Zeitalter3 – Browsergames Entwicklerblog

In meinem Artikel über das Zeitgeist Gamesystem-Modul habe ich etwas mehr über die Klasse zur Datenhaltung (gamedata.class.php) geschrieben. Diese ist in Zeitgeist angelehnt an die Datenhaltung eines Entity-Systems. In den Kommentaren wurde mir von Gameplorer folgende Frage zu dem Prinzip gestellt:

Wie gut eignet sich das tatsächlich für Browsergames? Durch die component_data_N – Tabellen ist es ja nicht mehr möglich, effektiv mit Joins zu arbeiten. Dadurch muss ich aber pro Entity zig Queries absetzen (jede component_data – Tabelle) was auf die Performance schlägt. Für z.B. einen Kampf müssten dann auch noch mehrere Entities geladen werden. Das klingt für mich nach einem absoluten NoGo in einem Browsergame.
Mir kam die Artikelreihe daher eher vor, als wäre ES für Clientbasierte-Spiele ausgelegt.

Das ist eine gute Frage, da sie auf einem verbreiten Mißverständnis beruht wie Entity Systeme funktionieren. Es werden (wenn richtig implementiert) kaum Joins benötigt, da keine Notwendigkeit besteht die kompletten Entites zu laden (geschweige denn mehrere). Das Missverständnis beruht wohl auf dem Versuch sich Entity Systeme wie klassisch objektorientierte Systeme vorzustellen, in denen das System über die Objektklassen immer (mehr oder weniger direkten) Zugriff auf alle Daten des Objekts hat. Mir ging es nicht anders und ich brauchte einige Anläufe, um mich davon zu lösen.

Hier also mein Versuch zu erklären, wie ich Entity Systeme verstehe und wie sie in Zeitgeist implementiert wurden.

Ein simples Weltraum-Spiel

Da man anhand von Beispielen immer besser erklären kann, nehmen wir einmal ein einfaches Weltraum-Spiel mit folgenden Eigenschaften:

• Ein Spieler hat ein oder mehrere Raumschiffe
• Es gibt 3 Raumschifftypen: leicht, mittel, schwer
• Ein Raumschiff hat eine gewisse Panzerung, entsprechend den Typen: leicht, mittel und schwer (vergleichbar mit Lebenspunkten: wenig, mittel und viel)
• Ein Raumschiff hat eine festgelegte Waffe, entsprechend den Typen: leicht, mittel und schwer (vergleichbar Angriffskraft: wenig, mittel und viel)
• Ein Raumschiff fliegt durch das Universum
• Ein Raumschiff kann gegen ein anderes Raumschiff kämpfen
• Ein Raumschiff kann in Raumstationen fliegen, in denen es sich reparieren lassen kann
• Angedockte Raumschiffe können nicht angegriffen werden

Was würde für so ein Spiel also an Daten benötigt? Zunächst einmal die Raumschiff-Daten: Welcher Spieler besitzt welches Raumschiff? An welcher Position befindet sich das Raumschiff? Wie viel Waffenschaden und Panzerung hat es noch und so weiter. Dazu kommen noch die Daten für die Objekte im Raum: Raumstationen und deren Position.

Um die Unterschiede klar zu machen folgt nun eine beispielhafte objektorientierte und komponentenbasierte Umsetzung. Beide Varianten kann (und sollte) man sicherlich auch anders implementieren, aber dies soll nur als Veranschaulichung dienen.

Objektorientierter Ansatz

Der objektorientierte Ansatz sieht die Welt durch eine Ansammlung von Objektklassen, welche jeweils einen Typ von Gegenstand in der Welt repräsentieren. Deren Methoden sind die Aktionen, welche dieser Typ Gegenstand durchführen kann.

In unserem Beispiel gäbe es üblicherweise eine Objektklasse für Raumschiffe. Wie definiert hat ein Raumschiff einen Besitzer, eine Panzerung und Waffe, sowie eine Position im Raum. Außerdem kann es gerade fliegen oder an einer Raumstation angedockt sein. Daneben gäbe es wahrscheinlich eine Klasse für Raumstationen, die jedoch nichts weiter tun, als auf einer Position zu verharren.

Die Daten werden in Tabellen gespeichert, welche mehr oder minder den Objektstrukturen ähneln. In der Realität mag es mehr Streuung durch Normalisierung geben, aber im Großen und Ganzen sähen die Tabellen für unser Beispiel so aus:

• Tabelle 1: Raumschiff (Besitzer, Panzerung, Waffenschaden, Position, Angedockt)
• Tabelle 2: Raumstationen (Position)

Spieler sind im Besitz eines Raumschiffs, sobald dieses in der Tabelle Raumschiff eingetragen ist.

Die eigentlichen Raumschiffe der Spieler und Raumstationen in der Spielwelt wären Instanzen ihrer entsprechenden Objektklassen. Das System initialisiert die Instanz eines spezifischen Raumschiffs mit den entsprechenden Daten aus der Tabelle.

Neben den Daten verfügt eine Objektklasse über Methoden, welche die Daten der jeweiligen Instanz (und damit des Raumschiffs bzw. der Raumstation) verändern. Als Beispiel für die Raumschiffklasse:

• Raumschiff.bewegen(x,y,z): verändert die Position des Raumschiffs
• Raumschiff.angreifen(RaumschiffID): greift das Raumschiff mit der gegebenen ID an
• Raumschiff.andocken(RaumstationID): dockt das Raumschiff an die Raumstation mit der gegebenen ID an
• ..

So weit die kleine Wiederholung von objektorientierter Programmierung.

Komponentenbasierte Datenhaltung

Der komponentenbasierte Ansatz sieht die Welt durch eine Sammlung von Komponenten und Entitäten. Zunächst einmal die Erklärung, was diese eigentlich sind:

• Eine Komponente beschreibt eine Eigenschaft, die ein Gegenstand haben kann
• Eine Entität repräsentiert einen dedizierten Gegenstand in der Welt
• Eine Entität besteht aus einer oder mehreren Komponenten

An dem Beispiel können diese Definitionen vielleicht besser veranschaulicht werden. Mit folgenden Komponenten (Eigenschaften) können alle Gegenstände unserer fiktiven Spielwelt abgebildet werden (in Klammern steht jeweils der Wert, mit dem eine Eigenschaft bemessen werden kann):

• Komponente 1: Ein Gegenstand kann eine Waffe haben (Angriffsschaden)
• Komponente 2: Ein Gegenstand kann gepanzert sein (Panzerungswert)
• Komponente 3: Ein Gegenstand kann eine Position haben (x/y/z)
• Komponente 4: Ein Gegenstand kann einen Besitzer haben (SpielerID)
• Komponente 5: Ein Gegenstand kann beweglich sein (j/n)
• Komponente 6: Ein Gegenstand kann angreifbar sein (j/n)
• Komponente 7: Ein Gegenstand kann andere Gegenstände reparieren (j/n)

Nehmen wir nun einmal irgendein Raumschiff. Dieses hätte folgende Komponenten: Waffe, Panzerung, Position, Besitzer, istBeweglich, istAngreifbar. Eine Raumstation hingegen hätte nur folgende Komponenten: Position, kannReparieren. Diese Typen von Entities sind Assemblages - eigentlich nur Sammlungen von Komponenten, die einen bestimmten Typ von Gegenstand ausmachen.

Der nächste Schritt ist leicht – jede Komponente bekommt eine Tabelle in der Datenbank. Dazu noch eine für die Entities, sowie eine Tabelle, um die Verbindung zwischen einer Entity und ihren Komponenten herzustellen:

• Tabelle 1: Entities(ID)
• Tabelle 2: Entities_zu_Komponenten(Entity, Komponente)
• Tabelle 3: Komponente 1 – Waffe (Angriffsschaden)
• Tabelle 4: Komponente 2 – Panzerung (Panzerungswert)
• Tabelle 5: Komponente 3 – Position (x/y/z)
• Tabelle 6: Komponente 4 – Besitzer (Spieler_ID)
• Tabelle 7: Komponente 5 – istBeweglich (j/n)
• Tabelle 8: Komponente 6 – istAngreifbar (j/n)
• Tabelle 8: Komponente 7 – kannReparieren (j/n)

Die Assemblages würden so aussehen:

• Assemblage 1: Raumschiff (Waffe, Panzerung, Position, Besitzer, istBeweglich, istAngreifbar)
• Assemblage 2: Raumstation (Position, kannReparieren)

Damit wurden nur Daten beschrieben – nirgendwo steckt ein Stück Interaktion. Im Gegensatz zum objektorientierten Ansatz, bei dem die Interaktion in den Methoden der Gegenstände selbst steckt, ist eine Entität oder eine Komponente völlig losgelöst von Methoden oder überhaupt Code. Wo also kommt die Interaktivität her?

Entity Systeme

Die Interaktivität kommt von den sogenannten Systemen. Objektorientierung geht davon aus, dass eine Methode für eine Objektklasse sich von den Methoden anderer Objektklassen unterscheidet. Das Komponentenmodell geht im Gegensatz dazu davon aus, dass die Interaktion die auf eine Komponente einwirkt unabhängig vom Gegenstands immer gleich ist. Ein Beispiel wäre die Komponente “Position”. Es ist unerheblich welcher Gegenstand eine Position hat, das Prinzip “Bewegung” ist für alle Gegenstände gleich: die Position ändert sich. Damit hat sich der Gegenstand bewegt. Dies gilt für Raumschiffe ebenso wie für Rennautos, Flugzeuge oder Fußbälle.

Die Interaktion für Komponenten wird also in einzelnen, in sich abgeschlossenen Systemen gekapselt, die nur ihre jeweils relevante Komponente(n) bearbeiten. Alles andere interessiert sie nicht. Um einen Gegenstand zu bewegen ist es unerheblich wem er gehört oder wie er bewaffnet oder gepanzert ist. Das heißt nicht, dass diese Informationen in diesem Moment gänzlich unwichtig sind, aber dafür ist ein anderes System zuständig. Und deshalb laufen alle Systeme möglichst parallel.

Auswirkung 1: Komponentensicht = Flexibilität

In jedem Browsergame findet der Großteil der Entwicklung nach dem Launch statt. Bugfixing macht davon nur einen kleinen Teil aus. Früher oder später muss man am Balancing nachdrehen und in mehr oder weniger regelmäßigen Abständen wird es Erweiterungen geben: neue Einheiten, neue Regeln, neue Features, neue Dinge zu entdecken.

Nehmen wir unser Beispiel. Angenommen Spieler sollen auch Raumstationen besitzen können. Andere Spieler können diese natürlich zerstören. In einem objektorientierten Umfeld würde ich jetzt anfangen die Klasse der Raumstation zu erweitern. Bei einem Komponentensystem würde ich die Komponente “Besitzer” und “istAngreifbar” der Assemblage der Raumstation hinzufügen. Done. Keine Codeänderung nötig.

Oder fügen wir die Raumschiffklasse “Trägerschiff” hinzu. Es soll eine Art großes Raumschiff sein, das wie eine bewegliche Raumstation agiert und andere Raumschiffe daran andocken können. Also, ich erstelle eine neue Klasse dafür und fange an zu programmieren. Oder aber ich erstelle eine neue Assemblage und füge die entsprechenden Komponenten hinzu (was Datenbankeinträge sind!).

Und jetzt stellen wir uns einen einfachen Einheiten-Editor vor, der einfach nur Assemblages erstellen und mit Komponenten verknüpfen kann.

Wenn ich denn tatsächlich mal eine neue Eigenschaft brauche, muss ich natürlich das entsprechende System entwickeln. Allerdings steht die Eigenschaft damit automatisch auch allen anderen Assemblages zur Verfügung.

Zugegeben, mit Mehrfachvererbung oder Interfaces kann man auch in klassisch objektorientierten Umgebungen so eine Flexibilität versuchen, aber ich würde es nicht empfehlen. Früher oder später läuft alles auf massive Superklassen hinaus, die nicht mehr pflegbar sind.

Auswirkung 2: Kleine Systeme = Wartbarkeit

Wenn jedes System nur eine (oder wenige) Komponente(n) bearbeitet, sind diese per Definition relativ überschaubar. Anstatt über die Klassen verteilt habe ich auch nur an einem dedizierten Punkt meine Logik: in den Systeme selbst. Ich muss auch nicht in jeder Klasse immer wieder die gleiche oder ähnliche Logik unterbringen oder mich mit Vererbung und Interfaces herumschlagen, um den Code aus den Klassen herauszuhalten. Ich habe einen zentralen Punkt, an dem ein abgegrenztes Set von Daten geändert wird.

Durch diese Abgrenzung sind die Systeme außerdem großartig testbar.

Auswirkung 3: Spezialisierte Systeme = Performance

Nehmen wir als Beispiel an in der Queue des Eventhandlers liegen Events zur Bewegung von Schiffen. Es existiert ein System für “Bewegung”, dessen Aufgabe die Bearbeitung dieser Events ist. Es schaut also in der Event-Tabelle nach: was muss bewegt werden und wohin?

Klassisch objektorientiert wäre das “was” die ID eines Raumschiffs, aus dem dann die Raumschiff-Instanz erzeugt wird. Instinktiv mag man dem “was” in einem Entity System die ID der Entity zuweisen. In diesem Fall müsste das System jedoch erst einmal die Entity-ID finden, dann die Zwischentabelle befragen wo in der Komponententabelle “Position” denn der dazugehörige Eintrag liegt. Und da sind wir wieder bei der eigentlichen Frage von Gameplorer: “Sind diese Joins nicht unperformant?” Antwort: ja, aber warum sollte ich sie überhaupt machen? Wieso wird nicht einfach die ID des Komponenteneintrags als “was” genutzt? Sobald das passiert ist reduziert sich die Aufgabe des Systems auf einfache Updates.

Und noch besser: wer sagt, dass ein System in meiner Applikation leben muss? Letztendlich fragt es die Datenbank ab (Event-Tabelle), um mit den Ergebnissen eine andere Tabelle zu aktualisieren (Conponent_Data_Position). Das alles kann man bequem in einer Stored Procedure erledigen.

Auswirkung 4: Parallele Systeme = Skalierung

Angenommen ich habe alle Systeme ausgelagert. Weiter angenommen ich merke, dass ein System viele Ressourcen frisst, wohingegen andere recht genügsam sind. Was hintert mich daran das anspruchsvolle System einfach auf einen eigenen Server zu verlegen? Solange es Zugang zur Datenbank hat ist alles fein.

Was jetzt noch bleibt

Neben den Systemen bleibt noch der Logik-Server. Dies ist der Haupt-Gameserver, den die Clients ansprechen. Etwas muss ja auch dafür sorgen, dass sich Nutzer anmelden können, die Spielregeln implementiert sind und der Eventhandler befüllt wird. Dadurch dass aber alle Vorgänge innerhalb der Spielwelt nun losgelöst sind beschränkt sich dieser aber auch auf diese Aufgaben, wird deutlich schlanker und dadurch auch performanter.

So, der Artikel is jetzt lang genug. Ich hoffe ich habe euch meine Vorstellung von Entity Systemen etwas näher erklären können. Wie schon erwähnt gibt es viele Arten von Entity Systemen. Es würde mich freuen von euch zu hören, falls ihr eine Meinung zu dem Modell habt.