Vulkan 教程--Overview

原文地址 Vulkan-tutorial 。

Origin of Vulkan

和其他图形API一样，Vulkan也被设计成跨平台。但是以前的这些图形API在设计时和当时的显卡关系密切，只是提供了一些可配置的固定功能。编程人员不得不在显卡厂商的怜悯之下，使用所谓标准格式的顶点数据来勉强进行光照( lighting )和着色( shading )操作。

随着显卡架构的成熟，它们开始提供越来越多的可编程功能，这些新功能都以某种方式集成到现有的API中。这就导致了不理想的抽象和编程时更多的猜测。也导致了游戏为了获得更好的性能而更新驱动，当然，有时也是为了自身的利益。因为这些驱动的复杂性，应用开发者还必须解决不同厂商间的不兼容问题。比如Shader的格式。除了这些情况外，在过去的十年中，我们也看到具有强大显卡的嵌入式移动设备。这些移动设备根据电量( energy  )和空间的需求(space requirements)具有不同的GPU架构。其中一个显著地例子就是 tiled rendering ,通过给予编程人员更多的控制，来从改善的性能中受益。之前的API 的另一个限制就是不支持多线程，这在CPU端往往是造成瓶颈的重要原因。

Vulkan 根据现代显卡的特点，从头开始设计，从而解决了这些问题。它通过让编程人员使用更多的API来明确自己的意图，从而减轻驱动的负担，并且支持多线程和并行的提交命令。它将Shader代码转换成字节码(byte code format)解决了不同厂商间Shader不兼容的问题。最后一点，它承认了当代显卡的计算能力，并将图形( graphics )和计算( compute )功能集成到了一个API中。

What it takes to draw a triangle

让我们来大致看一下Vulkan是如何一步一步来渲染一个三角形的。以下几个概念在后续章节里还会详细介绍，这里只是想让你对各个概念之间的联系有个宏观的了解。

Step 1 - Instance and physical device selection

Vulkan 通过创建VkInstance 引入API来开始整个Vulkan 应用。在创建Instance时，你可以配置你的应用和将来要使用的API扩展。Instance 创建之后，就可以获取平台上Vulkan所支持的硬件，然后从中选择一个或多个VkPhysicalDevice来使用，每个的device ,你都可以获取它的属性(properties)和能力(capbilities)，比如VRAM 大小， 然后选择一个适合你需求的device。 比如，你想要一个专用显卡(dedicated graphics cards) 。

Step 2 - Logical device and queue families

获取你想要的硬件设备(hardware device)后，就可以通过 VkPhysicalDeviceFeatures来描述你所需要的显卡特性，像多视图渲染( multi viewport rendering )和使用64bit的float等，然后根据这些特性创建VkDevice( logical device )。当然，也可以告诉VkDevice你想要使用何种队列。Vulkan中的大多数操作，如绘画命令和内存操作，都要提交到VkQueue中，在VkQueue中异步执行这些命令。队列从队列家族(queue families)中分配，每一种队列支持一组特定的命令或操作。比如，可能存在一些不同种类的队列，它们分别支持图形操作、计算操作、内存转移操作。队列的这种特点也可以成为你你选择VkPhysicalDevice 的依据。Vulkan可能会支持一些不具有图形操作的显卡，不过请放心，目前Vulkan支持的显卡基本上都已支持你感兴趣的各种操作。

Step 3 - Window surface and swap chain

除非你只想离线渲染( offline rendering ) ，否则就必须创建一个将渲染结果显示到屏幕上的窗口(window)。 你可以使用本地平台的API来创建window ，或者使用像GLFW和SDL这样的库。在这篇教程中我们选择GLFW，这一点你将在后续的教程中看到。

我们还需要另外两个组件才能对window进行渲染: 一个window surafce ( VkSurfaceKHR )和一个 swap chain( VkSwapChainKHR )， 注意KHR后缀表示这些对象是Vulkan的扩展。Vulkan是跨平台的，这也是为什么我们要使用WSI(Window system interface )扩展 来和窗口管理器(Window manager)进行交互。Surface 是对window 的一个抽象，通常他需要window 的引用来创建，比如windows上的HWND ，幸运的是GLFW的内置函数能够自动为我们解决不同平台间的差异。

Swap chain是渲染目标的一个集合，它最简单的功能就是：保证正在渲染的image  和 现在显示在屏幕上的image 是两个不同的image。保证image渲染完毕后才能进行显示十分重要。每次我们想要画一个帧时，都必须从swap chain里请求一个image 来渲染，绘画完毕后，再将它返回到到swpa chain，以便在某个时间后显示到屏幕上。渲染的目标数量以及渲染完毕后显示到屏幕上的时机用present mode 来表示。常见的present mode有双缓冲和三缓冲，我们将在创建swap chain时再详细讨论这个问题。

Step 4 - Image views and framebuffers

先使用VkImageView和VkFrameBuffer将image包裹起来，然后才能将内容画到image上。imageView 引用一个image要被使用的特定部分，而framebuffer引用imageView ，把它当做color 、depth和stencil的目标使用。因为swap chain里可以有多个image ，所以我们先发制人:为每一个image 创建一个imageView和framebuffer ，然后在绘画阶段选择一个正确的来使用。

Step 5 - Render passes

Render pass描述了在渲染阶段要使用的image类型、如何使用以及如何处理image的内容。在我们的示例三角形应用中，我们告诉Vulkan，要使用一个image 作为color的目标，并且希望它在绘画操作前被涂成纯色。请注意，Render pass只是描述要使用的image类型，而framebuffer( 通过绑定image )才是要使用的image实体。

Step 6 - Graphics pipeline

在Vulkan中Graphics Pipeline 通过创建VkPipeline对象来建立。它描述了一些显卡不可编程部分的可配置状态(configurable state )，比如viewport的大小和depth buffer操作等，以及用VkShaderModule表示的可编程部分。VkShaderModule对象用着色器的字节码来创建。驱动需要知道哪些渲染目标将在pipeline中使用，而这些目标就是我们在Render pass中定义的image。

Vulkan和现存的其他图形API最显著地区别就是：几乎所有不可编程部分的配置都要在pipeline创建前提前完成。这就意味着如果你想换一个着色器(shader)或者仅仅改变一些顶点的布局(vertex layout) ,那么你必须重新创建pipeline 。这也意味着你必须提前创建很多pipeline，来应对渲染过程中不同组合的配置。只有很少的一些配置你可以动态改变，比如viewport 的大小和celar 的颜色等。Pipeline中所有的配置状态你必须显示的进行定义，比如，颜色混合就没有为你提供默认的配置。

它给我们带来的一个好处就如同提前编译和当场编译一样，驱动将有更多优化的机会和对运行时性能做更多的预测。

Step 7 - Command pools and command buffers

之前也提到，Vulkan中的命令(原文是operation )必须提交到对应的队列才能执行。这些命令首先要记录到VkCommandBuffer中，然后才能提交的到队列。这些commandBuffer来自于一个commandPool，而CommandPool关联一种具有特定命令的队列。

画一个三角形，我们需要以下几个步骤来记录commandBuffer：

1. 开始render pass
2. 绑定graphics pipeline
3. 画三个顶点
4. 结束render pass。

FrameBuffer中的image取决于swap chain返回给我们的是哪一个，所以我们必须为每一个可能的image记录一个commandBuffer，然后在绘画阶段选择正确的那个来运行。另外一种方法是每一帧都记录一个commandBuffer,但这种方法性能不高。

Step 8 - Main loop

现在绘画命令已经放在CommandBuffer中， Main loop就变得非常简单了。首先使用 vkAcquireNextImageKHR.从swap chain里获取一个image ，然后根据这个image选择对应的commandBuffer ，使用vkQueueSubmit执行这个commandBuffer ，最后使用vkQueuePresentKHR将这个Image 返回到swap chain准备显示。

队列中的命令采用异步的方式来执行，因此我们必须采用像信号量(semaphore)这样的同步对象，来确保程序执行的正确顺序。绘画操作必须在获取image完成后才能进行，否则就会出现当前渲染和显示共用一个image的情况。vkQueuePresentKHR必须等待渲染结束才能进行交替使用， 这就需要我们再使用一个semaphore来等待渲染结束。

Summary

通过上述大致的讲解，想必你已经对画三角形的过程有了基本的认识。然而我们真正的程序却包含更多的步骤，像分配vertex buffer和uniform buffer 以及上传纹理图片等，我们将在后续的章节一一介绍它们。因为vulkan具有相当陡峭的学习曲线，我们打算先从简单入手。这里我们将耍点小计俩，打算先把顶点坐标硬编码到Shader里，而不是直接使用veretx buffer ，因为管理vertex buffer 需要你先对command buffer 有一定了解。

总之，为了画这个三角形，我们需要:

1. 创建VkInstance。
2. 选择一个显卡(VkPhysicalDevice)
3. 为绘画和显示创建一个VkDevice和VkQueue。
4. 创建一个window、window surface 和 swap chain。
5. 用image view 包裹swap chain里的image。
6. 创建一个render pass ,用它来定义渲染目标和目标的用法。
7. 为render pass 创建一个frameBuffer。
8. 创建graphics pipeline。
9. 为每一个可能的swap chain image 绘画命令分配和记录command buffer。
10. 通过获取的image 来draw frame,提交正确的绘画command buffer，最后将绘画结果(image)返回到swap chain。

API concepts

Coding conventions

Vulkan的所有函数、枚举变量和结构体都定义在vulkan.h里，而且包含在Vulkan SDK中 。函数以小写的vk为前缀，枚举类型和结构体以Vk为前缀，而枚举值以VK为前缀。Vulkan API严重依赖结构体作为函数参数。例如，对象的创建将遵循如下方式:

VkXXXCreateInfo createInfo = {};
createInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_XXX_CREATE_INFO;
createInfo.pNext = nullptr;
createInfo.foo = ...;
createInfo.bar = ...;

VkXXX object;
if (vkCreateXXX(&createInfo, nullptr, &object) != VK_SUCCESS) {
    std::cerr << "failed to create object" << std::endl;
    return false;
}

在Vulkan中很多结构都要你定义它的类型sType。pNext 指向一个扩展的结构，在本教程中它总是nullptr。创建和销毁对象的函数要求一个 VkAllocationCallbacks，我们也将它置位nullptr。

所有函数的返回值是一个 VkResult 类型的枚举，它要么是VK_SUCCESS表示成功，要么是其他错误值。

Validation layers

(后面有一节专门讲Validation layers, 这里只提取了原文的主要意思)

之前也说过 Vulkan是高性能低驱动负担的API，这也就意味着它的错误检测十分有限。如果你做错了什么事，他就会直接crash掉，而不是返回一个错误码。Vulakn允许你为错误检测添加扩展，这就是Validation layers。它像是嵌套在你方法调用里的代码片段一样，跟踪参数和内存安全。你可以编写自己的Validation layers ,但Vulkan SDK 为你提供了一些标准的Validation layers供你开发使用。所以其实它比OPengl 和Direct3D 更容易查找到错误。