نظام مكونات الكيان

نظام الكيانات والمكونات ( ECS ) هو نمط معماري برمجي . يتكون هذا النظام من كيانات تتألف من مكونات بيانات، بالإضافة إلى أنظمة تعمل على هذه المكونات. ويرتبط هذا النظام بشكل خاص بتطوير ألعاب الفيديو لتمثيل عناصر عالم اللعبة.

يُعطي نظام ECS الأولوية للتكوين على حساب الوراثة . لا يُعرَّف كل كيان بتسلسل هرمي للأنواع، بل بالمكونات المرتبطة به. تعمل الأنظمة بشكل شامل على جميع الكيانات التي تحتوي على المكونات المطلوبة. على سبيل المثال، قد يقوم نظام غذائي بتكرار العملية على كل كيان يحتوي على مكون ذي صلة لتتبع الجوع، ويتخذ إجراءً عليه لدفعه قليلاً بعيدًا عن الشبع على فترات زمنية محددة. أما الكيانات التي تفتقر إلى المكون، مثل التضاريس أو العناصر، فسيتم تجاهلها بشكل طبيعي من قِبل النظام الغذائي.

نظراً لوجود غموض في اللغة الإنجليزية، يُفسَّر اسم ECS بأنه نظام يتألف من كيانات ومكونات. في محاضرة ألقاها سكوت بيلاس في مؤتمر مطوري الألعاب (GDC) عام ٢٠٠٢، ^{[ ١ ] [ ٢ ]} قارن بين نظام كائنات مكتوب بلغة C++ ونظام مكوناته المخصص الجديد. يتوافق هذا مع الاستخدام التقليدي لمصطلحات النظام في هندسة الأنظمة العامة، مع استخدام نظام كائنات Common Lisp ونظام الأنواع كمثالين.

على الرغم من أن نظام التحكم الإلكتروني (ECS) يُستخدم في الغالب في تطوير ألعاب الفيديو ، إلا أنه يمكن أن يكون مفيدًا في مجالات أخرى، ^{[ 3 ]} مثل محاكيات الروبوتات مثل Gazebo. ^{[ 4 ]}

يجمع نظام المكونات والأنظمة (ECS) بين أفكار راسخة ومتكاملة في علوم الحاسوب العامة ونظرية لغات البرمجة . فعلى سبيل المثال، يمكن اعتبار المكونات نمطًا برمجيًا شائعًا في لغات البرمجة المختلفة . وتُعدّ المكونات حالة خاصة ضمن منهجية التفويض العامة وبروتوكول الكائنات الوصفية . أي أنه يمكن التعبير عن أي نظام مكونات وكائنات متكامل باستخدام القوالب ونموذج التعاطف ضمن رؤية معاهدة أورلاندو ^{[ 5 ]} للبرمجة كائنية التوجه .

كيان

يمثل الكيان كائنًا عامًا. في سياق محرك الألعاب، على سبيل المثال، يُمثَّل كل كائن لعبة عام بكيان. عادةً ما يتكون من مُعرِّف فريد فقط. تستخدم التطبيقات عادةً عددًا صحيحًا عاديًا لهذا الغرض. ^{[ 6 ]}

عنصر

يُعرّف المكوّن كيانًا ما بأنه يمتلك جانبًا معينًا، ويحتوي على البيانات اللازمة لنمذجة هذا الجانب. على سبيل المثال، قد يكون لكل كائن لعبة قابل للضرر مكوّن صحة مرتبط به. تستخدم التطبيقات عادةً الهياكل أو الفئات أو المصفوفات الترابطية . ^{[ 6 ]}

نظام

النظام هو عملية تؤثر على جميع الكيانات ذات المكونات المطلوبة. على سبيل المثال، قد يستعلم نظام فيزيائي عن الكيانات التي لها مكونات الكتلة والسرعة والموقع، ويكرر العملية على النتائج، ويجري حسابات فيزيائية لكل كيان باستخدام مجموعة المكونات.

يمكن تغيير سلوك الكيان أثناء التشغيل بواسطة الأنظمة التي تضيف أو تحذف أو تعدل المكونات. هذا يزيل مشاكل الغموض المتعلقة بتسلسلات التوريث العميقة والواسعة التي غالبًا ما توجد في تقنيات البرمجة كائنية التوجه، والتي يصعب فهمها وصيانتها وتوسيعها. تتوافق مناهج ECS الشائعة بشكل كبير مع تقنيات التصميم الموجهة نحو البيانات ، وغالبًا ما تُدمج معها . تُخزن بيانات جميع مثيلات المكون بشكل متجاور في الذاكرة الفعلية، مما يتيح الوصول الفعال إلى الذاكرة للأنظمة التي تعمل على العديد من الكيانات.

في عام 1963، قام إيفان ساذرلاند بتخزين العناصر المرئية للرسم باستخدام شكل مبكر من نظام الإحداثيات (ECS). فبدلاً من تغليف النقاط في كائنات مختلفة (مثل الخطوط والدوائر والمستطيلات)، تم تخزين النقاط في مخزن مؤقت حلقي ، وكانت العناصر المرئية تشير إليها فقط. عند تحريك نقطة، سمح ذلك بتحديث جميع الأشكال والقيود التي تستخدمها. ^{[ 7 ]}

في عام 1998، كانت لعبة Thief: The Dark Project رائدة في مجال ECS. ^{[ 8 ]} تم استخدام المحرك لاحقًا في الجزء الثاني منها، وكذلك في System Shock 2 .

في عام 2002، ألقى سكوت بيلاس من شركة Gas Powered Games ( Dungeon Siege ) محاضرة رائدة حول ECS. ^{[ 1 ]} وقد ألهمت هذه المحاضرة العديد من التطبيقات المعروفة اللاحقة.

في أوائل يناير 2007، شارك ميك ويست، الذي عمل على سلسلة ألعاب توني هوك، تجاربه حول عملية اعتماد نظام ECS في شركة نيفرسوفت. ^{[ 9 ]}

في عام 2007 أيضًا، قام الفريق العامل على لعبة Operation Flashpoint: Dragon Rising بتجربة تصميمات ECS، بما في ذلك تلك المستوحاة من Bilas/ Dungeon Siege ، وكتب آدم مارتن لاحقًا شرحًا مفصلًا لتصميم ECS، ^{[ 10 ]} متضمنًا تعريفات للمصطلحات والمفاهيم الأساسية. ^{[ 11 ]} وعلى وجه الخصوص، ساهم عمل مارتن في نشر أفكار الأنظمة كعنصر أساسي، والكيانات كمعرفات، والمكونات كبيانات أولية، وتخزين الشفرة في الأنظمة، وليس في المكونات أو الكيانات.

في عام 2015، قدمت شركة Apple Inc. إطار عمل GameplayKit ، وهو إطار عمل API لتطوير الألعاب لأنظمة iOS و macOS و tvOS والذي يتضمن تطبيقًا لـ ECS. ^{[ 12 ]}

في أكتوبر 2018 ^{[ 13 ]،} أصدرت شركة Unity عرضها التجريبي للمدينة الضخمة الذي استخدم بنية تقنية مبنية على نظام ECS. يعمل نظام ECS الخاص بشركة Unity على بنية محسّنة قوية تُعرف باسم DOTS، والتي "تمكّن المطورين من توسيع نطاق المعالجة بطريقة عالية الأداء".

يمكن أن يختلف تخطيط البيانات لأنظمة ECS المختلفة وكذلك تعريف المكونات، وكيفية ارتباطها بالكيانات، وكيفية وصول الأنظمة إلى مكونات الكيانات.

الطريقة المعتادة لنقل البيانات بين الأنظمة هي تخزينها في مكونات، ثم يقوم كل نظام بالوصول إلى هذه المكونات بالتتابع. على سبيل المثال، يمكن تحديث موقع كائن ما بانتظام، ثم تستخدمه الأنظمة الأخرى. في حال وجود العديد من الأحداث غير المتكررة، سيتطلب الأمر عددًا كبيرًا من المؤشرات في مكون واحد أو أكثر. وسيتعين على الأنظمة حينها مراقبة هذه المؤشرات في كل دورة، مما قد يؤدي إلى عدم الكفاءة. يتمثل الحل في استخدام نمط المراقب ، حيث تشترك جميع الأنظمة التي تعتمد على حدث ما في هذا النمط. وبالتالي، يتم تنفيذ الإجراء الناتج عن الحدث مرة واحدة فقط عند وقوعه، دون الحاجة إلى الاستقصاء الدوري.

لا تواجه بنية المكونات (ECS) أي مشكلة مع تبعيات المكونات الشائعة في البرمجة كائنية التوجه، لأن المكونات عبارة عن حاويات بيانات بسيطة ولا تعتمد على أي مكونات أخرى. عادةً ما يستعلم كل نظام عن مجموعة المكونات التي يجب أن يمتلكها الكيان لكي يعمل النظام عليه. على سبيل المثال، قد يسجل نظام العرض النموذج والتحويلات ومكونات الرسم. عند تشغيله، ينفذ النظام منطقه على أي كيان يحتوي على جميع هذه المكونات. يتم تجاهل الكيانات الأخرى ببساطة، دون الحاجة إلى أشجار تبعية معقدة. مع ذلك، قد يكون هذا بيئة خصبة لاختباء الأخطاء، لأن نقل القيم من نظام إلى آخر عبر المكونات قد يصعب تصحيحه. يمكن استخدام بنية المكونات (ECS) عندما يلزم ربط البيانات غير المترابطة بفترة زمنية محددة.

يستخدم نظام ECS التركيب بدلاً من أشجار الوراثة . يتكون الكيان عادةً من مُعرّف وقائمة بالمكونات المرتبطة به. يمكن إنشاء أي كائن لعبة بإضافة المكونات المناسبة إلى الكيان. يتيح هذا للمطور إضافة ميزات بسهولة إلى الكيان، دون أي مشاكل في التبعيات. على سبيل المثال، يمكن إضافة مكون رصاصة إلى كيان اللاعب، مما يجعله مؤهلاً للعمل مع نظام معالجة الرصاص ، وبالتالي يمكن أن تُلحق هذه الرصاصة الضرر بالكائنات الأخرى عند اصطدامها بها.

أشاد العديد من مطوري الألعاب، مثل آدم مارتن، بمزايا استخدام نظام تخزين البيانات المحسّن (ECS) لحفظ حالة اللعبة. ومن الأمثلة الجيدة على ذلك مدونات ريتشارد لورد، حيث يناقش فيها مزايا أنظمة تخزين بيانات الألعاب المصممة باستخدام نظام ECS، ويوضح سبب فائدتها الكبيرة. ^{[ 14 ]}

• نموذج-عرض-متحكم
• نمط المراقب
• نمط الاستراتيجية
• النموذج العلائقي

• تشريح الضربة القاضية
• طوّر هيكلك التنظيمي
• ويكي أنظمة الكيانات
• المكونات - أنماط برمجة الألعاب
• تصميم نظام التحكم الإلكتروني في التدفق لتحقيق انعكاس حقيقي للتحكم في التدفق