避免与实体组件系统中与1：N关系相关的缓存未命中

Question

如何避免与实体组件系统（ECS）中的1：N（ pirateship - cannon ）关系相关的缓存丢失？

例如， PirateShip可以拥有1至100门cannons 。 （1：N）
每门cannon都可以在任何时间自由地脱离pirateship 。

由于某些原因 ， PirateShip和Cannon应该是实体。

内存图

在最初的几个步骤中，当逐渐创建ship / cannon时，ECS内存看起来非常漂亮：-

图片说明：

• 左=低地址，右=高地址
• 尽管似乎存在差距，但ShipCom和CannonCom实际上是紧凑的阵列。

从ship访问cannon信息确实非常快，反之亦然（伪代码）：-

Ptr<ShipCom> shipCom=....;
EntityPtr ship =  shipCom;  //implicitly conversion
Array<EntityPtr> cannons = getAllCannonFromShip(ship);
for(auto cannon: cannons){
    Ptr<CannonCom> cannonCom=cannon;
    //cannonCom-> .... 
}

问题

在随后的时间步中，一些ship / cannon被随机创建/销毁。
结果， Entity ， ShipCom和CannonCom阵列周围存在间隙散射。
当我想分配它们时，我将从池中获得一个随机的内存块。

EntityPtr ship = .....  (an old existing ship)
EntityPtr cannon = createNewEntity(); 
Ptr<CannonCom> cannonCom= createNew<CannonCom>(cannon);
attach_Pirate_Cannon(ship,cannon);    
//^ ship entity and cannon tend to have very different (far-away) address 

因此，上面的“真正快速”的代码变成了瓶颈。 （我分析了。）

（编辑）我相信，底层缓存未命中也会发生在同一艘船内加农炮之间的不同地址上。

例如（ @是炮塔组件的地址），

• ShipA turret@01至turret@49
• ShipB turret@50至turret@99

在以后的时间步中，如果将turret@99移至ShipA ，它将为：-

• ShipA有turret@01到turret@49 + turret@99 （内存跳转）
• ShipB turret@50至turret@98

题

什么是设计模式/ C ++魔术来减少频繁使用的关系导致的缓存丢失？

更多信息：

• 在实际情况下，存在许多1：1和1：N关系。 特定关系将特定类型的组件绑定到特定类型的组件。
• 例如， relation_Pirate_Cannon = (ShipCom:CannonCom) ， relation_physic_graphic = (PhysicCom:GraphicCom)
• 通常只有某些关系是“间接的”。
• 当前的体系结构对Entity / ShipCom / CannonCom数量没有限制。
  我不想在程序开始时限制它。
• 我更喜欢不使游戏逻辑编码更难的改进。

我想到的第一个解决方案是启用重定位，但是我认为这是不得已的方法。

Answer 1

一种可能的解决方案是添加间接的另一层。 它使事情变慢了一点，但是它有助于保持阵列的紧凑性，并可以加快整个过程的速度。 剖析是唯一知道是否真的有帮助的方法。

话虽这么说，该怎么做？
这里是对稀疏集的简要介绍，值得一读，以更好地理解我的意思。

与其在同一数组内的项目之间创建关系，不如使用第二个数组指向该数组。
让我们将这两个数组称为反向和直接 ：

• 通过实体标识符（一个数字，因此只是数组中的索引）可以访问反向 。 每个插槽都包含直接数组中的索引。
• 直接访问，好吧……直接，每个插槽都包含实体标识符（即访问反向数组的索引）和实际组件。

每当您添加大炮时，都将获取其实体标识符和直接数组中的第一个空闲插槽。 使用您的实体标识符设置slot.entity ，然后将slot的索引放入reverse[entity] 。 每当您放下东西时，都复制直接数组中的最后一个元素以使其紧凑并调整索引，以保持关系。
该船将把索引存储到外部数组（ reverse ），这样您就可以在内部数组（ direct ）之间来回切换。

优点和缺点是什么？
好吧，每当您通过外部数组访问大炮时，由于存在额外的间接层，您都会有一个额外的跳跃。 无论如何，只要您成功地保持这种方式的访问次数很少，并且您访问系统中的直接阵列，就可以使用紧凑的阵列进行迭代并且使高速缓存未命中次数最少。

Answer 2

如何对实体进行排序以最大程度地减少缓存未命中？

每次添加/销毁/移动大炮和/或船只时，都对实体进行排序。

我不确定这在您的ECS系统中是否可行； 如果您严重依赖实体索引，那将是不切实际的，它们会在每次排序时更改。