Rust 语言为何在游戏引擎领域崛起？Bevy 原生 ECS 架构解析

xinxi1368 · 发表于 2024-10-4 22:26:20

为什么选择 Bevy 和 Rust？当然，因为Rust很受欢迎，所以我想尝试一下并学习Rust。

目前看来，Rust 使用最多的领域是数据库/区块链/跨端部署应用，这些都是传统 C++ 追求性能和多平台的领域。然而，Rust大多出现在较新的应用场景中，比如区块链。一个典型的例子。

游戏引擎主要基于C++，需要跨端部署。这是 Rust 可能进入的领域。目前（2022-7）Rust 上最著名的游戏引擎是 Bevy，一个原生 ECS 架构的游戏引擎，听起来相当新奇。众所周知，目前流行的UE、Unity等游戏引擎大多都是OOP，从一开始就没有使用Data-和ECS的方式。他们有一些历史包袱，但他们也添加了 ECS 模式。当你开始使用 Rust 时，你会发现 Rust 语言更喜欢组合而不是继承，因此 ECS 是天然的选择。

当然，现在用 Rust 写游戏的人并不多。我最喜欢的一项是（）。 Rust 上著名的渲染器是 .

代码位于：

可用于在线体验：建议使用桌面访问。

游戏截图

1. 游戏基本逻辑

该游戏的灵感来自休闲 io 游戏变体，并且是 3D 的。 io游戏也更适合ECS，可能有很多更新逻辑。

游戏玩法也非常简单。你控制一个恶棍四处游荡并同化附近的路人。获得最多路人的胜利。玩家和每个敌人都被视为一个阵营。

角色可以分为两种类型

Pawn结束的条件是同一个阵营只剩下一个，并且距离另一个阵营很近。

路人有两种状态：

从未同化到同化，是根据一定范围内路人最多的阵营来判断的。

1.1 对象建模

因此，可以通过这种方式对对象进行建模，类似于UE中Actor-Pawn-的层次划分，只不过是通过组合来实现的。

<pre class="code-snippet__js" data-lang="properties"> <code>#[derive(Component)]</code><code>struct Actor {</code><code> faction: i32,</code><code> velocity: Vec3,</code><code> accleration: Vec3,</code><code>}</code><code>#[derive(Component)]</code><code>struct Pawn;</code><code>#[derive(Component)]</code><code>struct PlayerController;</code><code>#[derive(Component)]</code><code>struct OpponentController;</code></pre>
<pre style="text-align: left;"> <code data-wrap="false">如果一个Entity有Actor但没有Pawn就是路人。
反之就是敌人或者玩家。敌人和玩家运动的方式不一样，
分别挂了OpponentConntroller和PlayerController组件。
</code></pre>
如果Actor保存在这里，则表示其阵营，-1表示未同化状态。

还要注意的是和，因为使用“力”的概念来更新运动似乎与视觉表示更一致。

1.2 设计

总共有8个

有一些行为相当于力量，根据参与者之间的关系更新参与者和底层逻辑。

有些行为是直接更新的，

一些动作传递并更新演员位置

更复杂的是，它涉及到空间查询。这里用到这个库，就用了一个。

伪代码类似：

<pre class="code-snippet__js" data-lang="cs"> <code>foreach actor in all actors:</code><code> neighbor_actors <- find_neighbor_within_radii</code><code> foreach neighbor in neighbor_actors:</code><code> neighbor_faction++</code><code> sort neighbor_faction</code><code>foreach actor in all actors:</code><code> set faction by neighbor max faction</code></pre>
至于为什么需要两个循环才能解决问题，而不是一个循环？

<pre> <code data-wrap="false"> 
</code></pre>
因为查询对象只能同时被一个作用域访问，所以空间查询时肯定会访问第一个循环，所以所有遍历到的actor只能设为只读。也是rust特殊的语法设计。

2. 贝维的使用

官方文件总比没有好。基本用法参考官方案例和一份非官方文档《Bevy Cheat Book》就比较清楚了。

2.1 输入

与Unity ECS不同的是，Bevy有更多的输入，比如这个例子

<pre class="code-snippet__js" data-lang="javascript"> <code>fn replay_button_system(</code><code> mut interaction_query: Query<</code><code> (&Interaction, &mut UiColor, &Children),</code><code> (Changed<Interaction>, With<Button>),</code><code> >,</code><code> mut state: ResMut<State<GameState>>,</code><code>) {</code><code> for (interaction, mut color, _) in interaction_query.iter_mut() {</code><code> match *interaction {</code><code> Interaction::Clicked => {</code><code> state.set(GameState::Playing).unwrap();</code><code> *color = PRESSED_BUTTON.into();</code><code> }</code><code> Interaction::Hovered => {</code><code> *color = HOVERED_BUTTON.into();</code><code> }</code><code> Interaction::None => {</code><code> *color = NORMAL_BUTTON.into();</code><code> }</code><code> }</code><code> }</code><code>}</code></pre>
这是一个 UI 按钮。在输入中

所以实际上所有的UI都可以使用ECS来编写。

2.2 互斥查询

需要注意的一点是查询需要互斥，比如Issue #2198·/bevy()

下面的例子会报错或者进入

<pre class="code-snippet__js" data-lang="properties"> <code>fn ai_system(</code><code> monster_query: Query<(&Monster, &Transform)>,</code><code> mut hunter_query: Query<(&Hunter, &mut Speed, &Transform, &AI)>,</code><code>) {}</code></pre>
<pre> <code data-wrap="false"> 
</code></pre>
因为可能有一个查询同时满足上述两个查询

需要改为

<pre class="code-snippet__js" data-lang="properties"> <code>fn ai_system(</code><code> mut monster_query: Query<(&Monster, &mut Speed, &Transform), Without<Hunter>>,</code><code> mut hunter_query: Query<(&Hunter, &mut Speed, &Transform, &AI), Without<Monster>>,</code><code>) {}</code></pre>
2.3 获取通过

需要注意的一点是，唯一的获取方式是通过查询，这是目前bevy0.7的一个奇怪的事情。

需要 let comp = query.get()

不。（）

以上两点，再加上rust规定同一个东西只能同时使用一次，就出现了上面的问题，需要两个循环才能解决。

2.4 缺少渲染

Bevy 0.6进行了重构，可以支持大量光源。

但现在Bevy还欠缺很多：

这是什么样的 PBR？这有什么必要呢？

2.5 无编辑器

不用编辑器只写游戏逻辑还可以，但是拼UI就有点痛苦了。

如果你能快速热更新，你仍然可以不用编辑器来拼凑 UI。 Bevy没有编辑器，编译速度很慢。构建UI确实很痛苦。

如果它可以被认为是一个编辑器，那么它实际上更像是一个运行时状态查看器，而不是一个编辑器。

例如，当前的 UI 代码非常冗长。

<pre class="code-snippet__js" data-lang="php"> <code>commands</code><code>.spawn_bundle(NodeBundle {</code><code> style: Style {</code><code> margin: Rect::all(Val::Auto),</code><code> flex_direction: FlexDirection::ColumnReverse,</code><code> align_items: AlignItems::Center,</code><code> ..default()</code><code> },</code><code> color: UiColor(Color::rgba(0.0, 0.0, 0.0, 0.0)),</code><code> ..default()</code><code>})</code><code>.with_children(|parent| {</code><code> if ordered_fac_to_count[0].0 == 0 {</code><code> parent.spawn_bundle(TextBundle {</code><code> style: Style {</code><code> margin: Rect::all(Val::Px(20.0)),</code><code> ..default()</code><code> },</code><code> text: Text::with_section(</code><code> "Victory!",</code><code> TextStyle {</code><code> font: asset_server.load("fonts/FiraMono-Medium.ttf"),</code><code> font_size: 40.0,</code><code> color: Color::WHITE,</code><code> },</code><code> TextAlignment {</code><code> horizontal: HorizontalAlign::Center,</code><code> ..default()</code><code> },</code><code> ),</code><code> ..default()</code><code> });</code><code> } else {</code><code> parent.spawn_bundle(TextBundle {</code><code> style: Style {</code><code> margin: Rect::all(Val::Px(20.0)),</code><code> ..default()</code><code> },</code><code> text: Text::with_section(</code><code> "You Lose!",</code><code> TextStyle {</code><code> font: asset_server.load("fonts/FiraMono-Medium.ttf"),</code><code> font_size: 40.0,</code><code> color: Color::WHITE,</code><code> },</code><code> TextAlignment {</code><code> horizontal: HorizontalAlign::Center,</code><code> ..default()</code><code> },</code><code> ),</code><code> ..default()</code><code> });</code><code> }</code><code> for (fac, score) in ordered_fac_to_count {</code><code> parent.spawn_bundle(TextBundle {</code><code> style: Style {</code><code> margin: Rect::all(Val::Px(10.0)),</code><code> ..default()</code><code> },</code><code> text: Text::with_section(</code><code> format!("{0}: {1}\n", naming.names.get(fac as usize).unwrap(), score),</code><code> TextStyle {</code><code> font: asset_server.load("fonts/FiraMono-Medium.ttf"),</code><code> font_size: 20.0,</code><code> color: Color::WHITE,</code><code> },</code><code> TextAlignment {</code><code> horizontal: HorizontalAlign::Center,</code><code> ..default()</code><code> },</code><code> ),</code><code> ..default()</code><code> });</code><code> }</code><code> parent</code><code> .spawn_bundle(ButtonBundle {</code><code> style: Style {</code><code> size: Size::new(Val::Px(200.0), Val::Px(65.0)),</code><code> margin: Rect::all(Val::Px(20.0)),</code><code> justify_content: JustifyContent::Center,</code><code> align_items: AlignItems::Center,</code><code> ..default()</code><code> },</code><code> color: NORMAL_BUTTON.into(),</code><code> ..default()</code><code> })</code><code> .with_children(|parent| {</code><code> parent.spawn_bundle(TextBundle {</code><code> text: Text::with_section(</code><code> "Play Again!",</code><code> TextStyle {</code><code> font: asset_server.load("fonts/FiraMono-Medium.ttf"),</code><code> font_size: 30.0,</code><code> color: Color::WHITE,</code><code> },</code><code> Default::default(),</code><code> ),</code><code> ..default()</code><code> });</code><code> });</code><code>});</code></pre>
<pre> <code data-wrap="false">如果是unity，大概率直接编辑器界面拼ui了，不用写代码，
</code></pre>
如果用jsx来写的话，大概就是这个样子，然后用css来管理样式，显然简单多了。

<pre class="code-snippet__js" data-lang="xml"> <code><div></code><code> {win && <div class="title">Victory!</div></code><code> {!win && <div class="title">You Lost!</div></code><code> {[...Array(6)].map((x, i) =></code><code> <div key={i} class="score"> {name}: {score}</div></code><code> )}</code><code><div></code></pre>
2.6 糟糕的网络支持

Bevy确实可以原生构建为wasm，但是它遇到了几个问题

后者指的是一个问题。具体思路是脱离Bevy，直接使用绑定到某个dom的事件来触发Bevy自己的屏幕。

3..1 速度和性能

如何比较bevy ecs和unity的性能？

作者测量了 200 x 200 x 50 ~ 2 个立方体的场景。

立方体的统一和组合场景

3.1.1 统一

值得吐槽的是，我这次用的Unity 0.51和几年前用的0.1x差别太大了，差点认不出来。

使用内置视图，

统一

3.1.2 群聚

使用内置跟踪，

<pre class="code-snippet__js" data-lang="nginx"> <code>cargo run --release --example many_cubes bevy/trace_chrome</code></pre>
然后使用在线工具进行可视化

群聚

3.1.3 总结

总体而言，在构建环境（Bevy=wgpu、Unity=DX11）下，Bevy的单帧时间比Unity慢十倍；

查询和计算速度几乎慢了一倍。

渲染速度慢十倍。可见Bevy的渲染性能还有很大的提升空间。

贝维

统一

总单帧时间

~400 毫秒

~40 毫秒

立方时间

〜8毫秒

〜3毫秒

更新时间

~12 毫秒

〜8毫秒

渲染时间

没有任何

〜15毫秒

渲染时间

约 350 毫秒

〜6毫秒

同样编译成llvm，unity使用burst配合ECS似乎有更好的性能。同时，由于unity的渲染批次和算法更加先进，所以一般比bevy要快很多。

从性能角度来看，Bevy并没有表现出巨大的优势。

3.2 Wasm 包大小

我们来对比一下打包后的 Wasm 的大小。下面是两个例子：

3.2.1 立方体

Unity直接使用内置的管道，

由于最近集成了unity功能，我们可以关闭很多功能。

只保留UI和渲染；关闭物理、声音、动画、WWW等各种功能。

Unity 被关闭了很多

用于编写一个旋转立方体，如下所示

统一主义

最终的 wasm 大小为 5.15MB，如果使用 gzip 压缩则为 1.85MB。

同样在Bevy中，我们也关闭了物理/声音/动画等功能，只保留UI和渲染所需的模块。

贝维瓦斯姆

最终大小，Wasm大小7.93MB，gzip压缩1.97MB。

可以说两人势均力敌。

3.2.2 许多立方体

为了渲染200万个Cube，Unity必须引入ECS系统。但ECS系统依赖很多模块

所有这些加在一起，Wasm 包体直接跃升至 19.3MB，gzip 压缩后的大小为 6.19MB。

由于原生ECS的优势，Bevy与上面的Cube没有太大区别，只是业务代码多了一些。

最终的 Wasm 大小为 8.19MB，gzip 压缩后为 2.05MB。

从这一点来看，有了ECS，Bevy的包体还是比Unity小了好几倍。

3.2.3 总结

如果你只是简单地写一个游戏，bevy 在包大小方面没有优势。只有在需要ECS的时候，bevy bag的尺寸才有数倍的优势。

然而，即使使用 Unity ECS 的 gzip 压缩，对于当前 Web 应用程序的大多数桌面应用程序来说，6.19MB 应该是可以接受的。只是手机版会比较困难。

所以从包体来看，bevy并没有表现出绝对的优势。

贝维

统一

立方瓦斯姆

7.93MB

5.15MB

立方体 Wasm Gzip

1.97MB

1.85MB

ECS 多立方体 Wasm

8.19MB

19.3MB

ECS 许多立方体 Wasm Gzip

2.05MB

6.19MB

bevy 和 unity wasm 封装尺寸对比

4 使用方便吗？ 4.1 Rust好用吗？

如果你想学习 Rust，使用 bevy 可能不是一个好主意。最好实现一个链表，这样可以更好地理解生命周期和智能指针。例如

Rust 被认为是 C++ 的替代品，但显然精通 C++ 的人不会切换，现有的 C++ 应用程序也不会切换。然而，不会写C++，又想写高性能程序的人，很可能会选择Rust，并将其用在新兴领域，比如笔者。在笔者关心的领域，比如渲染的wgpu和客户端的tauri。这注定生态建设需要很长的时间。

4.2 bevy好用吗？

看来bevy在性能和构建尺寸方面没有优势。那么 bevy 在哪里有用呢？

就 wasm 而言，如果说 bevy 可能有优势的话，很可能就是它可以控制 DOM 元素并在较低级别与它们交互。 Unity在wasm上的应用场景大部分还是单体应用，比如游戏，不需要和js交互。统一定义 wasm 暴露的方法也很困难。因此，一些非游戏的3D网页商业应用可能使用rust/bevy会更方便。

但另一方面，bevy的ecs架构也在一定程度上限制了它的应用范围。如果应用程序中的所有内容都是全局唯一的，为什么我们需要查询来获取并编写逻辑？直接写逻辑不是更简单吗？而且，对于一些复杂的交互应用场景，ECS是否能够控制还有待案例验证。相反，传统的OOP方法更容易表达。因此，使用 Rust 并不一定意味着使用 Bevy。

那么贝维能做什么呢？作者对Rust本身持比较悲观的态度，看来未来几年它很可能仍然是一个玩具。但这真的很有趣。

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