在 WebGPU 中使用时间戳查询

原文 https://github.com/OmarShehat...


本文如何使用 WebGPU 的时间戳查询(timestamp-query)功能来计算你的 GPU 指令执行耗时。

在 WebGPU 中,时间戳查询是一项可选功能,不一定全部实现版本都有。撰写本文时,出于安全考虑,在浏览器上是禁用的(具体原因参考 gpuweb/gpuweb #2218

在 WebGPU 中使用时间戳查询_第1张图片

概述

下面先简单介绍时间戳查询的流程:

  • 请求设备对象时加上 timestamp-query 功能请求
  • 创建一个容量为 N 的查询集(当前帧要存多少个时间戳)
  • 创建一个存储型缓冲对象(storage-buffer),大小为 8×N 字节,因为时间戳查询的结果需要用 64 位存储;
  • 调用 commandEncoder.writeTimestamp 方法记录时间戳;它会在所有的指令结束后记录时间戳;
  • 调用 commandEncoder.resolveQuerySet 方法将时间戳查询结果写入存储型缓冲
  • 将存储型缓冲复制到 CPU 可读的内存中,解码为 BigInt64Array(参考 BigInt - JavaScript | MDN

按步教学

可在这个 PR 中找到完整的示例:Example usage of timestamp queries by OmarShehata · Pull Request #5 · OmarShehata/webgpu-compute-rasterizer · GitHub

0. 让浏览器具备时间戳查询功能

默认浏览器是关闭不安全的 API 的,使用下列参数启动 Chrome 浏览器即可:

--disable-dawn-features=disallow_unsafe_apis
译者注:从 --disable-dawn-features 可以看出,这个启动参数是 Chrome 系特有的,火狐和 Safari 不通用。具体操作可以右击 Chrome 或 Edge 的快捷方式,在“属性” - “目标”后跟随这一串字符串。

1. 创建 Queryset 和缓冲对象

请求设备对象时,需要把 timestamp-query 添加进 requiredFeatures 数组中:

const device = await adapter.requestDevice({
  requiredFeatures: ["timestamp-query"],
})

如果浏览器未启用时间戳查询或者不支持,就会报错:

Uncaught (in promise) TypeError: Failed to execute 'requestDevice' on 'GPUAdapter': Unsupported feature: timestamp-query

然后,创建一个查询集和查询缓冲对象:

const capacity = 3 // 要存多少个查询结果
const querySet = device.createQuerySet({
  type: "timestamp",
  count: capacity,
})
const queryBuffer = device.createBuffer({
  size: 8 * capacity,
  usage: GPUBufferUsage.QUERY_RESOLVE 
    | GPUBufferUsage.STORAGE
    | GPUBufferUsage.COPY_SRC
    | GPUBufferUsage.COPY_DST,
})

2. 写入时间戳

在调配渲染管线的代码之间,调用 commandEncoder.writeTimestamp(querySet, index) 方法记录时间戳:

// 在各种指令编码过程中记录时间戳
commandEncoder.writeTimestamp(querySet, 0) // 初始时间戳
// draw(...)
commandEncoder.writeTimestamp(querySet, 1)

index <= 定义的容量值 - 1.

3. 解析时间戳到缓冲对象中

在每一帧代码的末尾,调用 commandEncoder.resolveQuerySet 方法,以正确写入存储型缓冲对象:

commandEncoder.resolveQuerySet(
  querySet, 
  0, // 从哪个查询开始
  capacity, // 要写入多少个查询
  queryBuffer, 
  0 // 写入缓冲对象的偏移值
)

4. 读取查询结果

即从存储型缓冲对象读取数据。获取 ArrayBuffer 后,用 BigInt 类型数组读取即可。时间戳值的单位是纳秒。

// === `commandEncoder.finish()` 调用之后 ===
// 使用下面的 readBuffer 函数读取 queryBuffer 对象中的数据
const arrayBuffer = await readBuffer(device, queryBuffer);
// 使用 BigInt 类型数组读取数据
const timingsNanoseconds = new BigInt64Array(arrayBuffer);

const readBuffer = async (device, buffer) => {
  const size = buffer.size
  const gpuReadBuffer = device.createBuffer({
    size,
    usage: GPUBufferUsage.COPY_DST | GPUBufferUsage.MAP_READ 
  })

  const copyEncoder = device.createCommandEncoder()
  copyEncoder.copyBufferToBuffer(buffer, 0, gpuReadBuffer, 0, size)

  const copyCommands = copyEncoder.finish()
  device.queue.submit([copyCommands])

  await gpuReadBuffer.mapAsync(GPUMapMode.READ)
  return gpuReadBuffer.getMappedRange()
}

5. (可选)添加标签

为了让输出信息更加友好,可将每个时间戳加上标签,输出的时候有利于辨别差异。将纳秒转为毫秒也有用。

致谢

非常感谢 Markus Schütz 在 Potree 关于 WebGPU 有关实现中 提供的时间戳查询示例。 

感谢顾扬在 问题 3354 中解释了如何在 Chrome 中启用时间戳查询。

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