Step 1 搭建一个简单的渲染框架

万事开头难。从萌生到自己到处看源码手抄一个mini engine出来的想法，到真正敲键盘去抄，转眼过去了很久的时间。这次大概的确是抱着认真的想法，打开VS从零开始抄代码。不知道能坚持多久呢。。。

本次的主题是搭一个简单的渲染框架。这里我们先假定要使用的底层图形API为DX12，当然代码设计上渲染和API层面肯定是要解耦的，如果有一天去抄OpenGL或是Vulcan的代码的时候，总不可能要重写已有的逻辑。另外，由于DX12的初始化逻辑中需要HWND类型的窗口句柄，所以这里也就需要引入原生的Windows API来绘制窗口了。当然同样的道理，窗口系统与绘制的API也没有什么耦合关系。

那么先从Main函数写起，它是最简单的，只做初始化和运行两件事情：

int main()
{
	EngineLoop loop(hInstance);
	if (!loop.Initialize())
		return 0;

	return loop.Run();
}

EngineLoop类里目前包含我们这里需要的窗口系统和图形系统。初始化的逻辑是有顺序的，这里我们先初始化窗口系统，再初始化图形系统：

bool EngineLoop::Initialize()
{
    m_pWindowSystem = MakeShared();
    if (!m_pWindowSystem->Initialize(windowSystemCfg))
    {
        return false;
    }

    m_pGraphicsSystem = MakeShared();
    if (!m_pGraphicsSystem->Initialize(graphicsSystemCfg))
    {
        return false;
    }
    return true;
}

我们用智能指针shared_ptr管理这些System。这样它们的生命周期就和EngineLoop保持一致，不用担心析构的时候忘记释放它们。

为了把创建绘制窗口的API与窗口本身的逻辑分开，窗口系统持有一个LowLevelWindow抽象类的指针。通过这个指针去真正地创建窗口，绘制窗口，以及响应窗口的事件等等：

bool WindowSystem::Initialize(const WindowSystemCfg& cfg)
{
    m_pWindow = MakeShared();

    if (!m_pWindow->Initialize(windowCfg))
    {
        return false;
    }
    return true;
}

同样图形系统也是，我们使用RHI抽象类的指针来真正跟图形硬件打交道：

bool GraphicsSystem::Initialize(const GraphicsSystemCfg& cfg)
{
    m_pRHI = MakeShared();

    if (!m_pRHI->Initialize(rhiCfg))
    {
        return false;
    }
    return true;
}

对于DX12来说，那么就有一个D3D12RHI的子类啦。目前我们先不考虑渲染任何东西，只是把初始化的工作做掉，那需要哪些东西呢？

首先IDXGIFactory和ID3D12Device这两货肯定是需要的，如果没有它们，整个初始化逻辑就没法跑；IDXGISwapChain也是必要的，不然连back buffer都没有；然后我们需要使用绘制指令来进行各种底层操作，那就需要ID3D12CommandQueue，ID3D12CommandAllocator和ID3D12GraphicsCommandList这三剑客了。ID3D12CommandQueue是指令的执行者，它可以包含多个command list；command allocator是存储指令的数据结构，command list里记录的指令实际上是保存到这里。另外，由于GPU指令的执行对CPU来说是异步的，因此还需要一个ID3D12Fence用于同步。我们使用ComPtr来管理这些类，ComPtr对象当引用计数为0时，会自动调用Release接口，从而避免内存泄漏。

class D3D12RHI : public RHI
{
private:

    ComPtr m_pDevice;
    ComPtr m_pDxGiFactory;
    ComPtr m_pFence;
    ComPtr m_pCommandQueue;
    ComPtr m_pDirectCmdListAlloc;
    ComPtr m_pCommandList;
    ComPtr m_pSwapChain;
};

DX12的资源和view是分开的，一个资源可以对应多种view，这里的view以D3D12_CPU_DESCRIPTOR_HANDLE来区分。一个资源每使用一个view，就需要往ID3D12DescriptorHeap申请一个空闲的handle。那么我们可以把这个过程抽象一下，封装一个D3D12DescriptorHeap类，它负责分配空闲的handle给申请者：

class D3D12DescriptorHeap
{
public:
    D3D12DescriptorHeap(ID3D12Device* pDevice, D3D12_DESCRIPTOR_HEAP_TYPE type, UInt32 numDescriptors);
    void Initialize();
    D3D12_CPU_DESCRIPTOR_HANDLE Allocate();

private:
    ID3D12Device* m_pDevice = nullptr;
    D3D12_DESCRIPTOR_HEAP_TYPE m_type;
    UInt32 m_numDescriptors = 0;
    UInt32 m_descriptorSize = 0;
    UInt32 m_remainingFreeHandles;
    CD3DX12_CPU_DESCRIPTOR_HANDLE m_cpuHandle;
    ComPtr m_pDescriptorHeap;
};

初始化过程中我们需要创建若干back buffer和一个depth buffer，这两个buffer的创建方式有区别，但它们本质上都属于资源，因此给它们各自一个类，然后共同继承D3D12Resource这个类，这个类包含一些对资源的通用操作。

class D3D12Resource : public D3D12RHIChild
{
public:
    D3D12Resource(D3D12RHI* pRHI) : D3D12RHIChild(pRHI), m_state(D3D12_RESOURCE_STATE_COMMON) {}
    void SetState(D3D12_RESOURCE_STATES state);

protected:
    D3D12_RESOURCE_STATES m_state;
    ComPtr m_pResource;
};

class D3D12BackBuffer : public D3D12Resource
{
public:
    D3D12BackBuffer(D3D12RHI* pRHI) : D3D12Resource(pRHI), m_rtvHandle() {}
    void Initialize(Int32 index);
    void Clear(const Color& color);
    D3D12_CPU_DESCRIPTOR_HANDLE GetRtvHandle() const { return m_rtvHandle; }
private:
    D3D12_CPU_DESCRIPTOR_HANDLE m_rtvHandle;
};

class D3D12DepthBuffer : public D3D12Resource
{
public:
    D3D12DepthBuffer(D3D12RHI* pRHI) : D3D12Resource(pRHI), m_dsvHandle() {}
    void Initialize(Int32 clientWidth, Int32 clientHeight, DXGI_FORMAT format);
    void Clear(D3D12_CLEAR_FLAGS clearFlags, Float depth, UInt8 stencil);
    D3D12_CPU_DESCRIPTOR_HANDLE GetDsvHandle() const { return m_dsvHandle; }

private:
    D3D12_CPU_DESCRIPTOR_HANDLE m_dsvHandle;
};

初始化流程完毕之后，我们就要准备update了。现阶段我们啥也不做，就准备一下渲染环境吧。我们在RHI类中添加了PrepareRender和FinishRender两个抽象接口，分别表示准备渲染以及完成渲染提交显示的逻辑。对于DX12来说，在渲染前/后要准备哪些事情呢？

渲染前，首先是清空command，让command相关的数据结构保证可用；然后获取当前要渲染的back buffer，设置其状态为D3D12_RESOURCE_STATE_RENDER_TARGET；然后对back buffer和depth buffer执行clear操作，最后提交给硬件。在渲染结束之后，同样我们要把当前back buffer的状态切回渲染前的，如果是多缓冲要切到下一个可用的back buffer，执行掉中间产生的所有渲染指令，显示到屏幕上。

自此，一个最简单的渲染框架就搭好了，运行起来也就是一个填充满clear color的窗口，并没有什么稀奇，然而背后的代码量却有数百行了。