Unity ECS内存分配器原理详解

ECS 为什么会高效，性能好，Entity的内存布局与分配就是非常重要的部分，今天我们一起来分析一下Unity ECS 架构里面如何来做高效的内存分配器。这种思路也可以给我们做内存分配提供很好的一个思路。

1: ECS 里面基本的一些概念

Unity ECS框架里面有几个重要的概念:

Entity, ComponentData, System,Archetype, EntityManager, World；

 对啦！这里有个游戏开发交流小组里面聚集了一帮热爱学习游戏的零基础小白，也有一些正在从事游戏开发的技术大佬，欢迎你来交流学习。

ComponentData:

组件数据,开发的时候，可以把每个功能相关的数据放到ComponentData里面。

Entity:

对象实体，纯数据对象，里面包含了一个个的ComponentData, 每个相关功能使用的数据我们放Entity的ComponentData里面, 如图:

（Entity内存对象布局示意图）

System:

具体算法逻辑的实现，System算法数据基于Entity里面对应处理的ComponentData。游戏引擎每次Update的时候，System都会根据每个Entity里面的它使用的ComponentData, 来更新数据完成计算。

Archetype:

Entity是由多个ComponentData组成的，每种Entity类型都会对应一个Archetype, 里面描述了这个Entity类型以及相关的布局。Archetype由EntityManager创建出来，创建出来后这个类型的Entity的大小，包含的组件数据，内存布局都确定了。

总结一下Unity ECS的使用步骤与逻辑关系:

(4)为ECS World编写System算法，World会调用System算法来迭代每个Entity里的相关ComponentData;

(Unity ECS 架构图)

2: ECS 高效的内存模型与布局

作为架构师，设计框架数据结构由为关键。特别对于游戏开发，要处理迭代成百上千个游戏物体。高效的内存模型与布局如何实现? 首先要明白怎么样布局内存才会高效。内存模型布局高效主要从两个方面来考虑:

1:内存对齐。

CPU访问不同地址的内存数据的时候，如果内存地址基于2^n 数据对齐(n根据CPU而定)，访问最为高效。例如我们以16字节数据对齐，那么对象内存开始排布的时候, 从地址能整除16的内存位置开始排布。高效的内存布局，对象实例内存地址要对齐，对象实例里面的每个数据成员内存地址也要对齐。Entity的内存分配与内存布局, 在创建Entity的时候，ECS系统就会注意Entity的内存对齐，同时也会注ComponentData在Entity里面排布的内存对齐，如果没有对齐，就会空一些出来。比如16字节对齐，一个ComponentData只有14个字节，实际上排布下一个ComponentData的时候是从16字节开始排布的。

3: Entity内存分配器 Chunk的设计

大量的Entity的创建与销毁，大量不同类型的数据对象交叉创建，很容易造成内存碎片。何为内存碎片?给大家举个例子,对象A，对象B(100字节)，对象C连续排布，对象B销毁，内存释放，同时又请求分配对象D(80字节)，系统在原来对象B的地方把一块内存分配给对象D，还剩了一小块内存(20字节)。而这一小块内存，无法分配给当前系统的任何一个对象，这样，这小快内存就再也无法使用了，造成内存碎片，随着系统不断运行，随着更多大量的创建与释放，内存碎片越来越多，分配/释放效率也越来越低。最终让系统越来越慢。解决这种大量创建与销毁，我们一般采用Cache内存池来做。那Unity ECS架构里面内存池是如何设计的呢？接下来我们来分析ECS里面基于Chunk的内存分配器。不同的Archetype,所对应的Entity的内存不一样，系统可能有N中不同的Archetype,而且Archetype是用户根据组件数据组合创建而来。

综上Unity ECS 是这样设计内存分配缓存池:

(1) 基于固定大小的Chunk来做内存缓存池。每个Chunk大小为16KB(引用来自于UnityECS 文档)

(2) 当Archetype 确定后，Entity的内存大小就确定下来，每个Chunk能分配的当前的Entity数目就能确定下来。基于Archetype创建Entity的时候，首先从内存池里面拿一个Chunk, 然后根据每个Chunk可创建Entity数目，从Chunk里面把Entity分配出去，如果chunk分配完毕，从chunk内存缓存池里面再拿一个Chunk。由于基于Archetype创建，这个Archetype的所有Entity内存大小都是一样的，等释放的时候,我们就可以基于Archetype把Entity缓存起来,重复使用之前的Entity。

对于OS而言，ECS框架基于chunk来分配和释放内存，避免了内存碎片(大小都一样)。对于ArcheType而言，又基于特定ArcheType的Entity来做内存缓存，分配和释放都非常高效。

看完Unity ECS的架构设计与内存布局，我们在其他地方做ECS架构设计(游戏服务器)就有了一个很好的参考，设计万变不离其中。