ECS 游戏架构 实现

转载自:http://blog.csdn.net/i_dovelemon/article/details/27230719

实现 组件-实体-系统 - 博客频道

 

       这篇文章是在我前面文章,理解组件-实体-系统,的基础上进行的。如果你还没有阅读过这篇文章,建议你去看看,这样你就会对这里要实现的内容不会那么的陌生。

       先来总结下,上篇文章讲些什么内容:

  •        组件表示一个游戏对象可以拥有的数据部分
  •        实体用来代表一个游戏对象,它是多个组件的聚合
  •       系统提供了在这些组件上进行的操作

        这篇文章将会讲述如何实现一个ECS系统,并且会解决一些存在的问题。所有的实例代码,我都是使用C语言来编写。

组件

           在上篇文章中,我曾说过,组件实际上就是一个C结构体,只拥有简单普通的数据而已,所以我也就会使用结构体来实现组件。下面的组件,从名字上看就能够很好的明白它的作用到底是什么。在下面我会实现三种组件:

  1.            Displacement(x,y)
  2.            Velocity(x,y)
  3.           Appearance(name)

          下面的代码,演示了如何定义Displacement组件。它只是拥有两个分量的简单结构体而已:

  1. typedef struct  
  2. {  
  3.         float x ;  
  4.         float y ;  
  5. } Displacement ;  
typedef struct
{
        float x ;
        float y ;
} Displacement ;

         Velocity组件也是同样的进行定义了,显示中只是含有一个string成员而已。

         除了上面定义的具体的组件类型,我们还需要一个组件标示符,用来对组件进行标示。每一个组件和系统都会拥有一个组件标示符,如何使用将会在下面详细的解释。

  1. typedef enum  
  2. {  
  3.       COMPONENT_NONE = 0 ,  
  4.       COMPONENT_DISPLACEMENT = 1 << 0 ,  
  5.       COMPONENT_VELOCITY = 1 << 1 ,  
  6.       COMPONENT_APPEARANCE = 1 << 2  
  7. } Component ;  
typedef enum
{
      COMPONENT_NONE = 0 ,
      COMPONENT_DISPLACEMENT = 1 << 0 ,
      COMPONENT_VELOCITY = 1 << 1 ,
      COMPONENT_APPEARANCE = 1 << 2
} Component ;

        定义组件标示符是很简单的事情。在实体的上下文中,我们使用组件标示符来表示这个实体拥有哪些组件。如果这个实体,拥有Displacement和 Appearance组件,那么这个实体的组件标示符将会是 COMPONENT_DISPLACEMENT | COMPONENT_APPEARANCE 。

实体

       实体本身不会被明确的定义为一个具体的数据类型。我们并不会使用面向对象的方法来对实体进行一个类的定义,然后让它拥有一系列的成员属性。因此,我们将会 将组件加入到内存中去,创建一个结构数组。这样会提高缓冲效率,并且会有助于迭代。所以,为了实现这个,我们使用这些结构数组的下标来表示实体。这个下 标,就表示是实体的一个组件。

      我称这个结构数组为World。这个结构,不仅仅保留了所有的组件,而且还保存了每一个实体的组件标示符。

  1. typedef struct  
  2. {  
  3.     int mask[ENTITY_COUNT];  
  4.   
  5.     Displacement displacement[ENTITY_COUNT];  
  6.     Velocity velocity[ENTITY_COUNT];  
  7.     Appearance appearance[ENTITY_COUNT];  
  8. } World;  
typedef struct
{
	int mask[ENTITY_COUNT];

	Displacement displacement[ENTITY_COUNT];
	Velocity velocity[ENTITY_COUNT];
	Appearance appearance[ENTITY_COUNT];
} World;

      ENTITY_COUNT在我的测试程序中,被定义为100,但是在一个真实的游戏中,这个值应该更加的大。在这个实现中,最大数值就被限制在100.实 际上,我更加喜欢在栈中实现这个结构数组,而不是在堆中实现,但是考虑到读者可能会使用C++来实现这个World,它也是可以使用vector来保存 的。

      除了上面的结构体之外,我还定义了一些函数,来对这些实体进行创建和销毁。

  1. unsigned int createEntity(World *world)  
  2. {  
  3.     unsigned int entity;  
  4.     for(entity = 0; entity < ENTITY_COUNT; ++entity)  
  5.     {  
  6.         if(world->mask[entity] == COMPONENT_NONE)  
  7.         {  
  8.             return(entity);  
  9.         }  
  10.     }  
  11.   
  12.     printf("Error!  No more entities left!\n");  
  13.     return(ENTITY_COUNT);  
  14. }  
  15.   
  16. void destroyEntity(World *world, unsigned int entity)  
  17. {  
  18.     world->mask[entity] = COMPONENT_NONE;  
  19. }  
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;
}

       实际上,create方法并不是创建一个实体,而是返回World中第一个为空的实体下标。第二个方法,只是简单的将实体的组件表示符设置为 COMPONENT_NONE而已。把一个实体设置为空的组件是很直观的表示方法,因为它为空的话,就表示没有任何的系统将会在这个实体上进行操作了。

      我还编写了一些用来创建完整实体的代码,比如下面的代码将会创建一个Tree,这个Tree只拥有Displacement和Appearance。

  1. unsigned int createTree(World *world, float x, float y)  
  2. {  
  3.     unsigned int entity = createEntity(world);  
  4.   
  5.     world->mask[entity] = COMPONENT_DISPLACEMENT | COMPONENT_APPEARANCE;  
  6.   
  7.     world->displacement[entity].x = x;  
  8.     world->displacement[entity].y = y;  
  9.   
  10.     world->appearance[entity].name = "Tree";  
  11.   
  12.     return(entity);  
  13. }  
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);
}

      在一个真实的游戏引擎中,你的实体可能需要额外的数据来进行创建,但是这个已经不再我介绍的范围内了。尽管如此,读者还是可以看见,这样的系统将会具有多么高的灵活性。

系统

      在这个实现中,系统是最复杂的部分了。每一个系统,都是对某一个组件进行操作的函数方法。这是第二次使用组件标示符了,通过组件标示符,我们来定义系统将会对什么组件进行操作。

  1. #define MOVEMENT_MASK (COMPONENT_DISPLACEMENT | COMPONENT_VELOCITY)  
  2.   
  3. void movementFunction(World *world)  
  4. {  
  5.     unsigned int entity;  
  6.     Displacement *d;  
  7.     Velocity *v;  
  8.   
  9.     for(entity = 0; entity < ENTITY_COUNT; ++entity)  
  10.     {  
  11.         if((world->mask[entity] & MOVEMENT_MASK) == MOVEMENT_MASK)  
  12.         {  
  13.             d = &(world->displacement[entity]);  
  14.             v = &(world->velocity[entity]);  
  15.   
  16.             v->y -= 0.98f;  
  17.   
  18.             d->x += v->x;  
  19.             d->y += v->y;  
  20.         }  
  21.     }  
  22. }  
#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;
		}
	}
}

        这里就显示出了组件标示符的威力了。通过组件标示符,我们能够在函数中确定这个实体是否具有这样的属性,并且速度很快。如果将每一个实体定义为一个结构体的话,那么确定它是否有这些组件,这样的操作将会非常耗时。

        这个系统,会自动的添加重力,然后对Displacement和Velocity进行操作。如果所有的实体都是正确的进行了初始化,那么每一个进行这样操作的实体,都会有一个有效的Displacement和Velocity组件。

       对于这个组件标示符的一个缺点就是,这样的组合是有限的。在我们这里的实现中,它最多只能是32位的,也就是说最多只能够拥有32个组件类型。C++提供 了一个名为std::bitset<n>的类,这个类可以拥有N位的类型,而且我确信,如果你使用的是其他的编程语言的话,也会有这样的类型 提供。在C中,可以使用一个数组来进行扩展,像下面这样:

  1. (EntityMask[0] & SystemMask[0]) == SystemMask[0] && (EntityMask[1] & SystemMask[1]) == SystemMask[1]   
(EntityMask[0] & SystemMask[0]) == SystemMask[0] && (EntityMask[1] & SystemMask[1]) == SystemMask[1] // && ...

           这样的系统在我的一些程序中能够很好的进行工作,并且这样的系统能够很容易的进行扩展。它也能够很容易的在一个主循环中进行工作,并且只要添加少量的代码就能够从外部读取文件来创建实体对象。

          这一小节,将会讲述在游戏机制中可能出现的一些问题,还会讲述一些这个系统所具有的高级特性。

升级和碰撞过滤

          这个问题是在上篇文章中,网友Krohm提出来得。他想知道,在这样的系统中,如何实现游戏特殊行为了。他提出,如果在升级的时候,想要避免和某种类型的物体进行碰撞,该如何进行。

         解决这样的问题,我们使用一个叫做动态组件的东西。我们来创建一个组件,叫做GhostBehavior,这个组件拥有一个限定符列表,我们通过这个列表 来判断,哪些实体可以让物体穿越过去。比如说,一个组件标示符的列表,或者是材质下标的列表。任何的组件,都可以在任何时候,任何地方被移除出去。当玩 家,拾取到了一个升级包,GhostBehavior组件将会增加到玩家实体的列表中去。我们还可以为这个组件创建一个内置的定时器,一旦时间到了,就自 动的将自己从列表中移除出去。

         为了不进行某些碰撞,我们可以使用物理引擎中的一个经典的碰撞回应。在大部分的物理引擎中,第一步都是先进行碰撞检测,然后产生接触,在然后,为某一个物 体添加一个接触力。我们假设,这些工作都是在一个系统中实现的,但是有一个组件能够对每一个实体的碰撞接触进行跟踪记录,这个组件叫做 Collidable。

         我们创建一个新的系统,同时对GhostBehavior和Collidable进行处理。在上面介绍的两个步骤之间,我们将实体之间的接触删除掉,这样 他们就不会产生力,也就不会产生碰撞,让物体穿越过去了。这样的效果,就会产生一个无效的碰撞。同样的系统也能够用来将GhostBehavior进行移 除。

         同样的策略,也能够用来处理,当发生了碰撞时,我们希望进行某种特定的操作的情况。对于每一个特定的行为,我们都可以创建一个系统,或者同一个系统可以同 时处理多个特定的动作。不管怎么样,系统都要先判断两个物体是否发生了碰撞,然后才能够进行特定的行为。

消灭所有怪物

        另外一个问题,就是如何通过一个指令,来秒杀所有的怪物。

        解决这个问题的关键地方是实现一个系统,这个系统将会在主循环的外面进行。任何一个实体,如果它是怪物的话,那么它就应该有一个同样的组件标示符。比如说,同时拥有AI和血量的实体,就是怪物,这样的判断可以简单的使用组件标示符来进行判断。

        还记得我们在上面说过的,每一个系统实际上就是对某个组件标示符进行操作的函数。我们将秒杀技能定义为一个系统。这个系统将会用一个函数来实现。在这个函 数中,,最核心的操作就是调用destroyMonster函数了,但是同时可能也会创建一个粒子特效,或者播放一段音乐等。这个系统的组件标示符可能是 这样的COMPONENT_HEALTH  COMPONENT_AI。

         在前面一篇文章中,我讲述过了每一个实体都能够拥有一个或者多个输入组件,这些输入组件将会包括一个boolean值,或者真实的值,用来表示不同的输 入。我们创建一个MagicInputComponet组件,这个组件只有一个bool值,一旦将这个组件加入到实体中去,每一个实体都会对这个组件进行 处理,从而消灭所有的怪物。

        每一个秒杀技能都有一个独特的ID,这个ID将会用来对查找表进行查找。一旦在查找表中,找到了这个ID,那么就调用这个ID对应的函数,让这个函数,来运行这个系统消灭所有的怪物。

         记住,这里的实现只是一个非常简单的方法。它仅仅对我们这里的测试程序有效而已,对于一个完整的游戏来说,它并没有那个能力来驱动它。然后,我希望,通过这个例子,你已经明白了设计ECS系统的主要原则,并且能够独立的使用你自己的熟练的语言来实现它。

 

posted @ 2016-06-09 12:11  FuTaimeng  阅读(6785)  评论(0编辑  收藏  举报