Metal简介

Metal：苹果在2018年推出的用于取代在苹果端业务的图形编程接口。通过Metal相关API直接操作GPU，能最大限度的利用GPU能力。
2018年之前使用的是基于OpenGL ES 封装的GLKit。

Metal图形渲染管道

Metal图形渲染管道

屏幕快照 2020-08-24 11.32.51.png

Metal命令对象之间关系

Metal命令对象之间关系

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

Metal中一些常用类介绍

MTKView
在MetalKit中提供了一个视图类MTKView，类似于GLKit中GLKView，它是NSView（macOS中的视图类）或者UIView（iOS、tvOS中的视图类）的子类。用于处理metal绘制并显示到屏幕过程中的细节。使用metal时，需要先创建MTKView对象。

MTLDevice
Metal是操作GPU的，所以需要获取GPU使用权限，即拿到GPU对象。
Metal中提供了MTLDevice协议表示GPU接口。
iOS中一般是通过默认的方式MTLCreateSystemDefaultDevice()获取GPU。

_view.device = MTLCreateSystemDefaultDevice();

MTLDevice协议提供的功能:

• 创建新的命令队列
• 从内存分配缓存区
• 创建纹理
• 查询设备功能

官方文档 - The Device Object Represents a GPU
A MTLDevice object represents a GPU that can execute commands. The MTLDevice protocol has methods to create new command queues, to allocate buffers from memory, to create textures, and to make queries about the device’s capabilities. To obtain the preferred system device on the system, call the MTLCreateSystemDefaultDevice function.

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、创建纹理和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。

MTLCommandQueue
渲染队列：命令队列Command Queue(类型是MTLCommandQueue)与GPU交互的的第一个对象，队列中存储的是将要渲染的命令MTLCommandBuffer。
队列获取：队列通过MTLDevice对象获取，且每个命令队列的生命周期很长，因此Command Queue可重复使用，而不是频繁的创建、销毁。

_commandQueue = [_device newCommandQueue];

MTLCommandBuffer
命令缓存区Command Buffer：

• 作用：主要存储编码的命令。单个缓存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。
• 生命周期：缓存区被提交到GPU执行为止。
• 创建：可以通过调用MTLCommandQueue的commandBuffer方法。
• 缓存区的提交：Command buffer对象的提交只能提交至创建它的MTLCommandQueue对象中。Command buffer在未提交命令缓存区之前是不会执行的。提交后，命令缓存区会按照入队的顺序执行。
• 提交方式：
  • enqueue：顺序执行，在命令队列中为命令缓存区保留一个位置，此时并未提交命令缓存区，最终提交命令缓存区后，按照命令队列的顺序依次执行。
  • commit：插队尽快执行。如果前面有commit，仍需排队等待。

MTLRenderCommandEncoder

渲染命令执行渲染

渲染命令执行渲染

MTLRenderCommandEncoder单个渲染过程中相关联的渲染状态和渲染命令。
功能：

• 指定图形资源，例：缓存区和纹理对象，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、片元着色器的编译、链接状态。

• 指定固定功能(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

创建命令编译器

• 1、创建渲染描述符MTLRenderPassDescriptor,渲染描述符通过MTKView的currentRenderPassDescriptor获取。

MTLRenderPassDescriptor *renderPassDescriptor = view.currentRenderPassDescriptor;

• 2、结合渲染描述符创建命令编译器

id renderEncoder = [commandBuffer renderCommandEncoderWithDescriptor:renderPassDescriptor];

Metal优势：

• 低CPU开销
• 最佳GPU性能，即metal 能在GPU上发挥最大的性能
• 最大限度的提高CPU/GPU 的并发性
• 有效的资源管理

苹果对metal的使用有以下几点建议：

• 分开渲染循环Separate Your Rendering Loop：不希望将渲染的处理放到VC中，希望将渲染循环封装在一个单独的类中。
• 响应视图的事件Respond to View Events：MTKViewDelegate协议，也需要放在自定义的渲染循环中。
• 创建命令对象Metal Command Objects：创建一个命令对象，即创建执行命令的GPU、与GPU交互的MTLCommandQueue对象以MTCommandBuffer渲染缓存区湘。

注意：

• Metal的使用必须使用真机A7处理器，6s及以上的机型。
• 设备不支持Metal将返回空
• 想使用多个MTLDevice实例，或者从一个MTLDevice切换到另一个，则需要为每个MTLDevice创建单独的一组对象。