序言
以下内容大部分是文字读起来确实会有点繁琐，内容主要是个人对ECS以及DOP的一些理解，如有错误欢迎指出，我觉得如果你正在学习ECS以及DOP，好好地读一下这篇文章是能够给你带来收获的。
什么是DOP
DOP(data-oriented programming)，也就是面向数据编程，一种编程范式。与面向对象以及面向函数类似，可以理解为是一种“指导你进行程序设计”的方法。将它与更为熟知的面向对象（OOP object-oriented programming）作比较的话，面向对象更关心“类”之间的关系，而DOP更关心“数据”之间的关系。或者更直白地说，面向数据编程倾向于将“大概率会被一并使用”的数据放在连续的地址空间中，从而提高访问数据时CPU击中的概率，进而提高数据访问的效率。而面向对象则更关心开发人员对抽象关系的理解，也就更易于被理解一点。至于为什么可以提高CPU击中的概率，简单说的话就是CPU也是有缓存的，当一个数据被加载的时候，其附近的数据会被加载到缓存中，而直接从缓存中读取数据要比从内存中读取快得多，这部分不是很理解的朋友们建议还是找一篇文章详细地了解一下，对于理解DOP很有帮助，可以说这就是DOP之所以被提出以及之所以能够实现优化的核心。
举一个简单的例子，当要建立一个森林时，面向对象往往是先建立一个树的类，树包含的树需要的各种信息，比如种植日期，品类，坐标，然后由多个树的对象组成森林。而面向数据可能会选择的方式是，一个叫做森林的数据包含着多个数组，种植日期数组，品类数组，坐标数组，最后我们可以通过一个索引找到一颗树所需的所有数据。这样做的话，一棵树的组成就不像一个类的对象那么直观，但当我们试图访问所有树的种植日期时，面向数据的方式将会比面向对象更加快速，因为种植日期被存储到了连数组中（一段连续的地址空间，支持随机访问）。这只是一个很简单的例子，不要简单地理解为使用数组就是面向数据。个人认为一个优秀的面向数据架构应该是能够在”易于理解“以及优秀的数据读取效率上达到一定平衡的。ECS就是一个很好的例子，在本文的后续会提到。
值得一提的是，虽然都是编程范式，但DOP与OOP并不冲突。或者说我更愿意称其为一种”优化方法“。你大可以在OOP的项目中引入DOP，从而达到优化的目的。这种优化在数据量越大时越明显，特别是在游戏行业中。戴森球是一个典型的DOP项目，具体的内容可以从他们自己的分享文章中查看。
什么是ECS
ECS指的是Entity(实体） Component（组件） System（系统）。简单地描述一下这三者之间地关系，那就是Entity持有component，system通过获取所需地component来完成逻辑运算。一般来说Entity除了Component之外不太会包含别的数据（但还是会保存数据比如版本信息什么的），这应该很好理解，如果Entity把所有数据都直接包含了，那Component还有什么用？换句话说，那他和OOP又有什么区别。对于Component而言，它只关心数据，不包含任何方法，在ECS体系下，方法几乎只应存在与system中。
ECS与DOP的关系
首先明确一点，ECS算是DOP的产物，但一个项目使用了ECS并不意味着这就是一个经过DOP优化的项目。
继续借用之前树的例子，那么在ECS的结构下，位置，品类，种植日期就成了Component，这些component组成了一个Entity，也就是树。值得注意的是，当我们需要一个方法来获取植物的年龄时，如果使用的是OOP，那么我们或许会在Tree这个Class里写一个方法通过传入当前时间来与种植时间计算得出当前年龄。但ECS并不会在Component中写方法，而是会有一个处理这件事的system（或者说能够处理这件事的system，这里我想要明确的是system并不被要求只能做一件事，也不被要求只能使用一种component），这个system会获取到种植日期的component然后计算得到树的年龄。你或许想问，那我创建一个Class Tree，里面只包含属性，没有方法，然后写一个TreeProcesser来处理所有Tree Class的逻辑，那不就和ECS一个意思了吗？我想说，确实。在将数据与方法分开这件事上，二者达成的目的是一样的，但System真正的重点其实是在于当你试图或许一类component时，例如需要计算五棵树的平均年龄时，理想状态下这五个树的种植时间Component在内存中应该是连续的，而TreeProcesser获取到的会是五个tree，再从每个Tree中获取到种植时间，这五个终止时间在内存中必然不是连续地址（这很关键）。
那么回到本小节开头提到的问题，为什么一个项目使用了ECS并不意味着这就是一个经过DOP优化的项目？其实刚才的例子已经回答了这个问题，当五个种植时间的Component并非连续的地址时，在数据读取的相率上，其实也就退化为了和普通的OOP一个水平。换句话说，如果同样的创建森林的需求，我们创建了一个森林类，使用了之前用数组来分别保存数据的方法，那么在取用五棵树的种植时间时，他就是连续的（地址上是连续的，但真的被cpu读取时，因为缓存有大小限制，并不一定能一次全读到缓存中，但即便如此，其效率还是要高于分散地址的数据），那么就算这是一个OOP的项目，它同样是经过DOP优化的。
由此可以看出，”连续的地址空间“是DOP中的一个关键点。那么在编写代码时，我们怎么知道数据是否被放在连续的地址空间中呢？这就比较考验大家的基本功了，举个简单的例子，数组是连续空间，链表不是，又比如在c++中，vector是连续空间，list不是，还有一个比较特殊的deque（由多段不连续的连续地址空间构成），感兴趣的可以去了解一下。或者还有一种方法，我们可以自己分配连续的空间。
那么直接都用数组是不是就解决问题了？确实。这个想法在我看来是可以给予肯定的，但就像我之前说的 ”一个优秀的面向数据架构应该是能够在”易于理解“以及优秀的数据读取效率上达到一定平衡的”。在部分情况下，直接大范围地使用数组在我看来完全是一个可取的方法，但撇开可能造成的理解成本，如果这个数组真的非常巨大，那么在数组中间进行插入和删除操作时，效率问题或许也是需要被考虑的。所以使用简单粗暴地使用数组在部分情况下是ok的，那么有没有别的更加优雅的方法呢？有的，Unity的ECS给出了一个不错的答案。
Unity的ECS
这里先直接放一个unity官方文档的链接，感兴趣的可以直接去看，讲的也必然比我详细：Unity的ECS
这里着重讲述以下Unity的ECS中是怎么解决内存分配问题的。
首先Unity的ECS中也有着Entity，Component，System及部分，其各部分之间的关系如下图：
上图大概意思就是，有三个Entity，其中A和B具有相同的Component，还有一个system能够通过Translation和Rotation计算出LocalToWorld。这里也就能更明确地看出我之前提到的，一个System并非只能接受一个component。
Arhcetypes与ArchetypeChunk
进一步地，可以看到EntityA和EntityB被圈在了一起，这里也就可以引入Unity ECS的内存解决方案，Archetypes以及ArchetypeChunk。
在Unity的ECS中，具有相同component构成的实体会都会属于同一个Archetype，例如上图中，A与B属于一个ArcheType，C属于一个ArcheType。
有了ArhceType之后，如果你想要新建一个Entity与之前已有的Entity具有相同的components，那就可以直接基于ArcheType生成。为此Unity还提供了不同的方法来生成Entity，你可以通过ArcheType来生成，也可以通过component生成（此时会根据是否已有当前构成的Archetype来决定是否生成新的ArcheType）。当一个Entity的component变化时，例如增加或删除，都会导致其ArcheType的变化。当有了ArcheType之后，就可以通过ArcheType来进行“优雅”的内存分配了。
ArchetypeChunk就是用来保存Entity的容器。一个Archetype对应了一个ArcheTypeChunk，所有的Entity的数据都会被存储在ArcheTypeChunk中。具体的存储方式为，而一个ArcheTypeChunk会持有Chunks，每一个Chunk保存着n个Entity的数据，当有新的Entity被创建时，会判断当前chunk中是否还有空余的空间，如果没有了就新建一个chunk然后把entity放进去。简单的理解，每一个entity的所有数据一定是在同一个chunk中的，其结果是对于每一个chunk来说，大概率都会有无法被使用的chunk。举个极端一点的例子，如果一个Entity占用3k，一个chunk的空间是16k（当前UnityECS给出的大小），那么5个entity加入后，这个chunk一定有1k是无法被使用的。但这一点损失其实还在可接受的范围内，一方面一个entity一般不至于这么大，最终损失的空间往往不大，另一方面通过ArchetypeChunk的方式已经避免了很多内存碎片。
试想如果没有ArcheType以及ArcheTypeChunk，我们也就无法知道一个chunk能够承载几个entity，假设Entity A,B,C,D分别占用40，100，80，90的空间，ABC被分配在一段连续的地址，然后B被释放了，这时候D被加载到原先B的空间，那么就会产生10的内存碎片，在大量的数据频繁地增删之后，这种碎片将会是很大的问题。但ArchetypeChunk解决了这个问题，每一个Entity都能被合理地放到Chunk里，当一个Entity的component发生改变时，他就会从原有的ArchetypeChunk中被移动到新的与之相对应的ArchetypeChunk中。
还有一点值得注意的是，Unity ECS提供了一种sharedComponent，这种component允许持有该component的entity共享其component的数值，而ECS也将为这些entity提供一个新的chunk。如果这个sharedcomponent的值被修改，或者被删除，都将导致这些entity被移动到别的chunk中或者新建一个新的chunk。因此应该尽量少地使用sharedcomponent，减少不必要内存的分配。
一个Chunk中的数据是如何排列的
知道了以上的概念之后，一个核心问题其实还没有被解答，那就是一个chunk内的数据又是如何被分配？
先不将Unity是如何做的，我们自己思考一下大概能想到两种方案：
- 一个Entity的数据顺序排列，例如EntityA（C1A,C2A,C3A）,EntityB（C1B,C2B,C3B），那么在内存中其排列方式如下：
EntityAHead, C1A,C2A,C3A, EntityBHead, C1B,C2B,C3B。 -
相同的component顺序排列，例如EntityA（C1A,C2A,C3A）,EntityB（C1B,C2B,C3B），那么在内存中其排列方式如下：
EntityAHead, EntityBHead, C1A,C1B,C2A,C2B,C3AC3B。
如果你认真看了之前的内容，大概也就能猜到，Unity将采用的是第二种方案，此时如果要获取所有C1(Component1)，C1A和C2A因为在连续地址，是能够被快速访问到的。当然你也可以说当每个Entity够小时，我们也可以认为第一种方案的所有数据都是连续的，那我只能说 “OK Fine”，其实按照这个逻辑的话，所有数据在地址空间上都是连续的了哈哈哈哈。
那么采用的方法二之后，当我想要获取一个Entity的数据时会变得麻烦吗？不会。我们知道所有Entity的头部时在chunk的最前面的，我们知道head在哪，我们知道每一个component的长度，我们可以很轻易地获取到Entity的每一个component数据，并且因为一个entity一定在一个chunk中，我们都不需要考虑跳转chunk的情况。下图能够进一步帮助理解以上内容：
参照上图，每一个ArcheType具有一些列的Chunk，每个chunk都存储着对应当前ArcheType的Entity，并且每个chunk中相同颜色的方块总是连续的，也就是上文说到的相同compont是按顺序存储的。
至此，Unity ECS的内存是如何分配的也就大概讲完了，回顾之前提到的如果数组非常长时插入的问题，在Chunk下已经被解决了。而且Unity的ECS在理解起来也不困难，我们在使用时只需要考虑entity由哪些component构成，至于怎么顺序存储，交给系统自己解决吧！优雅，实在优雅！事实上哪怕我们没有“巨量”对象这种需求，ECS同样是一个不错的游戏框架，毕竟对于一个游戏而言，能提升性能何乐而不为呢。在大部分情况下，ECS比起OOP的方式在计算效率上只会有过之而无不及，毕竟从ECS结构中单独获取一个Entity的数据也并非是一件难事。而且Unity还提供了很多有用的内容，例如在ECS的基础上使用Job system等，具体的内容就不再赘述了，感兴趣的可以自己去找资料看看。文章来源：https://www.toymoban.com/news/detail-429765.html
关于ECS和DOP的一些建议
总而言之，ECS也好，DOP也好，其核心就是通过连续的地址空间来增加数据读取的效率。但并不是说“连续的地址空间”一定能优化项目的效率。只有当我们需要的数据是连续的时这种优势才能够被很好的体现。举个例子，一个Person类，其核心方法就是一个person需要根据自身的各种属性例如饥饿度，心情，性格来决定自己接下来的行动。这种时候如果你把person当作entity，把饥饿度，性格等当作component，在计算的时候获取到的主要是“一个Entity”的数据而不是“一类component”，这时ECS的优点其实并没有被很好的发挥。相反继续使用OOP的方式，项目可能更好理解，同时OOP易拓展易维护的特性也能给项目带来好处。合理地将OOP与DOP搭配使用同样是可以的，例如一个person类同样可以拥有类似于component的结构（所有的该类Component被统一管理顺序存储）。或者有需要的话person用oop，Tree用ecs也是可以的哈哈哈哈（当然了个人认为一个项目内的框架还是同一比较好，只是指出如果确实有需要，DOP,OOP以及ECS并不是什么互相矛盾的东西）。文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-429765.html
到了这里，关于ECS与DOP(面向数据编程)浅析的文章就介绍完了。如果您还想了解更多内容，请在右上角搜索TOY模板网以前的文章或继续浏览下面的相关文章，希望大家以后多多支持TOY模板网！
