关于ECS设计以及MVC分层设计和组件化设计的思考和总结(这个标题就问你长不长)

本文探讨了ECS(实体组件系统)和MVC(模型-视图-控制器)两种设计模式的差异及适用场景。ECS主要用于处理对象关系,尤其适合游戏玩法的复杂场景,强调数据驱动和解耦。而MVC则更适合UI交互,是一种成熟的分层设计。在实际应用中,可以结合使用轻量级MVC模式,将ECS用于底层系统,处理各种问题,MVC处理UI交互。

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前言

最近工作忙了很多关于设计的事情,用了常用的分层设计MVC也尝试是用了ECS这种设计方式,同时也参考了Unity或者Creator的这种组件化方式。有了很多困惑也有了一些总结。

首先,MVC也好ECS也好他们都是一种编程的范式,或者说你组织代码的方式。然而他们的层面不同,也就是说不是一个层面的东西。

  • MVC:用来解决UI交互方面的成熟的经验体系,是一种分层的设计。
  • ECS:是一种对象组织的方式,比如继承也是一种处理对象关系的方式。而ECS就是组合的方式来处理对象见关系的,还看到了一种说法:

Entity system architecture derives from an attempt to resolve the
problems with the game loop. It addresses the game loop as the core of
the game, and pre-supposes that simplifying the game loop is more
important than anything else in modern game architecture. More
important than separation of the view from the controller

也就是说ECS这种方式目标是用来尝试处理游戏循环问题的。并预先假设简化游戏循环比现代游戏架构中的任何其他东西更重要。比从控制器分离视图更重要。


同样,还有很多的架构,比如分层设计的系统架构等等。
简单的总结来说,他们不是一个层面的,MVC是一种分层的针对UI交互的设计,而ECS是一种处理对象关系的方式。

为什么我上面会困惑,就是我把不同层面的东西放到一个平面上来思考讨论了。就像你有一个衣服柜子,用它来放鞋子okay么?是的可以放,但是会不会别

<think>我们正在设计ECS架构中的移动组件。根据ECS架构原则,我们需要考虑三个核心部分:实体(Entity)、组件(Component)系统(System)。移动组件(Component)用于存储与移动相关的数据,而移动系统(System)则负责处理移动逻辑。 设计步骤: 1. **组件设计**:移动组件应该包含哪些数据? - 通常,移动组件需要包含位置、速度、加速度、方向等数据。 - 例如,我们可以设计一个`TransformComponent`(包含位置、旋转、缩放)一个`MovementComponent`(包含速度、加速度、最大速度等)。 2. **系统设计**:移动系统如何工作? - 移动系统会遍历所有拥有移动组件变换组件的实体,根据速度时间更新位置。 3. **考虑性能**:根据引用[3],ECS架构中,将同类型组件放在同一个数组中,可以更好地利用CPU缓存。因此,我们应该将移动组件的数据连续存储。 4. **与其他组件的交互**:例如,物理组件、动画组件等。移动系统可能需要在更新位置后触发其他系统的更新。 具体设计: **组件定义**: - `TransformComponent`:存储实体的位置、旋转缩放。这是一个基础组件,很多实体都会拥有。 - 位置(position):$ (x, y, z) $ 或 $ (x, y) $(2D) - 旋转(rotation):用四元数、欧拉角或角度表示 - 缩放(scale):$ (s_x, s_y, s_z) $ 或 $ (s_x, s_y) $ - `MovementComponent`:存储移动相关的动态数据。 - 速度(velocity):$ (v_x, v_y, v_z) $ 或 $ (v_x, v_y) $ - 加速度(acceleration):$ (a_x, a_y, a_z) $ 或 $ (a_x, a_y) $ - 最大速度(max_speed):标量值 - 是否在地面(is_grounded):布尔值(可选,用于跳跃或重力) **系统定义**: - `MovementSystem`:在每一帧更新中,遍历所有同时拥有`TransformComponent``MovementComponent`的实体。 1. 根据加速度更新速度(考虑时间步$ \Delta t $): $$ \vec{v}_{new} = \vec{v}_{old} + \vec{a} \cdot \Delta t $$ 然后,限制速度不超过最大速度:$ |\vec{v}_{new}| \leq \text{max\_speed} $ 2. 根据速度更新位置: $$ \vec{p}_{new} = \vec{p}_{old} + \vec{v}_{new} \cdot \Delta t $$ 3. 将新的位置设置到`TransformComponent`中。 注意:如果游戏有物理,我们可能还需要一个独立的物理系统来处理碰撞等,移动系统可能只负责处理输入驱动的移动,而物理系统负责重力碰撞响应。在这种情况下,移动系统可能会在物理系统之前运行。 **优化**: - 连续存储:确保`MovementComponent``TransformComponent`在内存中连续存储(使用结构数组),以提高缓存命中率[^3]。 - 避免在系统内部进行复杂的分支:尽量使逻辑线性。 **与其他系统的交互**: - 输入系统:将玩家的输入转换为移动组件的加速度或速度。 - 物理系统:处理碰撞,可能会修改速度或位置。 - 动画系统:根据速度播放移动动画。 示例伪代码(C++风格,但使用中文注释): ```cpp // 定义组件 struct TransformComponent { Vec3 position; Quaternion rotation; Vec3 scale; }; struct MovementComponent { Vec3 velocity; Vec3 acceleration; float max_speed; bool is_grounded; }; // 移动系统 class MovementSystem : public System { public: void Update(float delta_time) override { // 遍历所有拥有TransformComponentMovementComponent的实体 for (auto entity : GetEntities<TransformComponent, MovementComponent>()) { auto [transform, movement] = entity.GetComponents<TransformComponent, MovementComponent>(); // 更新速度 movement.velocity += movement.acceleration * delta_time; // 限制速度 if (movement.velocity.Length() > movement.max_speed) { movement.velocity = movement.velocity.Normalized() * movement.max_speed; } // 更新位置 transform.position += movement.velocity * delta_time; } } }; ``` **注意事项**: - 根据引用[4],ECS架构在处理单个实体需要连续处理业务时可能不如OOP方便,但通过合理设计系统,我们可以将连续操作分解到不同的系统中,按顺序执行。 - 移动组件应该只包含数据,不包含任何逻辑。逻辑在系统中。 **扩展**: - 如果需要网络同步,可以设计一个网络组件,移动系统在更新位置后,将位置信息标记为需要同步,由网络系统发送。 这样设计,移动组件系统就符合ECS架构的数据驱动原则,并且能够高效运行。 §§相关题§§ 1. ECS架构中如何处理实体间的依赖关系,例如两个实体的距离计算? 2. 在移动系统中如何整合物理碰撞检测? 3. ECS架构中如何实现动画系统与移动系统的协同工作? 4. 如何设计一个网络同步的移动系统?</think>### ECS架构中移动组件设计方法 在ECS架构中设计移动组件需遵循**数据驱动**原则,将移动相关的数据与逻辑分离。以下是具体设计方法: #### 1. **组件设计(数据层)** 移动组件(`MovementComponent`)**仅存储数据**,不包含任何逻辑: ```cpp struct MovementComponent { float velocity_x; // X轴速度 $v_x$ float velocity_y; // Y轴速度 $v_y$ float acceleration; // 加速度 $a$ float max_speed; // 最大速度 $v_{\text{max}}$ bool is_grounded; // 地面检测标志 }; ``` - **设计要点**: - 组件是纯数据结构,无方法 - 同类型组件连续存储(提升CPU缓存命中率[^3]) - 通过修改组件数据动态调整行为(如调整`max_speed`改变移动速度) #### 2. **系统设计(逻辑层)** 移动系统(`MovementSystem`)处理所有移动逻辑: ```cpp class MovementSystem : public System { public: void Update(float delta_time) { // 遍历所有拥有TransformComponentMovementComponent的实体 for (auto& entity : GetEntities<TransformComponent, MovementComponent>()) { auto& transform = entity.GetComponent<TransformComponent>(); auto& movement = entity.GetComponent<MovementComponent>(); // 物理计算:$v = v_0 + a \cdot t$ movement.velocity_x += movement.acceleration * delta_time; // 速度限制:$|v| \leq v_{\text{max}}$ if (std::abs(movement.velocity_x) > movement.max_speed) { movement.velocity_x = std::copysign(movement.max_speed, movement.velocity_x); } // 更新位置:$x = x_0 + v \cdot t$ transform.position_x += movement.velocity_x * delta_time; } } }; ``` - **设计要点**: - 系统按固定频率执行(如每帧) - 仅处理拥有相关组件的实体 - 通过delta_time实现帧率无关的移动[^2] #### 3. **关键设计策略** 1. **组件组合**: - 移动组件需与`TransformComponent`(存储位置数据)组合使用 - 例:物理系统可通过添加`PhysicsComponent`实现碰撞检测 2. **数据流向优化**: ```mermaid graph LR 输入系统-->|写入|MovementComponent MovementSystem-->|读取/写入|MovementComponent MovementSystem-->|写入|TransformComponent 渲染系统-->|读取|TransformComponent ``` 3. **跨系统交互**: - 动画系统:根据`velocity_x`值切换行走/奔跑动画 - 网络同步:标记`MovementComponent`的脏数据标志位 #### 4. **性能优化** - **内存布局**:使用SoA(Structure of Arrays)存储组件 ```cpp // 优化后内存结构(缓存友好) struct MovementComponents { std::vector<float> velocity_x; std::vector<float> velocity_y; std::vector<float> max_speed; }; ``` - **并行处理**:对组件数组分块并行计算[^1] #### 5. **设计陷阱规避** - **避免组件耦合**:不在`MovementComponent`中存储位置数据 - **逻辑拆分**: - 移动系统仅处理基础运动 - 复杂行为(如跳跃)通过`JumpSystem`+`JumpComponent`实现 - **单例组件**:使用`GravityComponent`(全局重力参数)[^4] > **典型应用流程**: > 玩家输入 → 输入系统修改`MovementComponent.velocity_x` → 移动系统更新位置 → 物理系统修正碰撞位置 → 渲染系统绘制 此设计实现了: 1. **动态调整**:通过修改组件数据实时改变移动特性 2. **高效执行**:连续内存访+并行处理优化 3. **解耦扩展**:新增移动类型(如飞行)只需添加新组件+系统
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