尝试做交通和行人的模拟，自然就想到了Unity2018的新功能ECS+Job System，线性数据+多线程提高模拟速度，因此本文分两部分：ECS和交通模拟

以下为一个WIP的成果

该项目的实现主要有几个模块：生成RoadGraph，构造BVH，车辆模拟，行人模拟。

RoadGraph部分，为了让Job里能调用，全都是Array形式存的了，没有指针全是ID来指。构造BVH和行人模拟在笔者另外的博客中讲到了。车辆模拟有三个部分，首先构造BVH，之后每个Vehicle遍历BVH感知周边信息，最后一个更新Vehicle的位置等数据。

最早考虑的是用物理raycast来做空间查找，让vehicle感知周边信息。先是想用Pure ECS实现的，写着发现没法加物理，只能变成Hybrid ECS，实例化GameObject加上Collider，还好更新Collider的位置开销不大，主要是RayCast开销大，用于Agent感知周边车辆位置。但之后Profile发现Job里开销最大的是Raycast物理，就改成了用Job System构造BVH，速度变快很多。

之前：

之后

目前可以在我的笔记本上以30fps跑25000辆车.

代码都挂在Github上了，见OSMTrafficSim

下面讲一讲ECS的理解吧

Unity ECS

ECS是Entity-Component-System的简称，2018推出的新功能。是一种比较新的框架体系，主要优点是

处理大量物体时性能较好，data-layout对cache友好，便于多线程计算。
耦合性低，代码清晰。Component只有数据没有逻辑，System只有逻辑没有状态。

Unity传统框架是有Entity-Component思想的，但不是ECS这个Entity-Component。传统Unity中Gameobject是Entity，Monobehaivor是component挂在Gameobject上。这样数据分散在内存多处，用指针获取，这样Cache-Miss会很多。而且数据耦合严重，线程不安全。

ECS的数据基本都是按一维数组形式存储的，很容易一起放进cache，加快CPU计算速度。要知道内存-L3-L2-L1的数据读取花费的CPU指令周期是近似数量级降低的。用ID形式访问也对多线程比较友好，避免data-race。

笔者更关心计算性能的提升，最明显的是对大量物体的逻辑与渲染有帮助，比如Swarm的模拟，游戏中就可以做万人同屏等了。效率提升可能是数量级的。而对非大量物体的游戏中，提升有多少就不好说了。物理模拟可能是比较有帮助的，可以分配到多线程。其他的逻辑呢，可是本来开销就和物理和渲染不在同一个数量级的呀。

ECS的一些基本概念

Unity官方有一些介绍

World

UE中也有world，这次Unity也加上了。Play开始后默认创建一个World，你也可以自己创建。

每个World有一个EntityManager和很多的ComponentSystem。

EntityManager是管所有Entity的，ComponentSystem是System，管行为的，所有的Update都在里面。

Component（数据）挂在Entity下面。

ComponentSystem

用于逻辑的，要有Update。注意的是，System是默认进行Update的！Monobehavior需要挂到GameObject上才会Update，ComponentSystem只要你创建了这个代码就会Update的。

另外ComponentSystem不依赖与GameObject，Hierarchy窗口里是找不到ComponentSystem的，但它就一直在Update。

Entity, EntityManager

本身什么就没有，就是一个ID。EntityManager里面可以找到每个entity，在EntityDebug窗口中也能看到。Entity也是不依赖GameObject。World中可以有不挂在GameObject上的Entity，当然每个GameObject可以加GameObjectEntity变成Entity。

一般是用下面两个方法创建Entity。Archetype可以认为是一个类型，包含了需要哪些类型的Component。Entity就是Architype的实例，注入了数据

EntityManager.CreateArchetype
EntityManager.CreateEntity

1 2	EntityManager.CreateArchetype EntityManager.CreateEntity

IComponentData

Component类的接口，所有存数据的地方。注意这个是个Struct，其元素必须是非托管的，blitable类型的。

比如bool，int[]，NativeArray<>都不能在IComponentData中存在。

Unity.Mathematics里面的类都可以。

另外每个IComponentData一般会声明一个DataWrapper，这个Wrapper才是一个可以挂在Entity上面的Component。

[Serializable]
public struct RotationSpeed : IComponentData
{
    public float Value;
}

public class RotationSpeedComponent : ComponentDataWrapper<RotationSpeed> { }

[Serializable]

public struct RotationSpeed : IComponentData

{

public float Value;

}

public class RotationSpeedComponent : ComponentDataWrapper<RotationSpeed> { }

ComponentGroup, Inject, SubtractiveComponent

这几个存在的意义在于：ComponentSystem的Update对于哪些Entity起作用？

Inject对象声明后会在ComponentSystem的OnCreateManager()之前获取到需要参与计算的Entity

举个例子，其中SubtractiveComponent代表了，System关心的Entity不能有这些Component。

下面这个例子中，group会获取到所有有Position，有Rigidbody，但是没有MeshCollider的Entity

class MySystem : ComponentSystem
{
    public struct Group
    {
        // ComponentDataArray lets us access IComponentData 
        [ReadOnly]
        public ComponentDataArray<Position> Position;
        
        // ComponentArray lets us access any of the existing class Component                
        public ComponentArray<Rigidbody> Rigidbodies;

        // Sometimes it is necessary to not only access the components
        // but also the Entity ID.
        public EntityArray Entities;

        // The GameObject Array lets us retrieve the game object.
        // It also constrains the group to only contain GameObject based entities.                  
        public GameObjectArray GameObjects;

        // Excludes entities that contain a MeshCollider from the group
        public SubtractiveComponent<MeshCollider> MeshColliders;
        
        // The Length can be injected for convenience as well 
        public int Length;
    }
    [Inject] private Group m_Group;


    protected override void OnUpdate()
    {
        // Iterate over all entities matching the declared ComponentGroup required types
        for (int i = 0; i != m_Group.Length; i++)
        {
            m_Group.Rigidbodies[i].position = m_Group.Position[i].Value;

            Entity entity = m_Group.Entities[i];
            GameObject go = m_Group.GameObjects[i];
        }
    }
}

class MySystem : ComponentSystem

{

public struct Group

{

// ComponentDataArray lets us access IComponentData

[ReadOnly]

public ComponentDataArray<Position> Position;

// ComponentArray lets us access any of the existing class Component

public ComponentArray<Rigidbody> Rigidbodies;

// Sometimes it is necessary to not only access the components

// but also the Entity ID.

public EntityArray Entities;

// The GameObject Array lets us retrieve the game object.

// It also constrains the group to only contain GameObject based entities.

public GameObjectArray GameObjects;

// Excludes entities that contain a MeshCollider from the group

public SubtractiveComponent<MeshCollider> MeshColliders;

// The Length can be injected for convenience as well

public int Length;

}

[Inject] private Group m_Group;

protected override void OnUpdate()

{

// Iterate over all entities matching the declared ComponentGroup required types

for (int i = 0; i != m_Group.Length; i++)

{

m_Group.Rigidbodies[i].position = m_Group.Position[i].Value;

Entity entity = m_Group.Entities[i];

GameObject go = m_Group.GameObjects[i];

}

不用Inject的话，也可以ComponentGroup方法获得要参与计算的Entity。下面这个例子中，找到了所有包含Position, Rigidbody, SharedGrouping组件的Entity，注意ComponentGroup还有filter方法选择一部分Entity

struct SharedGrouping : ISharedComponentData
{
    public int Group;
}

class PositionToRigidbodySystem : ComponentSystem
{
    ComponentGroup m_Group;

    protected override void OnCreateManager(int capacity)
    {
        // GetComponentGroup should always be cached from OnCreateManager, never from OnUpdate
        // - ComponentGroup allocates GC memory
        // - Relatively expensive to create
        // - Component type dependencies of systems need to be declared during OnCreateManager,
        //   in order to allow automatic ordering of systems
        m_Group = GetComponentGroup(typeof(Position), typeof(Rigidbody), typeof(SharedGrouping));
    }

    protected override void OnUpdate()
    {
        // Only iterate over entities that have the SharedGrouping data set to 1
        // (This could for example be used as a form of gamecode LOD)
        m_Group.SetFilter(new SharedGrouping { Group = 1 });
        
        var positions = m_Group.GetComponentDataArray<Position>();
        var rigidbodies = m_Group.GetComponentArray<Rigidbody>();

        for (int i = 0; i != positions.Length; i++)
            rigidbodies[i].position = positions[i].Value;
            
        // NOTE: GetAllUniqueSharedComponentDatas can be used to find all unique shared components 
        //       that are added to entities. 
        // EntityManager.GetAllUniqueSharedComponentDatas(List<T> shared);
    }
}

struct SharedGrouping : ISharedComponentData

{

public int Group;

}

class PositionToRigidbodySystem : ComponentSystem

{

ComponentGroup m_Group;

protected override void OnCreateManager(int capacity)

{

// GetComponentGroup should always be cached from OnCreateManager, never from OnUpdate

// - ComponentGroup allocates GC memory

// - Relatively expensive to create

// - Component type dependencies of systems need to be declared during OnCreateManager,

// in order to allow automatic ordering of systems

m_Group = GetComponentGroup(typeof(Position), typeof(Rigidbody), typeof(SharedGrouping));

}

protected override void OnUpdate()

{

// Only iterate over entities that have the SharedGrouping data set to 1

// (This could for example be used as a form of gamecode LOD)

m_Group.SetFilter(new SharedGrouping { Group = 1 });

var positions = m_Group.GetComponentDataArray<Position>();

var rigidbodies = m_Group.GetComponentArray<Rigidbody>();

for (int i = 0; i != positions.Length; i++)

rigidbodies[i].position = positions[i].Value;

// NOTE: GetAllUniqueSharedComponentDatas can be used to find all unique shared components

// that are added to entities.

// EntityManager.GetAllUniqueSharedComponentDatas(List<T> shared);

}

Job

一般System里更新Entity的数据都是Job的方式，就是一个多线程的任务，方便CPU调度。

native方式，所以非托管的方式就跟写C++一样了，比如Job里想要一个定长int数组：

Malloc一下，最后要Free掉

int* _array= (int*)UnsafeUtility.Malloc(100 * sizeof(int), sizeof(int), Allocator.Temp);
......
......
UnsafeUtility.Free(_array, Allocator.Temp);
_array= null;

int* _array= (int*)UnsafeUtility.Malloc(100 * sizeof(int), sizeof(int), Allocator.Temp);

......

UnsafeUtility.Free(_array, Allocator.Temp);

_array= null;

所以一个ECS的基本逻辑是：

Start(){
    创建Entity
    System找到感兴趣的Entity
}

Update(){
    System开Job更新Entity的数据
}

Start(){

创建Entity

System找到感兴趣的Entity

}

Update(){

System开Job更新Entity的数据

}

两个有意思的ECS示例项目

Voxelman，跳舞的体素小人
首先已经有了两个骨骼运动的小人，小人的模型会运行时烘焙成meshcollider
System首先设置好Voxel，然后RayCast那个小人的collider获得Voxel的位置，最后更新Voxel的位置，渲染。

uSpringBones，飘带物理运算的ECS版本。
这个就没有ComponentSystem，全是Monobehavior开Job更新，Component主要用于更新Transform位置。

参考资料

[Smart City] on Data Sources | 智慧城市的数据源, 道路的数据是大翔抓取的，在这篇文章中他描述了获取方法

OSMTrafficSim，笔者项目的Github
官方ECS介绍，Github上这个比官网的全一些
Voxelman ,有意思的ECS项目
uSpringBones,有意思的ECS项目
All of the Unity ECS Job System gotchas so far 很多ECS的小tips

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码工图形

Unity ECS and Traffic Simulation | UnityECS架构与交通模拟

Unity ECS

ECS的一些基本概念

World

ComponentSystem

Entity, EntityManager

IComponentData

ComponentGroup, Inject, SubtractiveComponent

Job

两个有意思的ECS示例项目

参考资料

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Unity ECS

ECS的一些基本概念

World

ComponentSystem

Entity, EntityManager

IComponentData

ComponentGroup, Inject, SubtractiveComponent

Job

两个有意思的ECS示例项目

参考资料

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