ECS由淺入深第四節：ECS 與 Unity 傳統開發模式的結合？混合架構的藝術

ECS由淺入深第一節
ECS由淺入深第二節
ECS由淺入深第三節
ECS由淺入深第四節
ECS由淺入深第五節
盡管 ECS 帶來了顯著的性能和架構優勢，但在實際的 Unity 項目中，完全摒棄 GameObject 和 MonoBehaviour 往往是不現實的。Unity 引擎本身的大部分功能，如 UI、動畫系統、粒子系統、物理引擎（非 DOTS 物理）、光照烘焙、場景管理，乃至編輯器擴展，都深度依賴于 GameObject。

因此，一種混合架構（Hybrid Architecture）成為了在 Unity 中應用 ECS 的常見且高效的策略。這意味著我們將 ECS 作為核心的邏輯層，處理大量實體的計算和數據管理，而 GameObject 則作為表現層或橋接層，負責渲染、動畫播放、與 Unity 現有系統的交互，以及那些不適合純 ECS 處理的特定任務。

何時需要混合模式？

混合模式并非妥協，而是一種策略性的選擇。以下情況通常會促使你考慮采用混合架構：

UI 系統： Unity 的 UGUI 或 UI Toolkit 都是基于 GameObject 和 MonoBehaviour 構建的。將 ECS 數據直接映射到 UI 上通常比用 ECS 重建 UI 系統更高效。
復雜動畫： Mecanim 動畫系統功能強大且成熟，處理角色動畫、動畫融合等非常方便。如果完全用 ECS 實現一套動畫系統，成本極高。
粒子系統： Unity 的粒子系統也是 GameObject 組件。對于大量復雜的粒子效果，直接使用原生粒子系統更優。
第三方插件集成： 大多數 Unity 插件都是為 GameObject 設計的。混合模式可以讓你繼續利用這些寶貴的資源。
物理引擎： 如果你使用的是 Unity 內置的 Rigidbody 和 Collider，而不是 Unity DOTS 的 Unity Physics，那么你的物理模擬仍然依賴 GameObject。
美術工作流： 美術師通常習慣在 Unity 編輯器中拖拽 GameObject、調整組件屬性來搭建場景和角色。純 ECS 可能會打斷他們的工作流。
迭代速度： 對于某些原型開發或快速迭代的模塊，傳統模式可能更快。

數據同步與轉換：邏輯層與表現層的橋梁

混合架構的核心挑戰在于如何高效地在 ECS 邏輯層和 GameObject 表現層之間同步數據。這通常涉及到“讀”和“寫”兩個方向：

1. 將 ECS 數據反映到 `GameObject` (ECS -> GameObject)

這是最常見的同步方向，即讓 ECS 的計算結果驅動 GameObject 的表現。

實現方式：

MonoBehaviour 作為數據觀察者： 在你的 GameObject 上掛載一個 MonoBehaviour 腳本，它持有其對應 ECS Entity 的 ID。在 Update 方法中，該 MonoBehaviour 可以從 EntityManager 中查詢并讀取其 Entity 的 Component 數據（例如 Position、Rotation 等），然后更新 GameObject 的 Transform 或其他組件。

// 假設這是掛載在 GameObject 上的 MonoBehaviour
public class EntityView : MonoBehaviour
{public Entity entityId; // 對應 ECS 中的 Entity ID// 在 Awake 或 Start 中初始化 entityId// 例如：當一個 ECS Entity 被創建時，也創建一個 GameObject 并綁定這個 Viewvoid LateUpdate() // 通常在所有 ECS System 運行之后更新表現{if (entityId.Id == 0) return; // 確保 Entity 已設置// 獲取 ECS 的 EntityManager 實例 (需要全局可訪問或通過引用傳遞)EntityManager entityManager = GetMyEntityManagerInstance(); // 偽代碼，實際需要一個獲取方式// 獲取 Entity 的位置和旋轉組件Position pos = entityManager.GetComponent<Position>(entityId);Rotation rot = entityManager.GetComponent<Rotation>(entityId); // 假設有 Rotation Component// 將 ECS 的數據同步到 GameObject 的 Transformtransform.position = new Vector3(pos.X, pos.Y, 0); // 假設是2D// transform.rotation = Quaternion.Euler(0, 0, rot.Z); // 假設是2D旋轉}// 當對應的 ECS Entity 被銷毀時，銷毀 GameObjectpublic void OnEntityDestroyed(){Destroy(gameObject);}
}// 在某個 System 中創建 GameObject 并綁定 EntityView
public class EntitySpawnSystem : ISystem
{public GameObject prefab; // 從編輯器中拖拽過來的 Prefabpublic void OnCreate(EntityManager em) { }public void OnDestroy(EntityManager em) { }public void OnUpdate(EntityManager em){// 假設我們有一個 Component 標記需要生成 View// (這里只是一個簡單演示，實際創建流程可能更復雜)// 每次 Update 都會執行，所以需要確保只創建一次或有條件觸發// 例如，可以有一個 IsInitializedComponent 來避免重復創建if (em.GetComponent<TestComponent>(new Entity { Id = 0 }).isSpawned) return; // 偽代碼Entity playerEntity = em.CreateEntity();em.AddComponent(playerEntity, new Position { X = 0, Y = 0 });em.AddComponent(playerEntity, new Velocity { VX = 0.1f, VY = 0.05f });// 創建對應的 GameObject 實例GameObject go = GameObject.Instantiate(prefab);EntityView view = go.GetComponent<EntityView>();if (view != null){view.entityId = playerEntity; // 綁定 ECS Entity ID}Console.WriteLine($"Spawned GameObject for Entity {playerEntity}");em.AddComponent(new Entity { Id = 0 }, new TestComponent { isSpawned = true }); // 標記已創建，防止重復}
}

集中式同步系統： 可以有一個專門的 MonoBehaviour (例如 ECSBridgeManager)，它在 Update 或 LateUpdate 中遍歷所有需要同步的 ECS Entity，然后更新它們對應的 GameObject。這種方式可以更集中地管理同步邏輯。

2. 將 `GameObject` 數據發送到 ECS (GameObject -> ECS)

這主要用于用戶輸入、碰撞檢測、UI 交互等需要從 Unity 現有系統獲取數據并反饋給 ECS 邏輯的場景。

實現方式：

MonoBehaviour 作為數據生產者： MonoBehaviour 接收來自 Unity 的事件（如 OnTriggerEnter、OnMouseDown），然后將這些信息轉換為 ECS 中的事件 Component 或直接修改 ECS 中的數據。

// 掛載在可被點擊的 GameObject 上的 MonoBehaviour
public class ClickableEntityProxy : MonoBehaviour
{public Entity entityId; // 對應的 ECS Entity IDvoid OnMouseDown() // Unity 的鼠標點擊事件{if (entityId.Id == 0) return;// 獲取 ECS 的 EntityManager 實例EntityManager entityManager = GetMyEntityManagerInstance();// 給對應的 ECS Entity 添加一個“點擊事件”Component// 這是一個一次性事件 ComponententityManager.AddComponent(entityId, new ClickEvent { ClickerEntity = new Entity { Id = 999 } }); // 假設 999 是玩家 Entity IDConsole.WriteLine($"GameObject clicked, sending ClickEvent to Entity {entityId}");}
}// 在 ECS 中有一個 System 來處理 ClickEvent
public class ClickReactionSystem : ISystem
{public void OnCreate(EntityManager em) { }public void OnDestroy(EntityManager em) { }public void OnUpdate(EntityManager em){Console.WriteLine("--- Running ClickReactionSystem ---");foreach (var (entity, clickEvent) in em.ForEach<ClickEvent>()){Console.WriteLine($"  Entity {entity} received click from {clickEvent.ClickerEntity}.");// 可以在這里改變 Entity 的狀態，例如讓它播放動畫、觸發效果等// 例如：em.AddComponent(entity, new PlayAnimationComponent { AnimationName = "Clicked" });em.RemoveComponent<ClickEvent>(entity); // 處理完后移除事件}}
}

物理碰撞處理：
- 碰撞代理 Component： 在 MonoBehaviour 的 OnTriggerEnter/OnCollisionEnter 中，獲取碰撞到的 GameObject 的 EntityView（如果它也有對應的 Entity），然后為兩個 Entity 創建一個 CollisionEventComponent，包含碰撞信息（如碰撞到的 Entity ID、接觸點等）。
- ECS 物理系統： 如果你使用的是 Unity DOTS 的物理系統，那么碰撞直接在 ECS 內部處理，不需要這種代理。

“渲染層”與“邏輯層”分離的思考

在混合架構中，最理想的狀態是實現邏輯層和表現層的完全解耦。

邏輯層（ECS）： 包含所有游戲規則、狀態、AI、模擬等核心邏輯。它應該完全獨立于 Unity GameObject 細節，甚至理論上可以脫離 Unity 引擎運行（例如用于服務器）。
表現層（GameObject）： 負責所有視覺、聽覺效果和用戶輸入。它從邏輯層獲取數據并進行渲染，同時將輸入事件傳遞給邏輯層。

設計接口：

可以在邏輯層和表現層之間設計明確的接口或數據協議。例如，邏輯層生成一系列渲染指令或動畫播放請求作為 Component，表現層 System 訂閱這些 Component 并驅動 GameObject 播放動畫或渲染。

性能考量與優化策略

混合架構雖然靈活，但也引入了額外的性能開銷：

數據轉換開銷： 從 ECS 的數據結構轉換到 Vector3、Quaternion 等 Unity 常用類型，或反之，會產生一定的 CPU 開銷。對于每幀更新的大量數據，這可能會成為瓶頸。
同步點： ECS 的核心優勢在于并行化，但 GameObject 的 Transform 等操作通常在主線程進行。這意味著在數據同步時，System 可能需要等待主線程完成操作，形成同步點 (Sync Point)，從而限制了并行度。
GC 壓力： MonoBehaviour 和 GameObject 可能會產生垃圾回收。盡可能減少在 Update 中創建新的對象，使用對象池等技術。

優化策略：

只同步必要數據： 避免同步所有 Component。只同步那些真正影響 GameObject 表現或需要 GameObject 輸入的 Component。
批量同步： 盡量一次性同步一批 Entity 的數據，而不是逐個 Entity 同步。例如，一個 MonoBehaviour System 遍歷所有 EntityView，然后一次性讀取 EntityManager 的數據。
延遲同步 (LateUpdate)： 將 ECS -> GameObject 的同步放在 LateUpdate 中執行，確保所有 ECS System 都在該幀完成邏輯計算。
按需同步： 僅當數據發生變化時才進行同步，而不是每幀都同步。這可能需要額外的 DirtyComponent 或事件機制來標記變化。
避免在 Job 中直接操作 GameObject： 任何對 GameObject 或 MonoBehaviour 的操作都必須在主線程進行。如果需要在 Job 中處理數據并最終影響 GameObject，Job 應該將結果寫入 NativeContainer，然后在主線程的 System 或 MonoBehaviour 中讀取 NativeContainer 并更新 GameObject。

示例場景：角色動畫與 ECS 移動

ECS 負責： 角色位置、速度、狀態（奔跑、攻擊、受傷等）的計算。
GameObject 負責： 角色模型的渲染、Mecanim 動畫的播放。

ECS 邏輯：
- PlayerInputSystem：接收鍵盤輸入，生成 MovementInputComponent。
- MovementSystem：根據 MovementInputComponent 更新 Position 和 Velocity，并根據速度判斷是否處于“奔跑”狀態，更新 IsRunningComponent。
- AttackSystem：檢測攻擊輸入，添加 AttackEventComponent，并在攻擊命中時添加 DamageEventComponent。
GameObject 表現：
- CharacterAnimatorController (MonoBehaviour)：掛載在角色 GameObject 上，持有對應 Entity 的 ID。
- 在 LateUpdate 中，CharacterAnimatorController 讀取其 Entity 的 IsRunningComponent，并設置 Animator 的 IsRunning 參數。
- 當 AttackEventComponent 或 DamageEventComponent 出現時，CharacterAnimatorController 可能會訂閱一個事件（或者通過一個 PlayAnimationCommandComponent），然后調用 Animator 的 Play() 方法。
- TransformSync (MonoBehaviour)：讀取 Position 和 Rotation Component 來更新 GameObject 的 Transform。