探索iOS之Metal编程指南

iOS推出Metal渲染库为了取代OpenGL。Metal有自己的Shader语言，渲染效率比OpenGL高。在这里我们一起探索：Metal使用C++限制、预处理定义、动态链接配置、GPU编译配置、设备坐标系、视口坐标系、纹理坐标系、矢量类型、矩阵类型、采样器状态、矩阵相乘。

1、使用C++限制

C++14的一些特性无法在Metal使用，具体如下：

• lambda表达式
• dynamic_cast操作
• 类型检测
• new和delete操作
• noexcept操作
• goto跳转
• register、thread_local关键字
• virtual虚函数
• 派生类
• 异常处理

另外，不要在Metal代码使用C++标准库。函数指针在Metal2.3才支持。

2、预处理定义

预处理定义包括：Metal版本、在macOS或iOS平台编译。如下所示：

__METAL_VERSION__ // Set to the Metal language revision
__METAL_MACOS__   // Set if compiled with the macOS Metal language
__METAL_IOS__     // Set if compiled with the iOS Metal language
__METAL__         // Set if compiled with the unified Metal language

还有一些TARGET_OS的预定义：

TARGET_OS_MAC          // run on MacOS
TARGET_OS_OSX          // run on OSX
TARGET_OS_IPHONE       // run on devices or simulator
TARGET_OS_IOS          // run on iOS
TARGET_OS_TV           // run on Apple TV OS
TARGET_OS_MACCATALYST  // run on MacOS
TARGET_OS_SIMULATOR    // run on simulator

3、动态链接配置

Metal动态链接包括指定动态库/静态库、安装路径，如下所示：

• -dynamiclib：指定为动态库
• -install_name：动态库安装路径

4、GPU编译配置

在iOS16或macOS13以后，支持配置GPU编译，具体配置选项如下：

-arch       // 指定系统架构
-gpu-family // MTLGPUFamily架构
-N          // 描述Metal脚本格式，后缀.mtlp-json

5、设备坐标系

Normalized Device Coordinate归一化设备坐标系，简称NDC。由xyz三维空间构成，其中z坐标点在0.0和1.0之间。如下图所示：

 

6、视口坐标系

光栅化阶段把设备坐标系转换为视口坐标系，测量单位为pixel像素，原点(0, 0)在左上角，往右下角增大。如下图所示：

 

7、纹理坐标系

纹理坐标系与视口坐标系类似，只是纹理坐标已被归一化，范围从0.0到1.0，中心点为(0.5, 0.5)，如下图所示：

 

8、矢量类型

矢量类型包括：bool、char、short、int、long、half、float等，同时后面跟着数值(2、3、4)。值得注意的是，这里有内存对齐，为2的n次方。这里以float展开，其他类型只列举数值2，如下表所示：

type	size	alignment
float2	8	8
float3	16	16
float4	16	16
bool2	2	2
char2	2	2
short2	4	4
half2	4	4
int2	8	8
long2	16	16

9、矩阵类型

矩阵类型包括half和float，而mxn阵列包括2x2、2x3、2x4、3x2、3x3、3x4、4x2、4x3、4x4，如下图所示：

 

10、采样器状态

Sampler采样器的状态枚举值，如下表所示：

变量	数值	描述
coord	normalized(默认) pixel	指定纹理坐标为归一化或像素
address	repeat mirrored_repeat clamp_to_edge clamp_to_zero clamp_to_border	纹理坐标的地址模式
border_color	transparent_black(默认) opaque_black opaque_white	边界颜色
filter	nearest(默认) linear	magnification和minification 过滤模式
mag_filter	nearest(默认) linear	magnification过滤模式
mig_filter	nearest(默认) linear	minification过滤模式
mip_filter	nearest(默认) linear	mipmap过滤模式
compare_func	never(默认) less / less_equal greater / greater_equal equal / not_equal always	设置比较函数

11、矩阵相乘

矩阵相乘有左乘与右乘的区别，类型包括：scalar乘以matrix、matrix乘以scalar、vector乘以matrix、matrix乘以vector、matrix乘以matrix。

参考链接：Metal-Shading-Language-Specification