实体组件系统（ECS）

1. 简介

ECS（Entity-Component-System）是一种现代游戏引擎常用的架构模式，用于高效管理大量游戏对象和行为。它特别适合用于构建高性能、易扩展的游戏逻辑系统，比如 Unity、Bevy、EnTT 等都使用ECS或其变种架构模式。

ECS把游戏对象的组织方式拆分为三个部分：

• Entity（实体）：是游戏中某个对象的唯一标识（通常是一个整数 ID），它本身不存储数据。Entity将作为一个“锚点”，用于关联不同的组件。 在ECS架构中，Entity是一种中介者（或锚点），通过唯一ID将各种Component关联在一起，使它们之间能够协同工作。组件按类型集中存储，系统则批量处理满足条件的Entity，实现高效的游戏逻辑和渲染。
• Component（组件）：描述某个Entity拥有的数据。ECS通常将相同类型的组件集中存放，比如：Mesh或Audio Clip等，以达到高效地批处理。
• System（系统）：操作一组具有特定组件组合的 Entity，定义行为逻辑。

ECS的优点

• 高性能，缓存友好：避免继承结构频繁跳指针，遍历时是连续内存访问，对CPU Cache 更友好。
• 易于组合：只需添加/移除组件就能组合出不同的行为。
• 批处理高效：可以一口气把所有相同的组件（比如Mesh和Transform）提交给渲染器。
• 数据驱动，解耦：系统之间低耦合，各司其职，将逻辑和数据解耦。
• 易于序列化：数据是结构化的，易于保存与恢复。

为什么ECS是性能友好？

ECS的高性能来源于其内存布局，即所有同类型的组件通常在CPU中线性存储（如数组、结构体池）。当系统进行操作时，只需遍历一个数组，CPU 缓存命中率高。

应用场景举例

• 渲染系统：遍历所有有 MeshRenderer 和 Transform 的实体，发送绘制命令
• 物理系统：更新拥有 Rigidbody 和 Transform 的实体位置
• 输入系统：处理 PlayerInputComponent 的实体

额外内容

缓存行（Cache Line）

当你访问内存中的一个int（4 字节）时，CPU 实际不是只取这 4 个字节，而是一次性把它周围的一整块数据读进来。这块数据就是缓存行，通常是 64 字节。

也就是说，如果你访问 arr[0]，CPU 实际把 arr[0] ~ arr[15] 一起加载到 L1 Cache（因为 16 个 int * 4 字节 = 64 字节）。

2. EnTT库

创建一个新的实体：

entt::entity entity = m_Registry.create();

向实体中添加一个组件Component，并传入构造参数mat4：

m_Registry.emplace<Component>(entity, glm::mat4(1.0f));

注册一个回调函数，在实体中添加组件Component时自动触发：

m_Registry.on_construct<Component>().connect<&OnTransformConstruct>();

查询在某个实体entity中组件Component是否存在并获取它：

if (m_Registry.has<Component>(entity))
    Component& transform = m_Registry.get<Component>(entity);

返回一个只包含所有拥有Component组件的实体的视图view，并且可以遍历该视图：

auto view = m_Registry.view<Component>();
for (auto entity : view)
{
    TransformComponent& transform = view.get<TransformComponent>(entity);
}

创建一个只包含具有A和B的实体组，且按A排列（数据紧凑存储）：

auto group = m_Registry.group<TransformComponent>(entt::get<MeshComponent>);
for (auto entity : group)
{
auto&[transform, mesh] = group.get<TransformComponent, MeshComponent>(entity);
}

3. 应用

基本思路：在引入ECS之前，我们需要在当前Layer的函数OnUpdate()中，手动调用用于绘制四边形的函数DrawQuad()。而加入了ECS后，我们可以在当前Layer中保存并创建一个Scene，将所有的绘制指令放入Scene中的函数OnUpdate()，最后由Layer的函数OnUpdate()调用，即可完成逐帧渲染。

在Layer中，存储Scene和Entity的对象：

Ref<Scene> m_ActiveScene;
entt::entity m_SquareEntity;

在Layer的函数OnAttach()中，对它们实现初始化，并且为Entity添加两个Component，分别是TransformComponent和SpriteRendererComponent：

m_ActiveScene = CreateRef<Scene>();

auto square = m_ActiveScene->CreateEntity();
m_ActiveScene->Reg().emplace<TransformComponent>(square);
m_ActiveScene->Reg().emplace<SpriteRendererComponent>(square, glm::vec4{ 0.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f });
m_SquareEntity = square;

在Layer的函数OnUpdate()中，调用Scene的函数OnUpdate()：

m_ActiveScene->OnUpdate(ts);

void Scene::OnUpdate(TimeStep ts)
{
	auto group = m_Registry.group<TransformComponent>(entt::get<SpriteRendererComponent>);
	for (auto entity : group)
	{
		auto& [transform, sprite] = group.get<TransformComponent, SpriteRendererComponent>(entity);

		Renderer2D::DrawQuad(transform, sprite.Color);
	}
}

自此，这个Scene中的所有带有组件Transform和SpriteRenderer的Entity都会在屏幕上绘制出四边形。

整个游戏引擎的宏观调用顺序为：

Application -> PushLayer()
                   |
                 Layer -> Layer::OnAttach() -> Layer::OnUpdate() 
                                 |                    |
                             Init Scene        Scene::OnUpdate()

UUID（Universally Unique Identifier）组件

作用：通用唯一标识符，用于资源管理，场景序列化等方面。

在场景中创建一个新实体时，UUID组件是默认添加的。

struct IDComponentAdd commentMore actions
{
    UUID ID;

    IDComponent() = default;
    IDComponent(const IDComponent&) = default;
};

Transform组件

作用：设置Entity的TRS值。

struct TransformComponent
{
	glm::vec3 Translation = { 0.0f, 0.0f, 0.0f };
	glm::vec3 Rotation = { 0.0f, 0.0f, 0.0f };
	glm::vec3 Scale = { 1.0f, 1.0f, 1.0f };

	TransformComponent() = default;
	TransformComponent(const TransformComponent&) = default;
	TransformComponent(const glm::vec3& translation) : Translation(translation) {}

	glm::mat4 GetTransform() const
	{
             glm::mat4 translation = glm::translate(glm::mat4(1.0f), Translation);
             glm::mat4 rotation = glm::toMat4(glm::quat(Rotation));
             glm::mat4 scale = glm::scale(glm::mat4(1.0f), Scale);

             return translation * rotation * scale;
	}
};