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c++ - 在实体组件系统中将实体与系统匹配的有效方法

coder 2023-05-31 原文

我正在开发面向数据的实体组件系统，该组件系统在编译时已知组件类型和系统签名。

实体是组件的集合。可以在运行时从实体中添加/删除组件。

组件是一个小的无逻辑类。

签名是组件类型的编译时列表。如果实体包含签名所需的所有组件类型，则称该实体与签名匹配。

简短的代码示例将向您展示用户语法的外观以及预期的用法:

// User-defined component types.
struct Comp0 : ecs::Component { /*...*/ };
struct Comp1 : ecs::Component { /*...*/ };
struct Comp2 : ecs::Component { /*...*/ };
struct Comp3 : ecs::Component { /*...*/ };

// User-defined system signatures.
using Sig0 = ecs::Requires<Comp0>;
using Sig1 = ecs::Requires<Comp1, Comp3>;
using Sig2 = ecs::Requires<Comp1, Comp2, Comp3>;

// Store all components in a compile-time type list.
using MyComps = ecs::ComponentList
<
    Comp0, Comp1, Comp2, Comp3
>;

// Store all signatures in a compile-time type list.
using MySigs = ecs::SignatureList
<
    Sig0, Sig1, Sig2
>;

// Final type of the entity manager.
using MyManager = ecs::Manager<MyComps, MySigs>;

void example()
{
    MyManager m;

    // Create an entity and add components to it at runtime.
    auto e0 = m.createEntity();
    m.add<Comp0>(e0);
    m.add<Comp1>(e0);
    m.add<Comp3>(e0);

    // Matches.
    assert(m.matches<Sig0>(e0));

    // Matches.
    assert(m.matches<Sig1>(e0));

    // Doesn't match. (`Comp2` missing)
    assert(!m.matches<Sig2>(e0));

    // Do something with all entities matching `Sig0`.
    m.forEntitiesMatching<Sig0>([](/*...*/){/*...*/}); 
}

我目前正在使用std::bitset操作检查实体是否与签名匹配。但是，一旦签名数量和实体数量增加，性能就会 swift 下降。

伪代码:
// m.forEntitiesMatching<Sig0>
// ...gets transformed into...

for(auto& e : entities)
    if((e.bitset & getBitset<Sig0>()) == getBitset<Sig0>())
        callUserFunction(e);

这可行，但是如果用户多次调用具有相同签名的forEntitiesMatching，则所有实体都必须再次匹配。

在对缓存友好的容器中预缓存实体可能还有更好的方法。

我尝试使用某种缓存来创建编译时映射(实现为std::tuple<std::vector<EntityIndex>, std::vector<EntityIndex>, ...>)，其中的键是签名类型(由于SignatureList，每个签名类型都有唯一的增量索引)，而值是实体的 vector 索引。

我用以下内容填充了缓存元组:
// Compile-time list iterations a-la `boost::hana`.
forEveryType<SignatureList>([](auto t)
{
    using Type = decltype(t)::Type;
    for(auto entityIndex : entities)
        if(matchesSignature<Type>(e))
            std::get<idx<Type>()>(cache).emplace_back(e);
});

并在每个管理员更新周期后将其清除。

不幸的是，它比我在所有测试中显示的“原始”循环要慢。它还会有一个更大的问题:如果对forEntitiesMatching的调用实际上将实体删除或添加了一个组件怎么办？对于后续的forEntitiesMatching调用，缓存将必须无效并重新计算。

是否有将实体匹配到签名的更快方法？

在编译时有很多已知的信息(组件类型列表，签名类型列表等等)-可以在编译时生成任何辅助数据结构，这将有助于“类位”匹配？

最佳答案

为了进行匹配，您一次要检查每种组件类型吗？您应该能够通过在一条指令中针对位掩码检查签名的所有组件是否可用来浏览实体。

例如，我们可以使用:

const uint64_t signature = 0xD; // 0b1101

...以检查是否存在组件0、1和3。
for(const auto& ent: entities)
{
     if (ent.components & signature)
          // the entity has components 0, 1, and 3.
}

如果您的实体连续存储在一个数组中，那应该快到 hell 。从性能角度来看，无论一次检查3种组件类型还是50种组件类型都没有关系。我不会在ECS中使用这种代表，但是即使您有100万个实体，也绝对不需要花费很长时间。一眨眼就可以完成。

这几乎是最快的实用方法，可以查看哪些实体在存储最小数量的状态的同时提供给定的一组组件-我之所以不使用此代表的唯一原因是因为我的ECS围绕着人们注册新组件的插件体系结构通过插件和脚本在运行时对类型和系统进行分类，因此我无法有效预期会有多少个组件类型。如果我有一个像您这样的编译时系统，该系统旨在预先预测所有这些东西，那么绝对可以认为这是可行的方法。只是不要一次检查一点。

使用上述解决方案，您应该能够轻松地每秒处理几百万个组件一百次。有人采用CPU图像过滤器来实现相似的速率，该处理过程将许多像素乘以每秒多次，并且这些过滤器比单个bitwise and和每个迭代单个分支要完成更多的工作。

除非您有一些只想处理的系统，例如一百万个实体中的十二个，否则我什至不会理会这个 super 便宜的顺序循环。但是到那时，您可能会缓存那些罕见情况，即一个系统几乎不处理该系统本地的任何实体，而不是尝试集中缓存内容。只需确保感兴趣的系统可以发现何时将实体添加到系统或从系统中删除实体，以便它们可以使本地缓存无效。

同样，对于这些签名，您不一定需要花哨的元编程。归根结底，您并没有真正使用模板元编程来保存任何内容，因为它无法避免循环遍历实体以进行检查，因为实体列表仅在运行时才知道。在理论上，这里没有什么值得在编译时进行优化的东西。您可以这样做:
static const uint64_t motion_id = 1 << 0;
static const uint64_t sprite_id = 1 << 1;
static const uint64_t sound_id = 1 << 2;
static const uint64_t particle_id = 1 << 3;
...

// Signature to check for entities with motion, sprite, and 
// particle components.
static const uint64_t sig = motion_id | sprite_id | particle_id;

如果您使用与实体相关的位来指示实体具有的组件，则建议您设置系统可以处理的组件类型总数的上限(例如:64个可能足够，128个是船载)，这样您就可以一口气检查组件是否与这些位掩码相对。

[...] what if a call to forEntitiesMatching actually removes or adds a component to an entity?



例如，如果您有一个在每一帧添加/删除组件的系统，那么我什至不必费心去缓存。上面的版本应该能够超快地遍历实体。

按顺序遍历所有实体的最坏情况是，如果您的系统仅处理这些实体的3％。如果您的引擎设计具有这样的系统，那就有点尴尬了，但是您可能只是在添加/删除组件时通知他们它们特别感兴趣，这时它们可以使实体缓存失效，然后在下次系统时重新缓存开始。希望您没有一个系统在每个单一框架中添加或删除组件，而这种类型的组件中只有少数组件的3％。如果确实有最坏的情况，则最好不要去理会缓存。缓存是没有用的，它只会在每一帧都被丢弃，而以一种奇特的方式尝试更新它可能并不会给您带来很多好处。

举例来说，处理50％或更多实体的其他系统甚至不应该考虑缓存，因为间接的级别可能不值得，只是顺序地遍历所有实体并对每个实体进行廉价的bitwise and。

关于c++ - 在实体组件系统中将实体与系统匹配的有效方法，我们在Stack Overflow上找到一个类似的问题： https://stackoverflow.com/questions/32035462/

amp43codebrstrongc++performanceoptimizationc++14entity-component-system

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