资深程序员的Metal入门教程总结

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本文由 落影发表于 云+社区专栏

正文

本文介绍Metal和Metal Shader Language，以及Metal和OpenGL ES的差异性，也是实现入门教程的心得总结。

一、Metal

Metal 是一个和 OpenGL ES 类似的面向底层的图形编程接口，可以直接操作GPU；支持iOS和OS X，提供图形渲染和通用计算能力。（不支持模拟器）

图片来源 https://www.invasivecode.com/...

MTLDevice 对象代表GPU，通常使用MTLCreateSystemDefaultDevice获取默认的GPU； MTLCommandQueue由device创建，用于创建和组织MTLCommandBuffer，保证指令（MTLCommandBuffer）有序地发送到GPU；MTLCommandBuffer会提供一些encoder，包括编码绘制指令的MTLRenderCommandEncoder、编码计算指令的MTLComputeCommandEncoder、编码缓存纹理拷贝指令的MTLBlitCommandEncoder。对于一个commandBuffer，只有调用encoder的结束操作，才能进行下一个encoder的创建，同时可以设置执行完指令的回调。 每一帧都会产生一个MTLCommandBuffer对象，用于填放指令； GPUs的类型很多，每一种都有各自的接收和执行指令方式，在MTLCommandEncoder把指令进行封装后，MTLCommandBuffer再做聚合到一次提交里。 MTLRenderPassDescriptor 是一个轻量级的临时对象，里面存放较多属性配置，供MTLCommandBuffer创建MTLRenderCommandEncoder对象用。

MTLRenderPassDescriptor 用来更方便创建MTLRenderCommandEncoder，由MetalKit的view设置属性，并且在每帧刷新时都会提供新的MTLRenderPassDescriptor；MTLRenderCommandEncoder在创建的时候，会隐式的调用一次clear的命令。 最后再调用present和commit接口。

Metal的viewport是3D的区域，包括宽高和近/远平面。

深度缓冲最大值为1，最小值为0，如下面这两个都不会显示。

    // clipSpacePosition为深度缓冲
    out.clipSpacePosition = vector_float4(0.0, 0.0, -0.1, 1.0);
    out.clipSpacePosition = vector_float4(0.0, 0.0, 1.1, 1.0);

渲染管道

Metal把输入、处理、输出的管道看成是对指定数据的渲染指令，比如输入顶点数据，输出渲染后纹理。 MTLRenderPipelineState 表示渲染管道，最主要的三个过程：顶点处理、光栅化、片元处理：

转换几何形状数据为帧缓存中的颜色像素，叫做点阵化（rasterizing），也叫光栅化。其实就是根据顶点的数据，检测像素中心是否在三角形内，确定具体哪些像素需要渲染。 对开发者而言，顶点处理和片元处理是可编程的，光栅化是固定的（不可见）。 顶点函数在每个顶点被绘制时都会调用，比如说绘制一个三角形，会调用三次顶点函数。顶点处理函数返回的对象里，必须有带[[position]]描述符的属性，表面这个属性是用来计算下一步的光栅化；返回值没有描述符的部分，则会进行插值处理。

插值处理

像素处理是针对每一个要渲染的像素进行处理，返回值通常是4个浮点数，表示RGBA的颜色。

在编译的时候，Xcode会单独编译.metal的文件，但不会进行链接；需要在app运行时，手动进行链接。 在包里，可以看到default.metallib，这是对metal shader的编译结果。

MTLFunction可以用来创建MTLRenderPipelineState对象，MTLRenderPipelineState代表的是图形渲染的管道； 在调用device的newRenderPipelineStateWithDescriptor:error接口时，会进行顶点、像素函数的链接，形成一个图像处理管道； MTLRenderPipelineDescriptor包括名称、顶点处理函数、片元处理函数、输出颜色格式。

setVertexBytes:length:atIndex:这接口的长度限制是4k（4096bytes），对于超过的场景应该使用MTLBuffer。MTLBuffer是GPU能够直接读取的内存，用来存储大量的数据；（常用于顶点数据） newBufferWithLength:options:方法用来创建MTLBuffer，参数是大小和访问方式；MTLResourceStorageModeShared是默认的访问方式。

纹理

Metal要求所有的纹理都要符合MTLPixelFormat上面的某一种格式，每个格式都代表对图像数据的不同描述方式。 例如MTLPixelFormatBGRA8Unorm格式，内存布局如下：

每个像素有32位，分别代表BRGA。 MTLTextureDescriptor 用来设置纹理属性，例如纹理大小和像素格式。 MTLBuffer用于存储顶点数据，MTLTexture则用于存储纹理数据；MTLTexture在创建之后，需要调用replaceRegion:mipmapLevel:withBytes:bytesPerRow:填充纹理数据；因为图像数据一般按行进行存储，所以需要每行的像素大小。

[[texture(index)]] 用来描述纹理参数，比如说 samplingShader(RasterizerData in [[stage_in]], texture2d colorTexture [[ texture(AAPLTextureIndexBaseColor) ]]) 在读取纹理的时候，需要两个参数，一个是sampler和texture coordinate，前者是采样器，后者是纹理坐标。 读取纹理其实就把对应纹理坐标的像素颜色读取出来。 纹理坐标默认是（0，0）到（1，1），如下：

有时候，纹理的坐标会超过1，采样器会根据事前设置的mag_filter::参数进行计算。

通用计算

通用图形计算是general-purpose GPU，简称GPGPU。 GPU可以用于加密、机器学习、金融等，图形绘制和图形计算并不是互斥的，Metal可以同时使用计算管道进行图形计算，并且用渲染管道进行渲染。

计算管道只有一个步骤，就是kernel function（内核函数），内核函数直接读取并写入资源，不像渲染管道需要经过多个步骤； MTLComputePipelineState 代表一个计算处理管道，只需要一个内核函数就可以创建，相比之下，渲染管道需要顶点和片元两个处理函数；

每次内核函数执行，都会有一个唯一的gid值； 内核函数的执行次数需要事先指定，这个次数由格子大小决定。

threadgroup 指的是设定的处理单元，这个值要根据具体的设备进行区别，但必须是足够小的，能让GPU执行； threadgroupCount 是需要处理的次数，一般来说threadgroupCount*threadgroup=需要处理的大小。

性能相关

临时对象（创建和销毁是廉价的，它们的创建方法都返回 autoreleased对象） 1.Command Buffers 2.Command Encoders 代码中不需要持有。

高消耗对象（在性能相关的代码里应该尽量重用它,避免反复创建） 1.Command Queues 2.Buffers 3.Textures 5.Compute States 6.Render Pipeline States 代码中需长期持有。

Metal常用的四种数据类型：half、float、short(ushort)、int(uint)。 GPU的寄存器是16位，half是性能消耗最低的数据类型；float需要两次读取、消耗两倍的寄存器空间、两倍的带宽、两倍的电量。 为了提升性能，half和float之间的转换由硬件来完成，不占用任何开销。 同时，Metal自带的函数都是经过优化的。 在float和half数据类型混合的计算中，为了保持精度会自动将half转成float来处理，所以如果想用half节省开销的话，要避免和float混用。 Metal同样不擅长处理control flow，应该尽可能使用使用三元表达式，取代简单的if判断。

此部分参考自 WWDC

常见的图形渲染管道

二、Metal Shader Language

Metal Shader Language的使用场景有两个，分别是图形渲染和通用计算；基于C++ 14，运行在GPU上，GPU的特点：带宽大，并行处理，内存小，对条件语句处理较慢（等待时间长）。 Metal着色语言使用clang和 LLVM，支持重载函数，但不支持图形渲染和通用计算入口函数的重载、递归函数调用、new和delete操作符、虚函数、异常处理、函数指针等，也不能用C++ 11的标准库。

基本函数

shader有三个基本函数：

• 顶点函数（vertex），对每个顶点进行处理，生成数据并输出到绘制管线；
• 像素函数（fragment），对光栅化后的每个像素点进行处理，生成数据并输出到绘制管线；
• 通用计算函数（kernel），是并行计算的函数，其返回值类型必须为void；

顶点函数相关的修饰符：

• [[vertex_id]] vertex_id是顶点shader每次处理的index，用于定位当前的顶点
• [[instance_id]] instance_id是单个实例多次渲染时，用于表明当前索引；
• [[clip_distance]]，float 或者 float[n]， n必须是编译时常量；
• [[point_size]]，float；
• [[position]]，float4；

如果一个顶点函数的返回值不是void，那么返回值必须包含顶点位置； 如果返回值是float4，默认表示位置，可以不带[[ position ]]修饰符； 如果一个顶点函数的返回值是结构体，那么结构体必须包含“[[ position ]]”修饰的变量。

像素函数相关的修饰符：

• [[color(m)]] float或half等，m必须是编译时常量，表示输入值从一个颜色attachment中读取，m用于指定从哪个颜色attachment中读取；
• [[front_facing]] bool，如果像素所属片元是正面则为true；
• [[point_coord]] float2，表示点图元的位置，取值范围是0.0到1.0；
• [[position]] float4，表示像素对应的窗口相对坐标(x, y, z, 1/w)；
• [[sample_id]] uint，The sample number of the sample currently being processed.
• [[sample_mask]] uint，The set of samples covered by the primitive generating the fragmentduring multisample rasterization.

以上都是输入相关的描述符。像素函数的返回值是单个像素的输出，包括一个或是多个渲染结果颜色值，一个深度值，还有一个sample遮罩，对应的输出描述符是[[color(m)]] floatn、[[depth(depth_qualifier)]] float、[[sample_mask]] uint。

struct LYFragmentOutput {
    // color attachment 0
    float4 color_float [[color(0)]];// color attachment 1
    int4 color_int4 [[color(1)]];// color attachment 2
    uint4 color_uint4 [[color(2)]];};
fragment LYFragmentOutput fragment_shader( ... ) { ... };

需要注意，颜色attachment的参数设置要和像素函数的输入和输出的数据类型匹配。

Metal支持一个功能，叫做前置深度测试（early depth testing），允许在像素着色器运行之前运行深度测试。如果一个像素被覆盖，则会放弃渲染。使用方式是在fragment关键字前面加上[[early_fragment_tests]]： [[early_fragment_tests]] fragment float4 samplingShader(..) 使用前置深度测试的要求是不能在fragment shader对深度进行写操作。 深度测试还不熟悉的，可以看 LearnOpenGL关于深度测试的介绍。

参数的地址空间选择

Metal种的内存访问主要有两种方式：Device模式和Constant模式，由代码中显式指定。 Device模式是比较通用的访问模式，使用限制比较少，而Constant模式是为了多次读取而设计的快速访问只读模式，通过Constant内存模式访问的参数的数据的字节数量是固定的，特点总结为：

• Device支持读写，并且没有size的限制；
• Constant是只读，并且限定大小；

如何选择Device和Constant模式？ 先看数据size是否会变化，再看访问的频率高低，只有那些固定size且经常访问的部分适合使用constant模式，其他的均用Device。

// Metal关键函数用到的指针参数要用地址空间修饰符（device, threadgroup, or constant） 如下
vertex RasterizerData // 返回给片元着色器的结构体
vertexShader(uint vertexID [[ vertex_id ]], // vertex_id是顶点shader每次处理的index，用于定位当前的顶点
             constant LYVertex *vertexArray [[ buffer(0) ]]); // buffer表明是缓存数据，0是索引

地址空间的修饰符共有四个，device、threadgroup、constant、thread。 顶点函数（vertex）、像素函数（fragment）、通用计算函数（kernel）的指针或引用参数，都必须带有地址空间修饰符号。 对于顶点函数（vertex）和像素函数（fragment），其指针或引用参数必须定义在device或是constant地址空间； 对于通用计算函数（kernel），其指针或引用参数必须定义在device或是threadgroup或是constant地址空间； void tranforms(device int *source_data, threadgroup int *dest_data, constant float *param_data) {/*...*/}; 如上使用了三种地址空间修饰符，因为有threadgroup修饰符，tranforms函数只能被通用计算函数调用。

constant地址空间用于从设备内存池分配存储的缓存对象，是只读的。constant地址空间的指针或引用可以做函数的参数，向声明为常量的变量赋值会产生编译错误，声明常量但是没有赋予初始值也会产生编译错误。 在shader中，函数之外的变量（相当于全局变量），其地址空间必须是constant。

device地址空间用于从设备内存池分配出来的缓存对象，可读也可写。一个缓存对象可以被声明成一个标量、向量或是用户自定义结构体的指针或是引用。缓存对象使用的内存实际大小，应该在CPU侧调用时就确定。 纹理对象总是在device地址空间分配内存，所以纹理类型可以省略修饰符。

threadgroup地址空间用于通用计算函数变量的内存分配，变量被一个线程组的所有的线程共享，threadgroup地址空间分配的变量不能用于图形绘制函数。

thread地址空间用于每个线程内部的内存分配，被thread修饰的变量在其他线程无法访问，在图形绘制或是通用计算函数内声明的变量是thread地址空间分配。 如下一段代码，包括device、threadgroup、thread的使用：

typedef struct
{
    half3 kRec709Luma; // position的修饰符表示这个是顶点
    
} TransParam;

kernel void
sobelKernel(texture2d  sourceTexture  [[texture(LYFragmentTextureIndexTextureSource)]],
                texture2d destTexture [[texture(LYFragmentTextureIndexTextureDest)]],
                uint2                          grid         [[thread_position_in_grid]],
            device TransParam *param [[buffer(0)]], // param.kRec709Luma = half3(0.2126, 0.7152, 0.0722); // 把rgba转成亮度值
            threadgroup float3 *localBuffer [[threadgroup(0)]]) // threadgroup地址空间，这里并没有使用到；
{
    // 边界保护
    if(grid.x <= destTexture.get_width() && grid.y <= destTexture.get_height())
    {
        thread half4 color  = sourceTexture.read(grid); // 初始颜色
        thread half gray   = dot(color.rgb, half3(param->kRec709Luma)); // 转换成亮度
        destTexture.write(half4(gray, gray, gray, 1.0), grid); // 写回对应纹理
    }
}

数据结构

Metal中常用的数据结构有向量、矩阵、原子数据类型、缓存、纹理、采样器、数组、用户自定义结构体。

half 是16bit是浮点数 0.5h float 是32bit的浮点数 0.5f size_t 是64bit的无符号整数 通常用于sizeof的返回值 ptrdiff_t 是64bit的有符号整数 通常用于指针的差值 half2、half3、half4、float2、float3、float4等，是向量类型，表达方式为基础类型+向量维数。矩阵类似half4x4、half3x3、float4x4、float3x3。 double、long、long long不支持。

对于向量的访问，比如说vec=float4(1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f)，其访问方式可以是vec[0]、vec[1]，也可以是vec.x、vec.y，也可以是vec.r、vec.g。（.xyzw和.rgba，前者对应三维坐标，后者对应RGB颜色空间） 只取部分、乱序取均可，比如说我们常用到的color=texture.bgra。

数据对齐 char3、uchar3的size是4Bytes，而不是3Bytes； 类似的，int是4Bytes，但int3是16而不是12Bytes； 矩阵是由一组向量构成，按照向量的维度对齐；float3x3由3个float3向量构成，那么每个float3的size是16Bytes； 隐式类型转换（Implicit Type Conversions） 向量到向量或是标量的隐式转换会导致编译错误，比如 int4 i; float4 f = i; // compile error，无法将一个4维的整形向量转换为4维的浮点向量。 标量到向量的隐式转换，是标量被赋值给向量的每一个分量。 float4 f = 2.0f; // f = (2.0f, 2.0f, 2.0f, 2.0f) 标量到矩阵、向量到矩阵的隐式转换，矩阵到矩阵和向量及标量的隐式转换会导致编译错误。

纹理数据结构不支持指针和引用，纹理数据结构包括精度和access描述符，access修饰符描述纹理如何被访问，有三种描述符：sample、read、write，如下：

kernel void
sobelKernel(texture2d  sourceTexture  [[texture(LYFragmentTextureIndexTextureSource)]],
                texture2d destTexture [[texture(LYFragmentTextureIndexTextureDest)]],
                uint2                          grid         [[thread_position_in_grid]])

Sampler是采样器，决定如何对一个纹理进行采样操作。寻址模式，过滤模式，归一化坐标，比较函数。 在Metal程序里初始化的采样器必须使用constexpr修饰符声明。 采样器指针和引用是不支持的，将会导致编译错误。

    constexpr sampler textureSampler (mag_filter::linear,
                                      min_filter::linear); // sampler是采样器

运算符

• 矩阵相乘有一个操作数是标量，那么这个标量和矩阵中的每一个元素相乘，得到一个和矩阵有相同行列的新矩阵。
• 右操作数是一个向量，那么它被看做一个列向量，如果左操作数是一个向量，那么他被看做一个行向量。这个也说明，为什么我们要固定用mvp乘以position（左乘矩阵），而不能position乘以mvp！因为两者的处理结果不一致。

三、Metal和OpenGL ES的差异

OpenGL的历史已经超过25年。基于当时设计原则，OpenGL不支持多线程，异步操作，还有着臃肿的特性。为了更好利用GPU，苹果设计了Metal。 Metal的目标包括更高效的CPU&GPU交互，减少CPU负载，支持多线程执行，可预测的操作，资源控制和同异步控制；接口与OpenGL类似，但更加切合苹果设计的GPUs。

Metal的关系图

Metal的关系图如上，其中的Device是GPU设备的抽象，负责管道相关对象的创建：

Device

Metal和OpenGL ES的代码对比

我们先看一段OpenGL ES的渲染代码，我们可以抽象为Render Targets的设定，Shaders绑定，设置Vertex Buffers、Uniforms和Textures，最后调用Draws指令。

glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, myFramebuffer);
glUseProgram(myProgram);
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, myVertexBuffer);
glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, myUniforms);
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, myColorTexture);
glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, numVertices);

再看Metal的渲染代码： Render Targets设定 是创建encoder； Shaders绑定 是设置pipelineState； 设置Vertex Buffers、Uniforms和Textures 是setVertexBuffer和setFragmentBuffer； 调用Draws指令 是drawPrimitives； 最后需要再调用一次endEncoding。

encoder = [commandBuffer renderCommandEncoderWithDescriptor:descriptor]; [encoder setPipelineState:myPipeline];
[encoder setVertexBuffer:myVertexData offset:0 atIndex:0];
[encoder setVertexBuffer:myUniforms offset:0 atIndex:1];
[encoder setFragmentBuffer:myUniforms offset:0 atIndex:1];
[encoder setFragmentTexture:myColorTexture atIndex:0];
[encoder drawPrimitives:MTLPrimitiveTypeTriangle vertexStart:0  vertexCount:numVertices];
[encoder endEncoding];

Metal和OpenGL ES的同异步处理

如下图，是用OpenGL ES实现一段渲染的代码。CPU在Frame1的回调中写入数据到buffer，之后GPU会从buffer中读取Frame1写入的数据。

但在Frame2 CPU在往Buffer写入数据时，Buffer仍存储着Frame1的数据，且GPU还在使用该buffer，于是Frame2必须等待Frame1渲染完毕，造成阻塞。如下，会产生CPU的wait和GPU的idle。

Metal的处理方案会更加高效。如下图，Metal会申请三个buffer对应三个Frame，然后根据GPU的渲染回调，实时更新buffer的缓存。 在Frame2的时候，CPU会操作Buffer2，而GPU会读取Buffer1，并行操作以提高效率。

总结

Metal系列入门教程介绍了Metal的图片绘制、三维变换、视频渲染、天空盒、计算管道、Metal与OpenGL ES交互。结合本文的总结，能对Metal产生基本的认知，看懂大部分Metal渲染的代码。 接下来的学习方向是Metal进阶，包括Metal滤镜链的设计与实现、多重colorAttachments渲染、绿幕功能实现、更复杂的通用计算比如MPSImageHistogram，Shader的性能优化等。

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