Metal-01-初识Metal

一、Metal简介

1、Metal

早在2014年的WWDC大会上，Apple为游戏开发者推出了新的平台技术 Metal，该技术能够为 3D 图像提高 10 倍的渲染性能，并支持大家熟悉的游戏引擎及公司。

在2018年之前,OpenGL ES只能通过GPU进行图形的处理，无法调度GPU进行项目中高度的自定义的并发运算。但是在Metal中，苹果给了这样的入口，可以充分调用GPU来完成这件事情。

于是，在2018年，苹果做出了这样的决定：将原先CoreAnimation的内核从OpenGL ES迁移到了Metal。至此，我们可以在iOS设备上利用Metal来处理业务，就能最大限度的利用其GPU的性能。

换而言之，当我们需要进行高并发运算的时候，也要用到Metal来实现。就是因为Metal中有调用GPU来执行计算的入口。(比如AVFoundation的人脸识别功能，音视频的编码（压缩）和解码（解压缩），都需要用到GPU来达到高并发最好的效果)

需要注意：大多Metal程序，是不支持模拟器执行的，需要真机去执行。因此，对于真机也有要求：A7以上的处理器，也就是6s及以后的手机。

2、特点

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1. CPU的开销非常低
2. 发挥GPU的最佳性能（主要还是苹果自己调用自己的硬件更加得心应手）
3. 最大限度提高CPU/GPU的并发性
4. 更加有效的管理我们的资源

3、图形管道

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大致和OpenGL ES没啥区别，最多就是 Shader改了个名字，叫Processing。

CPU部分： 处理顶点数据，传给顶点程序（着色器）

GPU部分：

1. 顶点着色器处理CPU传过来的顶点数据，进行一系列坐标转换、裁剪 ↓
2. 进行图元装配 ↓
3. 光栅化 ↓
4. 片元程序（着色器）去处理纹理、透明度、深度等 ↓
5. 把最终数据存储到帧缓冲区，并显示到屏幕上

需要注意的是：
OpenGL ES的图元连接方式有9种：点、线、线段、线环、四边形、四边形带、三角形、三角形带、三角形扇

而Metal只有5种:点、线段、线环、三角形、三角形扇

4、Metal的使用建议

1. Separate Your Rendering Loop:分开渲染循环，苹果不希望渲染的处理放在VC中，希望我们可以把与Metal有关的渲染循环封装到一个单独的类中

2. Respond to View Events:响应视图的方法，也就是我们要遵循在单独的渲染类中遵循MTKViewDelegate的协议，实现2个代理方法

3. Metal Command Objects:命令对象，也就是我们要使⽤MTLCommandQueue创建对象并且加⼊到MTCommandBuffer对象中去，然后与GPU进行交互

5、Metal命令对象之间的关系

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1. 命令缓存区(command buffer) 是从命令队列(command queue) 创建的
2. 命令编码器(command encoders) 将命令编码到命令缓存区中
3. 提交命令缓存区并将其发送到GPU
4. GPU执⾏命令并将结果呈现为可绘制

二、Metal的相关API

1、MTKView

官方文档《MTKView》

与GLKit中提供的GLKView类似。Metal为我们提供的是MTKView，继承自UIView，用于处理metal绘制并显示到屏幕过程中的细节。

MTKView *view = [[MTKView alloc] init];

2、MTLDevice

MTLDevice对象表示可以执行命令的GPU。MTLDevice协议具有：
创建新命令队列、 从内存中分配缓冲区、 创建纹理、 查询设备功能的方法。

要获得系统上的首选系统设备，请调用MTLCreateSystemDefaultDevice函数。
官方文档《The Device Object Represents a GPU》

一个MTLDevice对象就代表这着一个GPU,通常我们可以调用方法MTLCreateSystemDefaultDevice()来获取代表默认的GPU单个对象。其实也相当于我们要获取一个操作GPU的使用权限。

注意：MTKView必须设置MTLDevice。

//创建一个默认的device
view.device = MTLCreateSystemDefaultDevice();

//判断是否设置成功，因为后面有很多地方需要用到device，如果不成功就没什么意义了
if (!view.device) {
    NSLog(@"Metal is not supported on this device");
    return;
}

3、MTLCommandQueue

官方文档《命令队列》

前提是MTLDevice创建成功，在获取了GPU之后，还需要一个渲染队列MTLCommandQueue，这个队列是与GPU交互的第一个对象，队列MTLCommandQueue中存储的是将要进行渲染的命令MTLCommandBuffer。

每个命令队列的生命周期很长，因此commandQueue可以重复使用，而不是频繁创建和销毁。

//通过 MTLDevice 创建 MTLCommandQueue
id commandQueue = [view.device newCommandQueue];

4、MTLCommandBuffer

官方文档《命令缓冲区》

命令缓冲区主要是用于存储编码的命令，其生命周期是直到缓冲区被提交到GPU执行为止，单个的命令缓冲区可以包含不同的编码命令，主要取决于用于构建它的编码器的类型和数量。

//通过 MTLCommandQueue 创建 MTLCommandBuffer
id commandBuffer = [commandQueue commandBuffer];
//给commandBuffer起个名字
commandBuffer.label = @"MyCommand";

MTLCommandBuffer对象的提交，是提交到MTLCommandQueue对象中的。只有在提交后开始执行，通过入队顺序执行。有两种执行方式：

• enqueue ： 顺序执行
• commit ： 插队尽快执行，如果前面有commit还是需要排队等着

5、MTLRenderCommandEncoder

官方文档《命令编码器》

命令编码器表示单个渲染过程中相关联的渲染状态和渲染命令，有以下功能：

• 指定图形资源，例如缓存区和纹理对象，其中包含顶点、片元、纹理图片数据
• 指定一个MTLRenderPipelineState对象，表示编译的渲染状态，包含顶点着色器和片元着色器的编译&链接情况
• 指定固定功能，包括视口、三角形填充模式、剪刀矩形、深度、模板测试以及其他值
• 绘制3D图元

MTLRenderCommandEncoder的创建，需要渲染描述符MTLRenderPassDescriptor

//1.从视图绘制中,获得渲染描述符
MTLRenderPassDescriptor *renderPassDescriptor =  view.currentRenderPassDescriptor;
    
//2.判断renderPassDescriptor 渲染描述符是否创建成功,否则则跳过任何渲染.
if(renderPassDescriptor != nil)
{
    //3.创建MTLRenderCommandEncoder 对象
    id renderEncoder = [commandBuffer renderCommandEncoderWithDescriptor:renderPassDescriptor];
    //4.给Encoder命名
    renderEncoder.label = @"MyRenderEncoder";

    //5.一些Metal文件的绘制操作
    //...
    
    //6.结束工作
    [renderEncoder endEncoding];
 
}

6、MTKViewDelegate

//设置MTKView 的代理(由自定义的CustomRender来实现MTKView 的代理方法)
view.delegate = render;
    
//视图可以根据视图属性上设置帧速率(指定时间来调用drawInMTKView方法--视图需要渲染时调用)也就是每60帧刷新一次屏幕
view.preferredFramesPerSecond = 60;


//每当视图需要渲染时调用
- (void)drawInMTKView:(nonnull MTKView *)view;

//当MTKView视图发生大小改变时，或者重新布局时调用
 - (void)mtkView:(nonnull MTKView *)view drawableSizeWillChange:(CGSize)size;
 

三、小案例

这里放一个小案例-渲染随机背景色，来体现一下Metal语法实际编写过程中的样子。

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首先，我们遵从苹果的建议，独立一个渲染类CustomRender

1、CustomRender.h

#import 
#import 

NS_ASSUME_NONNULL_BEGIN

@interface CustomRender : NSObject

-(id)initWithMetalKitView:(MTKView *)mtkView;

@end

2、CustomRender.m

#import "CustomRender.h"

@implementation CustomRender
{
    id _device;
    id _commandQueue;
}

//颜色结构体
typedef struct {
    float red, green, blue, alpha;
} Color;


//初始化方法
- (id)initWithMetalKitView:(MTKView *)mtkView
{
    self = [super init];
    if(self)
    {
        //拿到外界传进来的device
        _device = mtkView.device;


        //通过 device 创建_commandQueue
        _commandQueue = [_device newCommandQueue];
    }

    return self;
}


//设置颜色
- (Color)makeFancyColor
{
    //1. 增加颜色/减小颜色的 标记
    static BOOL       growing = YES;
    //2.颜色通道值(0~3)
    static NSUInteger primaryChannel = 0;
    //3.颜色通道数组colorChannels(颜色值)
    static float      colorChannels[] = {1.0, 0.0, 0.0, 1.0};
    //4.颜色调整步长
    const float DynamicColorRate = 0.015;
    
    //5.判断
    if(growing)
    {
        //动态信道索引 (1,2,3,0)通道间切换
        NSUInteger dynamicChannelIndex = (primaryChannel+1)%3;
        
        //修改对应通道的颜色值 调整0.015
        colorChannels[dynamicChannelIndex] += DynamicColorRate;
        
        //当颜色通道对应的颜色值 = 1.0
        if(colorChannels[dynamicChannelIndex] >= 1.0)
        {
            //设置为NO
            growing = NO;
            
            //将颜色通道修改为动态颜色通道
            primaryChannel = dynamicChannelIndex;
        }
    }
    else
    {
        //获取动态颜色通道
        NSUInteger dynamicChannelIndex = (primaryChannel+2)%3;
        
        //将当前颜色的值 减去0.015
        colorChannels[dynamicChannelIndex] -= DynamicColorRate;
        
        //当颜色值小于等于0.0
        if(colorChannels[dynamicChannelIndex] <= 0.0)
        {
            //又调整为颜色增加
            growing = YES;
        }
    }
    
    //创建颜色
    Color color;
    
    //修改颜色的RGBA的值
    color.red   = colorChannels[0];
    color.green = colorChannels[1];
    color.blue  = colorChannels[2];
    color.alpha = colorChannels[3];
    
    //返回颜色
    return color;
}


//MTKViewDelegate代理方法
-(void)drawInMTKView:(MTKView *)view{

  
    //1. 获取颜色值
    Color color = [self makeFancyColor];
    //2. 设置view的clearColor
    view.clearColor = MTLClearColorMake(color.red, color.green, color.blue, color.alpha);

   

    //1、使用Queue创建对象，并添加到buffer对象中去
    id commandBuffer = [_commandQueue commandBuffer];

    //2、获取渲染描述符
    MTLRenderPassDescriptor *renderPassDescriptor = view.currentRenderPassDescriptor;

    //3、判断，不成功则跳过任何渲染
    if (renderPassDescriptor != nil) {

        //4、通过 渲染描述符 创建 渲染编码器 对象
        id renderEncoder = [commandBuffer renderCommandEncoderWithDescriptor:renderPassDescriptor];

        //5、给渲染编码器 命名
        renderEncoder.label = @"myEncoder";

        //6、这里执行metal需要处理的渲染



        //7、结束编码
        [renderEncoder endEncoding];

        /*
         当编码器结束之后,命令缓存区就会接受到2个命令.
         1) present
         2) commit
         因为GPU是不会直接绘制到屏幕上,因此你不给出去指令.是不会有任何内容渲染到屏幕上.
        */

        //8.添加一个最后的命令来显示清除的可绘制的屏幕
        [commandBuffer presentDrawable:view.currentDrawable];

    }

    //9、在这里完成渲染并将命令缓冲区提交给GPU
    [commandBuffer commit];
}

- (void)mtkView:(MTKView *)view drawableSizeWillChange:(CGSize)size
{

}


  
@end

3、ViewController.m

#import "ViewController.h"
#import "CustomRender.h"
@interface ViewController ()
{
    MTKView *_view;
    CustomRender *_render;
  
}
@end

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
     
    //1、
    _view = [[MTKView alloc] initWithFrame:CGRectMake(0, 0, self.view.frame.size.width, self.view.frame.size.height)];
    
    
    UILabel *label = [[UILabel alloc]initWithFrame:CGRectMake(0, 200, self.view.frame.size.width, 200)];
    label.text = @"Hello";
    label.font = [UIFont fontWithName:@"AmericanTypewriter" size:50];
    label.textAlignment = NSTextAlignmentCenter;
    [_view addSubview:label];
    
    [self.view addSubview:_view];

    //2、创建一个默认的device
    _view.device = MTLCreateSystemDefaultDevice();

    //3、判断是否设置成功，因为后面有很多地方需要用到device，如果不成功就没什么意义了
    if (!_view.device) {
        NSLog(@"Metal is not supported on this device");
        return;
    }


    //4、因为要遵从苹果的建议，加载渲染的类
    _render = [[CustomRender alloc]initWithMetalKitView:_view];

    //5、判断
    if (!_render) {
        NSLog(@"Renderer failed initialization");
        return;
    }

    //6、设置MTKView 的代理(由自定义的CustomRender来实现MTKView 的代理方法)
    _view.delegate = _render;


    //7、设置帧速率，也就是多少帧调用一次渲染代理方法
    _view.preferredFramesPerSecond = 60;
}