ECS 遊戲架構 實現
轉載自：http://blog.csdn.net/i_dovelemon/article/details/27230719
實現 元件-實體-系統 - 部落格頻道
這篇文章是在我前面文章，理解元件-實體-系統，的基礎上進行的。如果你還沒有閱讀過這篇文章，建議你去看看，這樣你就會對這裡要實現的內容不會那麼的陌生。
先來總結下，上篇文章講些什麼內容：
- 元件表示一個遊戲物件可以擁有的資料部分
- 實體用來代表一個遊戲物件，它是多個元件的聚合
- 系統提供了在這些元件上進行的操作
這篇文章將會講述如何實現一個ECS系統，並且會解決一些存在的問題。所有的例項程式碼，我都是使用C語言來編寫。
元件
在上篇文章中，我曾說過，元件實際上就是一個C結構體，只擁有簡單普通的資料而已，所以我也就會使用結構體來實現元件。下面的元件，從名字上看就能夠很好的明白它的作用到底是什麼。在下面我會實現三種元件：
- Displacement(x,y)
- Velocity(x,y)
- Appearance(name)
下面的程式碼，演示瞭如何定義Displacement元件。它只是擁有兩個分量的簡單結構體而已：
- typedef struct
- {
- float x ;
- float y ;
- } Displacement ;
typedef struct
{
float x ;
float y ;
} Displacement ;
Velocity元件也是同樣的進行定義了，顯示中只是含有一個string成員而已。
除了上面定義的具體的元件型別，我們還需要一個元件標示符，用來對元件進行標示。每一個元件和系統都會擁有一個元件標示符，如何使用將會在下面詳細的解釋。
- typedef enum
- {
- COMPONENT_NONE = 0 ,
- COMPONENT_DISPLACEMENT = 1 << 0 ,
- COMPONENT_VELOCITY = 1 << 1 ,
- COMPONENT_APPEARANCE = 1 << 2
- } Component ;
typedef enum
{
COMPONENT_NONE = 0 ,
COMPONENT_DISPLACEMENT = 1 << 0 ,
COMPONENT_VELOCITY = 1 << 1 ,
COMPONENT_APPEARANCE = 1 << 2
} Component ;
定義元件標示符是很簡單的事情。在實體的上下文中，我們使用元件標示符來表示這個實體擁有哪些元件。如果這個實體，擁有Displacement和 Appearance元件，那麼這個實體的元件標示符將會是 COMPONENT_DISPLACEMENT | COMPONENT_APPEARANCE 。
實體
實體本身不會被明確的定義為一個具體的資料型別。我們並不會使用面向物件的方法來對實體進行一個類的定義，然後讓它擁有一系列的成員屬性。因此，我們將會 將元件加入到記憶體中去，建立一個結構陣列。這樣會提高緩衝效率，並且會有助於迭代。所以，為了實現這個，我們使用這些結構陣列的下標來表示實體。這個下 標，就表示是實體的一個元件。
我稱這個結構陣列為World。這個結構，不僅僅保留了所有的元件，而且還儲存了每一個實體的元件標示符。
- typedef struct
- {
- int mask[ENTITY_COUNT];
- Displacement displacement[ENTITY_COUNT];
- Velocity velocity[ENTITY_COUNT];
- Appearance appearance[ENTITY_COUNT];
- } World;
typedef struct
{
int mask[ENTITY_COUNT];
Displacement displacement[ENTITY_COUNT];
Velocity velocity[ENTITY_COUNT];
Appearance appearance[ENTITY_COUNT];
} World;
ENTITY_COUNT在我的測試程式中，被定義為100，但是在一個真實的遊戲中，這個值應該更加的大。在這個實現中，最大數值就被限制在100.實 際上，我更加喜歡在棧中實現這個結構陣列，而不是在堆中實現，但是考慮到讀者可能會使用C++來實現這個World，它也是可以使用vector來儲存 的。
除了上面的結構體之外，我還定義了一些函式，來對這些實體進行建立和銷燬。
- unsigned int createEntity(World *world)
- {
- unsigned int entity;
- for(entity = 0; entity < ENTITY_COUNT; ++entity)
- {
- if(world->mask[entity] == COMPONENT_NONE)
- {
- return(entity);
- }
- }
- printf("Error! No more entities left!\n");
- return(ENTITY_COUNT);
- }
- void destroyEntity(World *world, unsigned int entity)
- {
- world->mask[entity] = COMPONENT_NONE;
- }
unsigned int createEntity(World *world)
{
unsigned int entity;
for(entity = 0; entity < ENTITY_COUNT; ++entity)
{
if(world->mask[entity] == COMPONENT_NONE)
{
return(entity);
}
}
printf("Error! No more entities left!\n");
return(ENTITY_COUNT);
}
void destroyEntity(World *world, unsigned int entity)
{
world->mask[entity] = COMPONENT_NONE;
}
實際上，create方法並不是建立一個實體，而是返回World中第一個為空的實體下標。第二個方法，只是簡單的將實體的元件表示符設定為 COMPONENT_NONE而已。把一個實體設定為空的元件是很直觀的表示方法，因為它為空的話，就表示沒有任何的系統將會在這個實體上進行操作了。
我還編寫了一些用來建立完整實體的程式碼，比如下面的程式碼將會建立一個Tree，這個Tree只擁有Displacement和Appearance。
- unsigned int createTree(World *world, float x, float y)
- {
- unsigned int entity = createEntity(world);
- world->mask[entity] = COMPONENT_DISPLACEMENT | COMPONENT_APPEARANCE;
- world->displacement[entity].x = x;
- world->displacement[entity].y = y;
- world->appearance[entity].name = "Tree";
- return(entity);
- }
unsigned int createTree(World *world, float x, float y)
{
unsigned int entity = createEntity(world);
world->mask[entity] = COMPONENT_DISPLACEMENT | COMPONENT_APPEARANCE;
world->displacement[entity].x = x;
world->displacement[entity].y = y;
world->appearance[entity].name = "Tree";
return(entity);
}
在一個真實的遊戲引擎中，你的實體可能需要額外的資料來進行建立，但是這個已經不再我介紹的範圍內了。儘管如此，讀者還是可以看見，這樣的系統將會具有多麼高的靈活性。
系統
在這個實現中，系統是最複雜的部分了。每一個系統，都是對某一個元件進行操作的函式方法。這是第二次使用元件標示符了，通過元件標示符，我們來定義系統將會對什麼元件進行操作。
- #define MOVEMENT_MASK (COMPONENT_DISPLACEMENT | COMPONENT_VELOCITY)
- void movementFunction(World *world)
- {
- unsigned int entity;
- Displacement *d;
- Velocity *v;
- for(entity = 0; entity < ENTITY_COUNT; ++entity)
- {
- if((world->mask[entity] & MOVEMENT_MASK) == MOVEMENT_MASK)
- {
- d = &(world->displacement[entity]);
- v = &(world->velocity[entity]);
- v->y -= 0.98f;
- d->x += v->x;
- d->y += v->y;
- }
- }
- }
#define MOVEMENT_MASK (COMPONENT_DISPLACEMENT | COMPONENT_VELOCITY)
void movementFunction(World *world)
{
unsigned int entity;
Displacement *d;
Velocity *v;
for(entity = 0; entity < ENTITY_COUNT; ++entity)
{
if((world->mask[entity] & MOVEMENT_MASK) == MOVEMENT_MASK)
{
d = &(world->displacement[entity]);
v = &(world->velocity[entity]);
v->y -= 0.98f;
d->x += v->x;
d->y += v->y;
}
}
}
這裡就顯示出了元件標示符的威力了。通過元件標示符，我們能夠在函式中確定這個實體是否具有這樣的屬性，並且速度很快。如果將每一個實體定義為一個結構體的話，那麼確定它是否有這些元件，這樣的操作將會非常耗時。
這個系統，會自動的新增重力，然後對Displacement和Velocity進行操作。如果所有的實體都是正確的進行了初始化，那麼每一個進行這樣操作的實體，都會有一個有效的Displacement和Velocity元件。
對於這個元件標示符的一個缺點就是，這樣的組合是有限的。在我們這裡的實現中，它最多隻能是32位的，也就是說最多隻能夠擁有32個元件型別。C++提供 了一個名為std::bitset<n>的類，這個類可以擁有N位的型別，而且我確信，如果你使用的是其他的程式語言的話，也會有這樣的型別 提供。在C中，可以使用一個數組來進行擴充套件，像下面這樣：
- (EntityMask[0] & SystemMask[0]) == SystemMask[0] && (EntityMask[1] & SystemMask[1]) == SystemMask[1]
(EntityMask[0] & SystemMask[0]) == SystemMask[0] && (EntityMask[1] & SystemMask[1]) == SystemMask[1] // && ...
這樣的系統在我的一些程式中能夠很好的進行工作，並且這樣的系統能夠很容易的進行擴充套件。它也能夠很容易的在一個主迴圈中進行工作，並且只要新增少量的程式碼就能夠從外部讀取檔案來建立實體物件。
這一小節，將會講述在遊戲機制中可能出現的一些問題，還會講述一些這個系統所具有的高階特性。
升級和碰撞過濾
這個問題是在上篇文章中，網友Krohm提出來得。他想知道，在這樣的系統中，如何實現遊戲特殊行為了。他提出，如果在升級的時候，想要避免和某種型別的物體進行碰撞，該如何進行。
解決這樣的問題，我們使用一個叫做動態元件的東西。我們來建立一個元件，叫做GhostBehavior，這個元件擁有一個限定符列表，我們通過這個列表 來判斷，哪些實體可以讓物體穿越過去。比如說，一個元件標示符的列表，或者是材質下標的列表。任何的元件，都可以在任何時候，任何地方被移除出去。當玩 家，拾取到了一個升級包，GhostBehavior元件將會增加到玩家實體的列表中去。我們還可以為這個元件建立一個內建的定時器，一旦時間到了，就自 動的將自己從列表中移除出去。
為了不進行某些碰撞，我們可以使用物理引擎中的一個經典的碰撞迴應。在大部分的物理引擎中，第一步都是先進行碰撞檢測，然後產生接觸，在然後，為某一個物 體新增一個接觸力。我們假設，這些工作都是在一個系統中實現的，但是有一個元件能夠對每一個實體的碰撞接觸進行跟蹤記錄，這個元件叫做 Collidable。
我們建立一個新的系統，同時對GhostBehavior和Collidable進行處理。在上面介紹的兩個步驟之間，我們將實體之間的接觸刪除掉，這樣 他們就不會產生力，也就不會產生碰撞，讓物體穿越過去了。這樣的效果，就會產生一個無效的碰撞。同樣的系統也能夠用來將GhostBehavior進行移 除。
同樣的策略，也能夠用來處理，當發生了碰撞時，我們希望進行某種特定的操作的情況。對於每一個特定的行為，我們都可以建立一個系統，或者同一個系統可以同 時處理多個特定的動作。不管怎麼樣，系統都要先判斷兩個物體是否發生了碰撞，然後才能夠進行特定的行為。
消滅所有怪物
另外一個問題，就是如何通過一個指令，來秒殺所有的怪物。
解決這個問題的關鍵地方是實現一個系統，這個系統將會在主迴圈的外面進行。任何一個實體，如果它是怪物的話，那麼它就應該有一個同樣的元件標示符。比如說，同時擁有AI和血量的實體，就是怪物，這樣的判斷可以簡單的使用元件標示符來進行判斷。
還記得我們在上面說過的，每一個系統實際上就是對某個元件標示符進行操作的函式。我們將秒殺技能定義為一個系統。這個系統將會用一個函式來實現。在這個函 數中，，最核心的操作就是呼叫destroyMonster函數了，但是同時可能也會建立一個粒子特效，或者播放一段音樂等。這個系統的元件標示符可能是 這樣的COMPONENT_HEALTH COMPONENT_AI。
在前面一篇文章中，我講述過了每一個實體都能夠擁有一個或者多個輸入元件，這些輸入元件將會包括一個boolean值，或者真實的值，用來表示不同的輸 入。我們建立一個MagicInputComponet元件，這個元件只有一個bool值，一旦將這個元件加入到實體中去，每一個實體都會對這個元件進行 處理，從而消滅所有的怪物。
每一個秒殺技能都有一個獨特的ID，這個ID將會用來對查詢表進行查詢。一旦在查詢表中，找到了這個ID，那麼就呼叫這個ID對應的函式，讓這個函式，來執行這個系統消滅所有的怪物。
記住，這裡的實現只是一個非常簡單的方法。它僅僅對我們這裡的測試程式有效而已，對於一個完整的遊戲來說，它並沒有那個能力來驅動它。然後，我希望，通過這個例子，你已經明白了設計ECS系統的主要原則，並且能夠獨立的使用你自己的熟練的語言來實現它。