionComponentState, position) => {
    return {
        ...positionComponentState,
        position: position
    }
}

...

//一个gameObject的移动
export let move = (worldState: worldState, positionComponentState: positionComponentState): worldState => {
    //获得该组件的position、gameObject
    let [x, y, z] = getPosition(positionComponentState)

    //通过该组件的gameObject，获得挂载到该gameObject的velocityComponent组件
    //获得它的velocity
    let gameObject = getExnFromStrictNull(positionComponentState.gameObject)
    let velocity = VelocityComponent.getVelocity(GameObject.getVelocityComponentExn(getGameObjectStateExn(worldState, gameObject)))

    //根据velocity，更新该组件的position
    positionComponentState = setPosition(positionComponentState, [x + velocity, y + velocity, z + velocity])

    更新worldState中该组件挂载的gameObject中的该组件的数据
}

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VelocityComponent

//获得一个组件的velocity
export let getVelocity = (velocityComponentState: velocityComponentState) => {
    return velocityComponentState.velocity
}

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PositionComponent维护了position数据，提供了它的get、set函数。VelocityComponent维护了velocity数据，，提供了它的get函数

另外，PositionComponent的move函数实现了移动的行为逻辑

飞行的相关代码​

FlyComponent

//获得一个组件的maxVelocity
export let getMaxVelocity = (flyComponentState: flyComponentState) => {
    return flyComponentState.maxVelocity
}

//设置一个组件的maxVelocity
export let setMaxVelocity = (flyComponentState: flyComponentState, maxVelocity) => {
    return {
        ...flyComponentState,
        maxVelocity: maxVelocity
    }
}

//一个gameObject的飞行
export let fly = (worldState: worldState, flyComponentState: flyComponentState): worldState => {
    //获得该组件的maxVelocity、gameObject
    let maxVelocity = getMaxVelocity(flyComponentState)
    let gameObject = getExnFromStrictNull(flyComponentState.gameObject)

    //通过该组件的gameObject，获得挂载到该gameObject的positionComponent组件
    //获得它的position
    let [x, y, z] = PositionComponent.getPosition(GameObject.getPositionComponentExn(getGameObjectStateExn(worldState, gameObject)))

    //通过该组件的gameObject，获得挂载到该gameObject的velocityComponent组件
    //获得它的velocity
    let velocity = VelocityComponent.getVelocity(GameObject.getVelocityComponentExn(getGameObjectStateExn(worldState, gameObject)))

    //根据maxVelocity、velocity，更新positionComponent组件的position
    velocity = velocity < maxVelocity ? (velocity * 2.0) : maxVelocity
    let positionComponentState = PositionComponent.setPosition(GameObject.getPositionComponentExn(getGameObjectStateExn(worldState, gameObject)), [x + velocity, y + velocity, z + velocity])

    更新worldState中该组件挂载的gameObject中的该组件的数据
}

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FlyComponent维护了maxVelocity数据，，提供了它的get、set函数。另外，FlyComponent的fly函数实现了飞行的行为逻辑

初始化和主循环的代码​

初始化和主循环的逻辑跟之前一样，故省略代码

主循环中更新的代码​

World

export let update = (worldState: worldState): worldState => {
    遍历worldState.gameObjects：
        if(gameObject挂载了positionComponent){
            更新positionComponent
        }
}

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update函数实现了更新，它会遍历所有的gameObject，调用它挂载的PositionComponent组件的update函数来更新该组件。我们看下PositionComponent的update函数的代码：

//更新一个组件
export let update = (positionComponentState: positionComponentState): positionComponentState => {
    更新该组件的position
}

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它的逻辑跟之前的NormalHero和SuperHero中的update函数的逻辑是一样的

主循环中渲染的代码​

World

export let renderOneByOne = (worldState: worldState): void => {
    let superHeroGameObjects = worldState.gameObjects.filter(gameObjectState => {
        //判断gameObject是不是没有挂载InstanceComponent
        return !GameObject.hasInstanceComponent(gameObjectState)
    })

    superHeroGameObjects.forEach(gameObjectState => {
        console.log("OneByOne渲染 SuperHero...")
    })
}

export let renderInstances = (worldState: worldState): void => {
    let normalHeroGameObejcts = worldState.gameObjects.filter(gameObjectState => {
        //判断gameObject是不是挂载了InstanceComponent
        return GameObject.hasInstanceComponent(gameObjectState)
    })

    console.log("批量Instance渲染 NormalHeroes...")
}

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renderOneByOne函数实现了超级英雄的渲染，它首先得到了所有没有挂载InstanceComponent组件的gameObject；最后遍历它们，一个一个地渲染

renderInstances函数实现了普通英雄的渲染，它首先得到了所有挂载了InstanceComponent组件的gameObject；最后批量渲染

运行Client的代码​

下面，我们运行Client的代码，打印的结果如下：

初始化...
更新PositionComponent
更新PositionComponent
更新PositionComponent
更新PositionComponent
OneByOne渲染 SuperHero...
OneByOne渲染 SuperHero...
批量Instance渲染 NormalHeroes...
{"gameObjects":{"304480":{"positionComponent":{"gameObject":304480,"position":[0,0,0]},"velocityComponent":{"gameObject":304480,"velocity":1},"flyComponent":{"gameObject":304480,"maxVelocity":10},"instanceComponent":null},"666533":{"positionComponent":{"gameObject":666533,"position":[2,2,2]},"velocityComponent":{"gameObject":666533,"velocity":1},"flyComponent":null,"instanceComponent":{"gameObject":666533}},"838392":{"positionComponent":{"gameObject":838392,"position":[0,0,0]},"velocityComponent":{"gameObject":838392,"velocity":1},"flyComponent":null,"instanceComponent":{"gameObject":838392}},"936933":{"positionComponent":{"gameObject":936933,"position":[6,6,6]},"velocityComponent":{"gameObject":936933,"velocity":1},"flyComponent":{"gameObject":936933,"maxVelocity":10},"instanceComponent":null}}}

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通过打印的数据，可以看到运行的步骤与之前一样 不同之处在于：

• 更新4个英雄现在变为更新4个positionComponent
• 打印的WorldState不一样

我们看下打印的WorldState：

• WorldState的gameObjects包括了4个gameObject的数据，其中有一个gameObject数据的positionComponent的position为[2,2,2]，说明它进行了移动操作；
• 有一个gameObject数据的positionComponent的position为[6,6,6]，说明它进行了移动和飞行操作

值得注意的是：
因为WorldState的gameObjects中的Key是随机生成的id值，所以每次打印时Key都不一样

提出问题​

• 组件的数据分散在各个组件中，性能不好
  如position数据现在是一对一地分散保存在各个positionComponent组件中（即一个positionComponent组件保存自己的position），那么如果需要遍历所有组件的position数据，则需要遍历所有的positionComponent组件，分别获得它们的position。因为每个positionComponent组件的数据并没有连续地保存在内存中，所以会造成缓存命中丢失，带来性能损失

• 涉及多种组件的行为不知道放在哪里
  如果超级英雄增加一个“跳”的行为，该行为不仅需要修改position数据，还需要修改velocity数据，那么实现该行为的jump函数应该放在哪个组件中呢？
  因为jump函数需要同时修改PositionComponent组件的position数据和VelocityComponent组件的velocity数据，所以将它放在两者中任何一种组件中都不合适。因此需要增加一种新的组件-JumpComponent，对应“跳”这个行为，并实现jump函数。该函数会通过JumpComponent挂载到的gameObject来获得挂载到它上的PositionComponent和VelocityComponent组件，从而修改它们的数据。
  如果增加更多的这种涉及多种组件的行为，就需要为每个这样的行为增加一种组件。因为组件比较重，既有数据又有逻辑，所以增加组件的成本较高；另外，因为组件与GameObject是聚合关系，而GameObject和World也是聚合关系，它们都属于强关联关系，所以增加组件会较强地影响GameObject和World，这也增加了成本

使用ECS模式来改进​

概述解决方案​

• 基于Data Oriented的思想进行改进
  组件可以按角色分为Data Oriented组件和其它组件，其中前者的特点是属于该角色的每个组件都有数据，且组件的数量较多；后者的特点是属于该角色的每个组件都没有数据，或者组件的数量很少。这里具体说明一下各种组件的角色：目前一共有四种组件，它们是PositionComponent、VelocityComponent、FlyComponent、InstanceComponent。其中，InstanceComponent组件因为没有组件数据，所以属于“其它组件”；另外三种组件则都属于“Data Oriented组件”。
  属于Data Oriented组件的三种组件的所有组件数据将会分别集中起来，保存在各自的一块连续的地址空间中，具体就是分别保存在三个ArrayBuffer中

• 将GameObject和各个组件扁平化
  GameObject不再有数据和逻辑了，而只是一个全局唯一的id。组件也不再有数据和逻辑了，其中属于“Data Oriented组件”的组件只是一个ArrayBuffer上的索引；属于“其它组件”的组件只是一个全局唯一的id

• 增加Component+GameObject这一层，将扁平的GameObject和组件放在该层中

• 增加Manager这一层，来管理GameObject和组件的数据
  这一层有GameObjectManager和四种组件的Manager，其中GameObjectManager负责管理所有的gameObject；四种组件的Manager负责管理自己的ArrayBuffer，操作属于该种类的所有组件

• 增加System这一层，来实现行为的逻辑
  一个System实现一个行为，比如这一层中的MoveSystem、FlySystem分别实现了移动和飞行的行为逻辑

值得注意的是：

• GameObject和组件的数据被移到了Manager中，逻辑则被移到了Manager和System中。其中只操作自己数据的逻辑（如getPosition、setPosition）被移到了Manager中，其它逻辑（通常为行为逻辑，需要操作多种组件）被移到了System中
• 一种组件的Manager只对该种组件进行操作，而一个System可以对多种组件进行操作

给出UML​

领域模型

总体来看，领域模型分为五个部分：用户、World、System层、Manager层、Component+GameObject层，它们的依赖关系是前者依赖后者

我们看下用户、World这两个部分： Client是用户

World是游戏世界，虽然仍然实现了初始化和主循环的逻辑，不过不再管理所有的GameObject了

我们看下System这一层：

有多个System，每个System实现一个行为逻辑。每个System的职责如下：

• CreateStateSystem实现创建WorldState的逻辑，创建的WorldState包括了所有的Manager的state数据；
• UpdateSystem实现更新所有人物的position的逻辑，具体是更新所有PositionComponent的position；
• MoveSystem实现一个人物的移动的逻辑，具体是根据挂载到该人物gameObject上的一个positionComponent和一个velocityComponent，更新该positionComponent的position；
• FlySystem实现一个人物的飞行的逻辑，具体是根据挂载到该人物gameObject上的一个positionComponent、一个velocityComponent、一个flyComponent，更新该positionComponent的position；
• RenderOneByOneSystem实现渲染所有超级英雄的逻辑；
• RenderInstancesSystem实现渲染所有普通英雄的逻辑

我们看下Manager这一层：

每个Manager都有一个state数据

GameObjectManager负责管理所有的gameObject

PositionComponentManager、VelocityComponentManager、FlyComponentManager、InstanceComponentManager负责管理属于各自种类的所有的组件

PositionComponentManager的state数据包括一个buffer字段和一个positions字段，其中前者是一个ArrayBuffer，保存了该种组件的所有组件数据；后者是buffer的视图，用于读写buffer中的position数据

PositionComponentManager的batchUpdate函数负责批量更新所有的positionComponent组件的position

因为VelocityComponentManager、FlyComponentManager与PositionComponentManager一样，都属于Data Oriented组件的Manager，所以它们的数据和函数类似（只是没有batchUpdate函数），故在图中省略它们的数据和函数

我们看下Component+GameObject这一层：

因为PositionComponent、VelocityComponent、FlyComponent属于Data Oriented组件，所以它们是一个index，也就是各自Manager的state的buffer中的索引值

因为InstanceComponent属于其它组件，所以它是一个全局唯一的id

GameObject是一个全局唯一的id

我们来看下依赖关系：

System层：

因为CreateSystem需要调用各个Manager的createState函数来创建它们的state，所以依赖了整个Manager层

因为UpdateSystem需要调用PositionComponentManager的batchUpdate函数来更新，所以依赖了PositionComponentManager

因为MoveSystem需要调用PositionComponentManager来获得和设置position，并且调用VelocityComponentManager来获得velocity，所以依赖了PositionComponentManager、VelocityComponentManager

因为FlySystem需要调用PositionComponentManager来获得和设置position，并且调用VelocityComponentManager、FlyComponentManager来分别获得velocity和maxVelocity，所以依赖了PositionComponentManager、VelocityComponentManager、FlyComponentManager

因为RenderOneByOneSystem和RenderInstancesSystem需要调用GameObjectManager来获得所有的gameObject，并调用各种组件的Manager来获得组件数据，所以依赖了整个Manager层

Manager层：

因为GameObjectManager需要操作GameObject，所以依赖了GameObject

因为各种组件的Manager需要操作所有的该种组件，所以依赖了对应的组件

结合UML图，描述如何具体地解决问题​

• 现在各种组件的数据都集中保存在各自Manager的state的buffer（ArrayBuffer）中，遍历同一种组件的所有组件数据即是遍历一个ArrayBuffer。因为ArrayBuffer的数据是连续地保存在内存中的，所以缓存命中不会丢失，从而提高了性能

• 现在将涉及多种组件的行为放在对应的System中。因为System很轻，没有数据，只有逻辑，所以增加和维护System的成本较低；另外，因为System位于最上层，所以修改System也不会影响Manager层和Component+GameObject层

给出代码​

首先，我们看下Client的代码；
然后，我们看下Client代码中第一步的代码：

• 创建WorldState的代码

然后，因为创建WorldState时会创建Data Oriented组件的Manager的state，其中的关健是创建各自的ArrayBuffer，所以我们看下创建它的代码；
然后，我们看下Client代码中第二步的代码：

• 创建场景的代码

然后，因为创建场景时操作了普通英雄和超级英雄，所以我们看下它们的代码，它们包括：

• 移动的相关代码
• 飞行的相关代码

然后，我们依次看下Client代码中剩余的两个步骤的代码，它们包括：

• 初始化和主循环的代码

然后，我们看下主循环的一帧中每个步骤的代码，它们包括：

• 主循环中更新的代码
• 主循环中渲染的代码

最后，我们运行Client的代码

Client的代码​

Client

let worldState = World.createState({ positionComponentCount: 10, velocityComponentCount: 10, flyComponentCount: 10 })

跟之前一样...

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Client的代码跟之前的Client的代码基本一样，除了createState函数的参数和_createScene函数中创建场景的方式不一样，这个等会再讨论

创建WorldState的代码​

World

export let createState = CreateStateSystem.createState

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CreateStateSystem

export let createState = ({ positionComponentCount, velocityComponentCount, flyComponentCount }): worldState => {
    return {
        gameObjectManagerState: GameObjectManager.createState(),
        positionComponentManagerState: PositionComponentManager.createState(positionComponentCount),
        velocityComponentManagerState: VelocityComponentManager.createState(velocityComponentCount),
        flyComponentManagerState: FlyComponentManager.createState(flyComponentCount),
        instanceComponentManagerState: InstanceComponentManager.createState()
    }
}

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CreateStateSystem的createState函数创建了WorldState，它保存了各个Manager的state

因为Data Oriented组件的Manager的state在创建时要创建包括该种组件的所有组件数据的ArrayBuffer，需要知道该种组件的最大个数，所以这里的createState函数接收了三种Data Oriented组件的最大个数

创建ArrayBuffer的代码​

我们以PositionComponentManager为例，来看下它的createState函数的相关代码：
position_component/ManagerStateType

export type state = {
    maxIndex: number,
    buffer: ArrayBuffer,
    positions: Float32Array,
    ...
}

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这是PositionComponentManager的state的类型定义，它的字段解释如下：

• buffer字段保存了一个ArrayBuffer，它用来保存所有的positionComponent的数据。目前每个positionComponent的数据只有position，它的类型是三个float
• positions字段保存了ArrayBuffer的一个视图，通过它可以读写所有的positionComponent的position
• maxIndex字段是ArrayBuffer上最大的索引值，用于在创建一个positionComponent时生成它的index值

position_component/Manager

let _setAllTypeArrDataToDefault = ([positions]: Array<Float32Array>, count, [defaultPosition]) => {
    range(0, count - 1).forEach(index => {
        OperateTypeArrayUtils.setPosition(index, defaultPosition, positions)
    })

    return [positions]
}

let _initBufferData = (count, defaultDataTuple): [ArrayBuffer, Array<Float32Array>] => {
    let buffer = BufferUtils.createBuffer(count)

    let typeArrData = _setAllTypeArrDataToDefault(CreateTypeArrayUtils.createTypeArrays(buffer, count), count, defaultDataTuple)

    return [buffer, typeArrData]
}

export let createState = (positionComponentCount: number): state => {
    let defaultPosition = [0, 0, 0]

    let [buffer, [positions]] = _initBufferData(positionComponentCount, [defaultPosition])

    return {
        maxIndex: 0,
        buffer,
        positions,
        ...
    }
}

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这是PositionComponentManager的createState函数的代码，其中调用的_initBufferData函数创建了buffer和positions，它的步骤如下：
1.调用BufferUtils的createBuffer函数来创建包括最大组件个数的数据的ArrayBuffer
2.调用CreateTypeArrayUtils的createTypeArrays函数来创建所有的TypeArray，它们是操作ArrayBuffer的视图。这里具体是只创建了一个视图：positions
3.调用_setAllTypeArrDataToDefault函数来将positions的所有的值写为默认值：[0,0,0]

下面是BufferUtils的createBuffer函数和CreateTypeArrayUtils的createTypeArrays函数的相关代码：
position_component/BufferUtils

let _getPositionSize = () => 3

export let getPositionOffset = (count) => 0

export let getPositionLength = (count) => count * _getPositionSize()

export let getPositionIndex = index => index * _getPositionSize()

let _getTotalByteLength = (count) => {
    return count * Float32Array.BYTES_PER_ELEMENT * _getPositionSize()
}

export let createBuffer = (count) => {
    return new ArrayBuffer(_getTotalByteLength(count))
}

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position_component/CreateTypeArrayUtils

export let createTypeArrays = (buffer, count) => {
    return [
        new Float32Array(buffer, BufferUtils.getPositionOffset(count), BufferUtils.getPositionLength(count))
    ]
}

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另外两种Data Oriented组件的Manager（VelocityComponentManager、FlyComponentManager）的createState函数的逻辑跟PositionComponentManager的createState函数的逻辑一样，故省略相关代码

创建场景的代码​

Client

let _createScene = (worldState: worldState): worldState => {
    创建normalHero1：
        创建gameObject
        创建positionComponent
        创建velocityComponent
        创建instanceComponent
        挂载positionComponent、velocityComponent、instanceComponent到gameObject

    创建normalHero2

    normalHero1移动：
        调用MoveSystem的move函数，传入normalHero1的positionComponent、velocityComponent

    创建superHero1
        创建gameObject
        创建positionComponent
        创建velocityComponent
        创建flyComponent
        挂载positionComponent、velocityComponent、flyComponent到gameObject

    创建superHero2

    superHero1移动：
        调用MoveSystem的move函数，传入superHero1的positionComponent、velocityComponent
    superHero1飞行：
        调用FlySystem的fly函数，传入superHero1的positionComponent、velocityComponent、flyComponent

    return worldState
}

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_createScene函数创建了场景，场景的内容跟之前一样，都包括了2个普通英雄和2个超级英雄，只是现在创建一个英雄的方式又改变了，具体变为：现在不需要加入GameObject到World中

另外，现在改为通过调用MoveSystem和FlySystem的函数来操作对应的组件，从而实现英雄的“移动”、“飞行”

gameObject/Manager

export let createState = (): state => {
    return {
        maxUID: 0
    }
}

//创建一个gameObject
//一个gameObject就是一个uid
export let createGameObject = (state: state): [state, gameObject] => {
    let uid = state.maxUID

    //生成一个uid
    //uid的意思是unique id，即全局唯一的id
    let newUID = uid + 1

    state = {
        ...state,
        maxUID: newUID
    }

    return [state, uid]
}

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GameObjectManager的createGameObject函数创建了一个gameObject，它就是一个全局唯一的id

position_component/Manager

//创建一个positionComponent
//一个positionComponent就是一个index
export let createComponent = (state: state): [state, component] => {
    let index = state.maxIndex
        
    //生成一个index
    let newIndex = index + 1

    state = {
        ...state,
        maxIndex: newIndex
    }

    return [state, index]
}

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PositionComponentManager的createComponent函数创建了一个positionComponent，它就是一个PositionComponentManager的state的buffer上的索引

VelocityComponentManager、FlyComponentManager的相关代码跟PositionComponentManager类似，故省略相关代码

instance_component/Manager

//创建一个instanceComponent
//一个instanceComponent就是一个uid
export let createComponent = (state: state): [state, component] => {
    let uid = state.maxUID

    //生成一个id
    let newUID = uid + 1

    state = {
        ...state,
        maxUID: newUID
    }

    return [state, uid]
}

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InstanceComponentManager的createComponent函数创建了一个instanceComponent，因为InstanceComponent组件属于“其它组件”，所以它跟GameObject一样都是一个全局唯一的id而不是一个index

移动的相关代码​

MoveSystem

//一个gameObject的移动
export let move = (worldState: worldState, positionComponent, velocityComponent): worldState => {
    let [x, y, z] = PositionComponentManager.getPosition(worldState.positionComponentManagerState, positionComponent)

    let velocity = VelocityComponentManager.getVelocity(worldState.velocityComponentManagerState, velocityComponent)

    //根据velocity，更新positionComponent的position
    let positionComponentManagerState = PositionComponentManager.setPosition(worldState.positionComponentManagerState, positionComponent, [x + velocity, y + velocity, z + velocity])

    return {
        ...worldState,
        positionComponentManagerState: positionComponentManagerState
    }
}

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MoveSystem的move函数实现移动的行为逻辑。这里涉及到读写Data Oriented组件的ArrayBuffer上的数据。我们来看下读写PositionComponentManager的positions的相关代码：
position_component/Manager

export let getPosition = (state: state, component: component) => {
    return OperateTypeArrayUtils.getPosition(component, state.positions)
}

export let setPosition = (state: state, component: component, position) => {
    OperateTypeArrayUtils.setPosition(component, position, state.positions)

    return state
}

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position_component/OperateTypeArrayUtils

export let getPosition = (index, typeArr) => {
    return TypeArrayUtils.getFloat3Tuple(BufferUtils.getPositionIndex(index), typeArr)
}

export let setPosition = (index, data, typeArr) => {
    TypeArrayUtils.setFloat3(BufferUtils.getPositionIndex(index), data, typeArr)
}

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TypeArrayUtils

export let getFloat3Tuple = (index, typeArray) => {
    return [
        typeArray[index],
        typeArray[index + 1],
        typeArray[index + 2]
    ]
}

export let setFloat3 = (index, param, typeArray) => {
    typeArray[index] = param[0]
    typeArray[index + 1] = param[1]
    typeArray[index + 2] = param[2]
}

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position_component/BufferUtils

let _getPositionSize = () => 3

...

export let getPositionIndex = index => index * _getPositionSize()

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通过代码可知，实现“读写PositionComponentManager的ArrayBuffer上的数据”的思路是：
因为一个positionComponent的值是ArrayBuffer的索引，所以使用它来读写ArrayBuffer的视图positions中的对应数据

飞行的相关代码​

FlySystem

//一个gameObject的飞行
export let fly = (worldState: worldState, positionComponent, velocityComponent, flyComponent): worldState => {
    let [x, y, z] = PositionComponentManager.getPosition(worldState.positionComponentManagerState, positionComponent)

    let velocity = VelocityComponentManager.getVelocity(worldState.velocityComponentManagerState, velocityComponent)

    let maxVelocity = FlyComponentManager.getMaxVelocity(worldState.flyComponentManagerState, flyComponent)

    //根据maxVelociy、velocity，更新positionComponent的position
    velocity = velocity < maxVelocity ? (velocity * 2.0) : maxVelocity
    let positionComponentManagerState = PositionComponentManager.setPosition(worldState.positionComponentManagerState, positionComponent, [x + velocity, y + velocity, z + velocity])

    return {
        ...worldState,
        positionComponentManagerState: positionComponentManagerState
    }

}

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FlySystem的fly函数实现了飞行的行为逻辑

初始化和主循环的代码​

初始化和主循环的逻辑跟之前一样，故省略代码

主循环中更新的代码​

World

export let update = UpdateSystem.update

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UpdateSystem

export let update = (worldState: worldState): worldState => {
    let positionComponentManagerState = PositionComponentManager.batchUpdate(worldState.positionComponentManagerState)

    return {
        ...worldState,
        positionComponentManagerState: positionComponentManagerState
    }
}

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UpdateSystem的update函数实现了更新，它调用了PositionComponentManager的batchUpdate函数来批量更新所有的positionComponent组件。我们看下PositionComponentManager的相关代码：
position_component/Manager

export let getAllComponents = (state: state): Array<component> => {
    从state中获得所有的positionComponents
}

export let batchUpdate = (state: state) => {
    return getAllComponents(state).reduce((state, component) => {
        更新position
    }, state)
}

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batchUpdate函数遍历所有的positionComponent，更新它们的position。更新的逻辑跟之前一样

主循环中渲染的代码​

World

export let renderOneByOne = RenderOneByOneSystem.render

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RenderOneByOneSystem

export let render = (worldState: worldState): void => {
    let superHeroGameObjects = GameObjectManager.getAllGameObjects(worldState.gameObjectManagerState).filter(gameObject => {
        //判断gameObject是不是没有挂载InstanceComponent
        return !InstanceComponentManager.hasComponent(worldState.instanceComponentManagerState, gameObject)
    })

    superHeroGameObjects.forEach(gameObjectState => {
        console.log("OneByOne渲染 SuperHero...")
    })
}

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gameObject/Manager

export let getAllGameObjects = (state: state): Array<gameObject> => {
    let { maxUID } = state

    //返回[0, 1, ...,  maxUID-1]的数组
    return range(0, maxUID - 1)
}

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RenderOneByOneSystem的render函数实现了超级英雄的渲染，它首先得到了所有没有挂载InstanceComponent组件的gameObject；最后一个一个地渲染

World

export let renderInstances = RenderInstancesSystem.render

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RenderInstancesSystem

export let render = (worldState: worldState): void => {
    let normalHeroGameObejcts = GameObjectManager.getAllGameObjects(worldState.gameObjectManagerState).filter(gameObject => {
        //判断gameObject是不是挂载了InstanceComponent
        return InstanceComponentManager.hasComponent(worldState.instanceComponentManagerState, gameObject)
    })

    console.log("批量Instance渲染 NormalHeroes...")
}

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RenderInstancesSystem的render函数实现了普通英雄的渲染，它首先得到了所有挂载了InstanceComponent组件的gameObject；最后一次性批量渲染

运行Client的代码​

下面，我们运行Client的代码，打印的结果如下：

初始化...
更新PositionComponent: 0
更新PositionComponent: 1
更新PositionComponent: 2
更新PositionComponent: 3
OneByOne渲染 SuperHero...
OneByOne渲染 SuperHero...
批量Instance渲染 NormalHeroes...
{"gameObjectManagerState":{"maxUID":4},"positionComponentManagerState":{"maxIndex":4,"buffer":{},"positions":{"0":2,"1":2,"2":2,"3":0,"4":0,"5":0,"6":6,"7":6,"8":6,"9":0,"10":0,"11":0,"12":0,"13":0,"14":0,"15":0,"16":0,"17":0,"18":0,"19":0,"20":0,"21":0,"22":0,"23":0,"24":0,"25":0,"26":0,"27":0,"28":0,"29":0},"gameObjectMap":{"0":0,"1":1,"2":2,"3":3},"gameObjectPositionMap":{"0":0,"1":1,"2":2,"3":3}},"velocityComponentManagerState":{"maxIndex":4,"buffer":{},"velocitys":{"0":1,"1":1,"2":1,"3":1,"4":1,"5":1,"6":1,"7":1,"8":1,"9":1},"gameObjectMap":{"0":0,"1":1,"2":2,"3":3},"gameObjectVelocityMap":{"0":0,"1":1,"2":2,"3":3}},"flyComponentManagerState":{"maxIndex":1,"buffer":{},"maxVelocitys":{"0":10,"1":10,"2":10,"3":10,"4":10,"5":10,"6":10,"7":10,"8":10,"9":10},"gameObjectMap":{"0":2,"1":3},"gameObjectFlyMap":{"2":0,"3":1}},"instanceComponentManagerState":{"maxUID":1,"gameObjectMap":{"0":0,"1":1},"gameObjectInstanceMap":{"0":0,"1":1}}}

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通过打印的数据，可以看到运行的步骤与之前一样 不同之处在于：

• 打印的WorldState不一样

我们看下打印的WorldState：

• WorldState的gameObjectManagetState的maxUID为4，说明创建了4个gameObject；
• WorldState的positionComponentManagerState的maxIndex为4，说明创建了4个positionComponent；
• WorldState的positionComponentManagerState的positions有3个连续的值是2、2、2，说明有一个positionComponent组件进行了移动操作；有另外3个连续的值是6、6、6，说明有另外一个positionComponent组件进行了移动操作和飞行操作；

定义​

一句话定义​

组合代替继承；连续地保存组件数据；分离逻辑和数据

补充说明​

“组合代替继承”是指基于组件化思想，通过GameObject组合不同的组件代替GameObject层层继承

“连续地保存组件数据”是指基于Data Oriented思想，将Data Oriented组件的组件数据集中起来，保存在内存中连续的地址空间

“分离逻辑和数据”是指将GameObject和组件扁平化，将它们的数据放到Manager层，将它们的逻辑放到System层和Manager层。其中，只操作自己数据的逻辑（如getPosition、setPosition）被移到了Manager中，其它逻辑（通常为行为逻辑，需要操作多种组件）被移到了System中

通用UML​

领域模型

总体来看，领域模型分为用户、World、System层、Manager层、Component+GameObject层五个部分，它们的依赖关系是前者依赖后者。其中，System层负责实现行为的逻辑；Manager层负责管理场景数据，即管理GameObject和组件的数据；Component+GameObject层为组件和GameObject，它们现在只是有一个number类型的数据的值对象

我们看下用户这个部分：

• Client
  该角色是用户

我们看下World这个部分：

• World
  该角色是门户，提供了API，实现了初始化和主循环的逻辑

我们看下System这一层：

一个System实现一个行为的逻辑

• CreateStateSystem
  该角色负责创建WorldState

• OtherSystem
  该角色是除了CreateStateSystem以外的所有System，它们各自有一个函数action，用于实现某个行为

我们看下Manager这一层：

每个Manager都有一个state数据

• GameObjectManager
  该角色负责管理所有的gameObject

• DataOrientedComponentManager
  该角色是一种Data Oriented组件的Manager，负责维护和管理该种组件的所有组件数据，将其集中地保存在各自的state的buffer中
  DataOrientedComponentManager的state数据包括一个buffer字段和多个“typeArray of buffer”字段，其中前者是一个ArrayBuffer，保存了该种组件的所有组件数据；后者是buffer的多个视图，用于读写buffer中对应的数据

• OtherComponentManager
  该角色是一种其它组件的Manager，负责维护和管理该种组件的所有组件数据
  OtherComponentManager的state数据包括多个“value map”字段，它们是多个Hash Map，每个Hash Map保存一类组件数据

我们看下Component+GameObject这一层：

• DataOrientedComponent
  该角色是一种Data Oriented组件中的一个组件，它是一个ArrayBuffer上的索引

• OtherComponent
  该角色是一种其它组件中的一个组件，它是一个全局唯一的id

• GameObject
  该角色是一个gameObject，它是一个全局唯一的id

角色之间的关系

• 只有一个CreateStateSystem

• 可以有多个OtherSystem，每个OtherSystem实现一个行为

• 只有一个GameObjectManager

• 可以有多个DataOrientedComponentManager，每个对应一种Data Oriented组件

• 可以有多个DataOrientedComponent，每个对应一种Data Oriented组件

• 可以有多个OtherComponentManager，每个对应一种其它组件

• 可以有多个OtherComponent，每个对应一种其它组件

System层：

• 因为CreateSystem需要调用各个Manager的createState函数来创建它们的state，所以依赖了整个Manager层

• 因为OtherSystem可能需要调用1个GameObjectManager来处理gameObject、调用多个DataOrientedComponentManager和OtherComponentManager来处理各自种类的组件，所以它与GameObjectManager是一对一的依赖关系，与DataOrientedComponentManager和OtherComponentManager都是一对多的依赖关系

Manager层：

• 因为GameObjectManager需要操作多个GameObject，所以它与GameObject是一对多的依赖关系

• 因为DataOrientedComponentManager和DataOrientedComponent对应同一种Data Oriented组件，且前者管理所有的后者，所以前者和后者是一对多的依赖关系

• 因为OtherComponentManager和OtherComponent对应同一种其它组件，且前者管理所有的后者，所以前者和后者是一对多的依赖关系

Component+GameObject层：

• 因为一个GameObject可以挂载各种组件，其中每种组件只能挂载一个，所以GameObject与DataOrientedComponent、OtherComponent都是一对一的组合关系

角色的抽象代码​

下面我们来看看各个角色的抽象代码：

我们按照依赖关系，从上往下依次看下领域模型中用户、World、System层、Manager层、Component+GameObject层这五个部分的抽象代码：

首先，我们看下属于用户的抽象代码
然后，我们看下World的抽象代码
然后，我们看下System层的抽象代码，它们包括：

• CreateStateSystem的抽象代码
• OtherSystem的抽象代码

然后，我们看下Manager层的抽象代码，它们包括：

• GameObjectManager的抽象代码
• DataOrientedComponentManager的抽象代码
• OtherComponentManager的抽象代码

最后，我们看下Component+GameObject层的抽象代码，它们包括：

• GameObject的抽象代码
• DataOrientedComponent的抽象代码
• OtherComponent的抽象代码

用户的抽象代码​

Client

let _createScene = (worldState: worldState): worldState => {
    创建gameObject1
    创建组件
    挂载组件

    触发gameObject1的行为

    创建更多的gameObjects...

    return worldState
}

let worldState = World.createState({ dataOrientedComponent1Count: xx })

worldState = _createScene(worldState)

worldState = World.init(worldState)

World.loop(worldState)

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World的抽象代码​

World

export let createState = CreateStateSystem.createState

export let action1 = OtherSystem1.action

export let init = (worldState: worldState): worldState => {
    初始化...

    return worldState
}

//假实现
let requestAnimationFrame = (func) => {
}

export let loop = (worldState: worldState) => {
    调用OtherSystem来更新

    调用OtherSystem来渲染

    requestAnimationFrame(
        (time) => {
            loop(worldState)
        }
    )
}

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CreateStateSystem的抽象代码​

CreateStateSystem

export let createState = ({ dataOrientedComponent1Count }): worldState => {
    return {
        gameObjectManagerState: GameObjectManager.createState(),
        dataOrientedComponent1ManagerState: DataOrientedComponent1Manager.createState(dataOrientedComponent1Count),
        otherComponent1ManagerState: OtherComponent1Manager.createState(),

        创建更多的DataOrientedManagerState和OtherComponentManagerState...
    }
}

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OtherSystem的抽象代码​

OtherSystem1

export let action = (worldState: worldState, gameObject?: gameObject, dataOrientedComponentX?: dataOrientedComponentX, otherComponentX?: otherComponentX) => {
    行为的逻辑...

    return worldState
}

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有多个OtherSystem，这里只给出一个OtherSystem的抽象代码

GameObjectManager的抽象代码​

gameObject/ManagerStateType

export type state = {
    maxUID: number
}

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gameObject/Manager

export let createState = (): state => {
    return {
        maxUID: 0
    }
}

export let createGameObject = (state: state): [state, gameObject] => {
    let uid = state.maxUID

    let newUID = uid + 1

    state = {
        ...state,
        maxUID: newUID
    }

    return [state, uid]
}

export let getAllGameObjects = (state: state): Array<gameObject> => {
    let { maxUID } = state

    return range(0, maxUID - 1)
}

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DataOrientedComponentManager的抽象代码​

dataoriented_component1/ManagerStateType

export type TypeArrayType = Float32Array | Uint8Array | Uint16Array | Uint32Array

export type state = {
    maxIndex: number,
    //buffer保存了该种组件所有的value1、value2、...、valueX数据
    buffer: ArrayBuffer,
    //该种组件所有的value1数据的视图
    value1s: TypeArrayType,
    //该种组件所有的value2数据的视图
    value2s: TypeArrayType,
    更多valueXs...,

    ...
}

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dataoriented_component1/Manager

let _setAllTypeArrDataToDefault = ([value1s, value2s]: Array<Float32Array>, count, [defaultValue1, defaultValue2]) => {
    range(0, count - 1).forEach(index => {
        OperateTypeArrayUtils.setValue1(index, defaultValue1, value1s)
        OperateTypeArrayUtils.setValue2(index, defaultValue2, value2s)
    })

    return [value1s, value2s]
}

let _initBufferData = (count, defaultDataTuple): [ArrayBuffer, Array<TypeArrayType>] => {
    let buffer = BufferUtils.createBuffer(count)

    let typeArrData = _setAllTypeArrDataToDefault(CreateTypeArrayUtils.createTypeArrays(buffer, count), count, defaultDataTuple)

    return [buffer, typeArrData]
}

export let createState = (dataorientedComponentCount: number): state => {
    let defaultValue1 = default value1
    let defaultValue2 = default value2

    let [buffer, [value1s, value2s]] = _initBufferData(dataorientedComponentCount, [defaultValue1, defaultValue2])

    return {
        maxIndex: 0,
        buffer,
        value1s,
        value2s,
        ...
    }
}

export let createComponent = (state: state): [state, component] => {
    let index = state.maxIndex

    let newIndex = index + 1

    state = {
        ...state,
        maxIndex: newIndex
    }

    return [state, index]
}

...

export let getAllComponents = (state: state): Array<component> => {
    从state中获得所有的dataorientedComponent1s
}

export let getValue1 = (state: state, component: component) => {
    return OperateTypeArrayUtils.getValue1(component, state.value1s)
}

export let setValue1 = (state: state, component: component, position) => {
    OperateTypeArrayUtils.setValue1(component, position, state.value1s)

    return state
}

get/set value2...

exportletbatchOperate=(state: state)=>{
let allComponents =getAllComponents(state)

console.log("批量操作")

return state
}

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dataoriented_component1/BufferUtils

// 这里只给出了两个value的情况
// 更多的value也以此类推...

let _getValue1Size = () => value1 size

let _getValue2Size = () => value2 size

export let getValue1Offset = () => 0

export let getValue2Offset = (count) => getValue1Offset() + getValue1Length(count) * TypeArray2.BYTES_PER_ELEMENT

export let getValue1Length = (count) => count * _getValue1Size()

export let getValue2Length = (count) => count * _getValue2Size()

export let getValue1Index = index => index * _getValue1Size()

export let getValue2Index = index => index * _getValue2Size()

let _getTotalByteLength = (count) => {
    return count * (TypeArray1.BYTES_PER_ELEMENT * (_getValue1Size() + TypeArray2.BYTES_PER_ELEMENT * (_getValue2Size())))
}

export let createBuffer = (count) => {
    return new ArrayBuffer(_getTotalByteLength(count))
}

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dataoriented_component1/CreateTypeArrayUtils

export let createTypeArrays = (buffer, count) => {
    return [
        new Float32Array(buffer, BufferUtils.getValue1Offset(), BufferUtils.getValue1Length(count)),
        new Float32Array(buffer, BufferUtils.getValue2Offset(count), BufferUtils.getValue2Length(count)),
    ]
}

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有多个DataOrientedComponentManager，这里只给出一个DataOrientedComponentManager的抽象代码

OtherComponentManager的抽象代码​

other_component1/ManagerStateType

export type state = {
    maxUID: number,
    //value1Map用来保存该种组件所有的value1数据
    value1Map: Map<component, value1 type>,
    更多valueXMap...,

    ...
}

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other_component1/Manager

export let createState = (): state => {
    return {
        maxUID: 0,
        value1Map: Map(),
        ...
    }
}

export let createComponent = (state: state): [state, component] => {
    let uid = state.maxUID

    let newUID = uid + 1

    state = {
        ...state,
        maxUID: newUID
    }

    return [state, uid]
}

...

export let getAllComponents = (state: state): Array<component> => {
    从state中获得所有的otherComponent1s
}

export let getValue1 = (state: state, component: component) => {
    return getExnFromStrictUndefined(state.value1Map.get(component))
}

export let setValue1 = (state: state, component: component, value1) => {
    return {
        ...state,
        value1Map: state.value1Map.set(component, value1)
    }
}

export let batchOperate = (state: state) => {
    let allComponents = getAllComponents(state)

    console.log("批量操作")

    return state
}

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有多个OtherComponentManager，这里只给出一个OtherComponentManager的抽象代码

GameObject的抽象代码​

GameObjectType

type id = number

export type gameObject = id

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DataOrientedComponent的抽象代码​

DataOrientedComponent1Type

type index = number

export type component = index

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有多个DataOrientedComponent，这里只给出一个DataOrientedComponent的抽象代码

OtherComponent的抽象代码​

OtherComponent1Type

type id = number

export type component = id

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有多个OtherComponent，这里只给出一个OtherComponent的抽象代码

遵循的设计原则在UML中的体现​

ECS模式主要遵循下面的设计原则：

• 单一职责原则
  每个System只实现一个行为；每个组件的Manager只管理一种组件
• 合成复用原则
  GameObject组合了多个组件
• 接口隔离原则
  GameObject和组件经过了扁平化处理，移除了数据和逻辑，改为只是有一个number类型数据的值对象
• 最少知识原则
  World、System、Manager、Component+GameObject这几个层只能上层依赖下层，不能跨层依赖
• 开闭原则
  要增加一种行为，只需要增加一个System，不会影响Manager

应用​

优点​

• 组件的数据集中连续地保存在ArrayBuffer中，增加了缓存命中，提高了读写的性能

• 创建和删除组件的性能也很好，因为在这个过程中不会分配或者销毁内存，所以没有垃圾回收的开销
  这是因为在创建ArrayBuffer时就预先按照最大组件个数分配了一块连续的内存，所以在创建组件时，只是返回一个当前最大索引(maxIndex)的值而已；在删除组件时，只是将ArrayBuffer中该组件对应的数据还原为默认值而已

• 职责划分明确，行为的逻辑应该放在哪里很清楚
  对于只涉及到操作一种组件的行为逻辑，则将其放在该组件对应的Manager（如将batchUpdate position的逻辑放到PositionComponentManager的batchUpdate函数中）；涉及到多种组件的行为逻辑则放在对应的System中（如将飞行行为放到FlySystem中）；

• 增加行为很容易
  因为一个行为对应一个System，所以要增加一个行为，则只需增加一个对应的System即可，这不会影响到Manager。另外，因为System只有逻辑没有数据，所以增加和维护System很容易

缺点​

• 需要转换为函数式编程的思维
  习惯面向对象编程的同学倾向于设计一个包括数据和逻辑的组件类，而ECS模式则将其扁平化为一个值对象，这符合函数式编程中一切都是数据的思维模式。
  另外，ECS中的System其实就只是一个函数而已，本身没有数据，这也符合函数式编程中函数是第一公民的思维模式。
  终上所述，如果使用函数式编程范式的同学能够更容易地使用ECS模式

使用场景​

场景描述​

游戏的场景中有很多种类的人物，人物的行为很多或者很复杂

具体案例​

• 有很多种类的游戏人物
  通过挂载不同的组件到GameObject，来实现不同种类的游戏人物，代替继承

• 游戏人物有很多的行为，而且还经常会增加新的行为
  因为每个行为对应一个System，所以增加一个新的行为就是增加一个System。不管行为如何变化，只影响System层，不会影响作为下层的Manager层和GameObject、Component层

• 对于引擎而言，ECS模式主要用在场景管理这块

注意事项​

• 因为组件的ArrayBuffer一旦在创建后，它的大小就不会改动，所以最好在创建时指定足够大的最大组件个数

结合其它模式​

结合多线程模式​

如果引擎开了多个线程，那么可以将组件的ArrayBuffer改为SharedArrayBuffer。这样的话就可以将其直接共享到各个线程中而不需要拷贝，从而提高了性能

结合管道模式​

如果引擎使用了管道模式，那么可以去掉System，而使用管道的Job来代替。其中一个Job就是一个System

另外，可以去掉WorldState，而使用PipelineManagerState来代替

最佳实践​

哪些场景不需要使用模式​

如果游戏的人物种类很少，行为简单，那么就可以使用最开始给出的人物模块的方案，即使用一个人物模块对应一种人物，并通过继承实现多种人物，这样最容易实现

更多资料推荐​

ECS的概念最先是由“守望先锋”游戏的开发者提出的，详细资料可以在网上搜索“《守望先锋》架构设计和网络同步”

ECS模式是在“组件化”、“Data Oriented”基础上发展而来，可以在网上搜索更多关于“组件化”、“Data Oriented”、“ECS”的资料