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KorStrix / Unity_Study_ECS

유니티 ECS 공부 목적용 저장소입니다.

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개요

유니티 ECS & Job System 공부 목적용 저장소입니다.

ECS & C# Job System & Burst Compiler?

  • ECS(엔티티 컴포넌트 시스템) : ECS는 실제 해결해야 하는 문제, 즉 게임을 구성하는 데이터와 동작을 집중적으로 다루는 코드 작성 방식입니다. ECS를 사용하면 디자인 측면에서 더 나은 방식의 게임 프로그래밍이 가능할 뿐 아니라, Unity의 C# 잡 시스템과 버스트 컴파일러를 더욱 효과적으로 이용하여 최첨단 멀티코어 프로세서의 기능을 빠짐없이 활용할 수 있습니다. Unity는 ECS를 통해 오브젝트 중심의 디자인에서 데이터 중심의 디자인으로 이동하고자 합니다. 이러한 변화를 통해 사용자 간에 코드를 이해하고 작성에 참여하거나 코드를 재사용하기가 더욱 수월해질 것입니다.

  • C# Joyb System(멀티 스레딩 활용 API) : 새로운 C# 잡 시스템은 간편하면서도 안전한 방식으로 멀티코어를 활용합니다. C# 스크립트를 활용하여 사용자가 빠르게 잡 코드를 작성할 수 있으므로 간편하며, 경합 조건과 같은 멀티스레딩의 일부 위험을 방지하므로 더욱 안전합니다.

  • Burst Compiler(고도의 최적화 컴파일러) : 새로운 LLVM 기반의 연산 인식 백엔드 컴파일러 기술을 통해 C# 작업을 처리하고 고도로 최적화된 코드를 작성할 수 있습니다. 또한 ECS 기반의 코드라면 코드 수정을 크게 하지 않고 쉽게 적용할 수 있습니다.

    • C# 코드를 최적화된 Native 코드로 변경
    • IL2CPP와 비슷한 개념

  • ECS & JobSystem & Burst Compolier 퍼포먼스

    • 오브젝트를 만개 단위로 뿌려 FPS 30까지 얼마나 많은 오브젝트를 동시 실행할 수 있는지
작동 방식 오브젝트 개수 유튜브 영상 링크
Classic 18500개 링크
Classic & Job System 25000개 링크
ECS & Job System 96000개 링크
ECS & Job System & Burst Compolier 156000개 링크

ECS 개발 세팅

  • Unity 2018.01 버젼 이상 설치

  • Unity - PlayerSetting - API Compatibility Level - .net 3.x -> .net 4.x로 변경

  • Unity 2018버젼부터 생긴 Package Manager - ECS 설치

  • Job System, Burst Compiler, IncrementalCompiler 설치

    • Job System, Burst Compolier의 경우 ECS & Job System에서 사용하기 때문에 설치하며,
    • IncrementalCompiler의 경우 ECS 코드에서 간혹 C# 7.0의 문법을 사용할 때 에러가 많은데, 이 Package가 해결해줍니다.

  • Visual Studio 최신으로 설치 ( VS 버젼이 오래되었을 경우 Unity 컴파일러와 VS 컴파일러가 따로 구동되어 VS에서 ECS 관련 스크립트 작성 불가 )

  • 추천 개발 세팅 비디오

ECS 장단점

장점

  • 데이터 지향 개발을 사용하기 때문에, CPU 캐쉬메모리와 멀티 쓰레딩에 친화적. ( 성능 UP )
  • 개발이 진행됨에 따라 생기는 예기치 못한 기능 추가 및 변경에 대해 보다 빠르게 대처할 수 있음.
  • 코드의 상호 의존성이 없어 코드를 재사용하기 용이.
  • 위와 마찬가지로 상호 의존성이 없어, 전체적으로 코드가 짧아져 코드 분석 및 유지보수가 용이.

사진 출처 유니티 테크니컬 에반젤리스트 Mike Geig 트윗 : https://twitter.com/mikegeig/status/951260836538003458

단점

  • 기존 객체 지향 개발 방식 (OOP Object Oriented Develop) 을 버리고 새로운 설계방식 (DOP(Data Oriented Develop) - 데이터 지향 개발) 을 사용해야 하기 때문에, 학습 및 개발 비용이 생김.

  • 나온지 얼마 안된 기능으로, Research & Develop하기가 힘듦.

  • Physics관련 기능을 ECS로 사용할 수 없음.

  • 디버깅 관련

    • VS 디버그 - 중단점 기능을 지원하지 않음. ( 시도 시 VS 멈춤 & 유니티 응답 없음 )
    • Classic처럼 게임을 중단하여 렌더링 된 오브젝트를 클릭 시 오브젝트를 선택할 수 없다. ( Entity Debug - Entity를 선택해야 한다. )
    • Job System을 사용할 경우 멀티 스레딩 방식이기에 디버깅하기가 더 힘듦.

결론

  • 장단점은 결국 OOP와 DOP의 차이점이다.
  • 모든 스크립트를 ECS 기반으로 설계하는 것은 비효율적.
    • 대규모 오브젝트(성능을 요하는) 혹은 UI(재사용을 요하는)부분에만 ECS로 구현하는것이 좋음.
    • 절차위주나 그 외 OCP(Open Close Principle, OOP - 개방 폐쇄의 원칙) 을 적용하기 용이한 경우 - 구체적으로 게임 규칙의 경우 기존의 MonoBehaviour & Scriptable Object 방식으로 구현하는 것이 좋음.

ECS

문법

ComponentData

  • 컴포넌트 데이터는 변수만 들고있는 데이터 단위입니다.
  • 권장 명명 규칙은 ~Component 입니다.
    • Ex) MoveComponent, PositionComponent, RotationComponent 등
// Pure ECS
[System.Serializable]
public struct ComponentData : IComponentData
{
    public float fValue;
    public int iValue;
}

// Hybrid  ECS
public class ComponentData : MonoBehaviour
{
  public float fValue;
  public int iValue;
}

Entity

  • 컴포넌트 데이터를 가지고 있는 오브젝트입니다.
    • 다수의 컴포넌트 데이터를 가질 수 있습니다.
  • [Hybrid 기준] Unity에서 GameObject에 기본적으로 제공되는 GameObjectEntity를 GameObject에 Attach하여야 ECS가 정상 동작합니다.

System

  • ComponentData를 다루는 Manager격의 오브젝트입니다.
  • System의 호출 순서는 Attribute를 통해 언제든지 변경할 수 있습니다.
  • 권장 명명 규칙은 ~System 입니다.
    • Ex) MoveSystem, PositionSystem, RotationSystem 등

World

  • ECS의 System을 다루는 프로그램에서 한개밖에 없는 오브젝트입니다.
  • 프로그램을 시작하면 Default World가 자동으로 생성됩니다.
  • 만약에 특정 System을 얻고싶으면 World를 통해 얻을 수 있습니다.

Filter & Data

  • System 내부 Struct를 말하며, 말 그대로 선언한 타입으로 Entity를 걸러냅니다.
  • GetEntities를 통해 Entity를 얻는 경우 Filter, [Inject]를 통해 상시 얻는 경우 Data라 명명하기도 합니다.
    • Infallible Code - ECS Tutorial 비디오 내 코드 중
  • 권장 명명 규칙은 Filter, 혹은 Data 입니다.

Bootstrap

  • ECS만으로는 Public 변수를 Inspector에 노출하여 사용자의 요구사항에 맞춰 설정할 수 없습니다.
  • 그래서 이 역할을 하는 Monobehaviour 기반의 단순히 변수만을 들고있다가 ECS에 설정하는 스크립트를 Bootstrap이라 합니다.
    • 권장 명명 규칙은 ~Bootstrap 입니다.
    • Ex) TimeScaleBootstrap

Convention Over Configuration

  • Filter 역할을 하는 Struct에 Array와 readonly int형 Length를 선언하면, Unity가 리플렉션을 통해 그에 맞는 길이를 변수에 넣습니다. int형 lengt 같이 유사하게 선언할 경우 작동하지 않습니다.
  • 또한 선언한 ComponentArray 타입별로 논리연산 And 조건을 체크하여 Inject Attribute를 선언할 경우 자동으로 할당합니다.
    • 동적으로 Create, Destroy Entity를 할 경우에도 갱신됩니다.
private struct Filter
{
  public int Length; // 이 필드는 자동으로 할당됩니다. - 옛날 버젼
  public readonly int Length; // 이 필드는 자동으로 할당됩니다. - 최신 버젼
  public ComponentArray<SomthingComponent> SomthingComponents
}
  • Component Array를 2가지 이상 선언한 경우, 2가지가 모두 들어있는 것만 필터링됩니다.
// A 혹은 B만 있는 경우 Filter에 포함이 안됩니다.
private struct Filter
{
    public readonly int Length; // A와 B 두개 다 들어있는 엔티티의 개수가 할당
    public ComponentArray<SomthingComponent_A> SomthingComponents_A;
    public ComponentArray<SomthingComponent_B> SomthingComponents_B;
}

ECS 예시

Pure ECS

Hybrid ECS

using System.Collections;
using System.Collections.Generic;
using Unity.Entities;
using UnityEngine;

public class Rotater : MonoBehaviour
{
    public float fSpeed;
}

class RotaterSystem : ComponentSystem
{
    struct Components
    {
        public Rotater rotater;
        public Transform transform;
    }

    protected override void OnUpdate()
    {
        float fDeltaTime = Time.deltaTime;
        foreach (var e in GetEntities<Components>())
        {
            e.transform.Rotate(0f, e.rotater.fSpeed * fDeltaTime, 0f);
        }
    }
}

Class & Interface

EntityArray

  • Filter에 추가할 경우, 조건을 만족시킨 Entity를 Array에 할당합니다.
private struct Filter
{
    public readonly int Length; // A가 있는 엔티티 개수만 할당
    public EntityArray Entities; // A가 있는 엔티티 Instsance를 할당
    public SubtractiveComponent<SomthingComponent_A> SomthingComponent;
}

SubtractiveComponent

  • Filter에 추가할 경우, 이 ComponentData가 있는 엔티티를 할당하지 않습니다.
private struct Filter
{
    public readonly int Length; // A가 있으면서 B는 없는 엔티티의 개수만 할당
    public ComponentArray<SomthingComponent_A> SomthingComponent_A;
    public SubtractiveComponent<SomthingComponent_B> SomthingComponent_B;
}

Job System

Job System은 유니티에서 제공하는 멀티 스레딩 API입니다. 반드시 ECS를 써야 JobSystem을 쓰는게 아니지만, ECS의 구조면 Job System API를 사용하기 편합니다.

JobComponentSystem

ECS의 System에서 Job System을 사용하고 싶으면 이 클래스를 상속받아야 합니다.

IJobParallelFor

public void Excute(int index);
  • 반복문을 사용할 때 사용하는 Job입니다.

EntityCommandBuffer.Concurrent

  • Job이 동작하는 중에 ( 멀티 스레드 환경에서 ) Add, Delete, Modify을 Thread-Safe하게 사용할 수 있는 버퍼(Queue)입니다.

BarrierSystem

  • 다른 스레드에서 메인 스레드로 요청하는 메시지 큐를 생성하는 시스템입니다.
    • Create / Destroy Entity, Add / Set / Remove Component Data 등을 요청합니다.

Burst Compiler

Burst Compiler를 사용하려면 Unity.Matmathics 네임스페이스에 있는 함수만 사용 해야 하며, 참조타입이 아닌 값형의 데이터만 처리 가능합니다.

도움이 되는 링크

Github

비디오를 시청 후 번호 순서대로 보시는 것을 추천합니다.

1. Unity Tehcnologies / EntitiyComponentSystemSamples

2. stella3d / job - system - cookbook

3. KptEmreU / Roll - A - Ball - ECS - style

Youtube Video

번호 순서대로 보시는 것을 추천합니다.

1. Unity / Overview - Intro To The Entity Component System And C# Job System 1/5

2. Brackeys / New way of CODING in Unity! ECS Tutorial

3. Infallible Code / Unity ECS Tutorial • Introduction

  • 유니티 및 개발 전문 방송 Infallible Code에서 설명하는 ECS 튜토리얼 입니다.
  • 10여분 정도 길이의 비디오가 총 7편으로, Hybrid ~ Pure ECS, Job System까지 슈팅게임 제작 기준으로 설명합니다.

그 외 링크

[Unity ECS] All of the Unity’s ECS + Job system gotchas (so far)

Burst User Guide

About

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