Metal初探

Metal介绍

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

Metal具有以下特点

• 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

图形管道 graphics pipelines
Metal中图形管道与OpenGL ES是一致的，并没有什么差别，如图所示

• 通过CPU将顶点数据传递到顶点着色器
• 顶点着色器将处理好的顶点进行图元装配
• 然后进行光栅化，得到每个像素点的颜色值
• 然后将颜色传入片元着色器进行处理
• 最后将数据存储到帧缓存区，并显示到屏幕上

Metal的使用建议

苹果对metal的使用有以下几点建议：

• Separate Your Rendering Loop (分开渲染循环)：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
• Respond to View Events (响应视图的事件)：即MTKViewDelegate协议，也需要放在自定义的渲染循环中
• 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对象以及MTCommandBuffer渲染缓存区

Metal命令对象之间的关系

metal命令对象之间的关系如下图所示

• 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

下面介绍Metal的相关API

Metal API

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。

所以在使用metal时，首先需要先创建MTKView对象，有两种创建方式

• 直接修改storyboard中view的类
• 使用init创建

MTLDevice

由于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，在iOS中一般是通过默认的方式MTLCreateSystemDefaultDevice()获取GPU

_view.device = MTLCreateSystemDefaultDevice();

metal的使用必须使用真机，且必须是6s及以上的机型
如果设备不支持mental，将会返回空
如果想使用多个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

MTLDevice协议表示可以执行命令的GPU，提供了如下功能

• 创建新的命令队列
• 从内存分配缓冲区
• 创建纹理
• 查询设备功能

MTLCommandQueue

在获取了GPU后，还需要一个渲染队列，即命令队列Command Queue类型是MTLCommandQueue，该队列是与GPU交互的第一个对象，队列中存储的是将要渲染的命令MTLCommandBuffer。

队列的获取需要通过MTLDevice对象获取，且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。

_commandQueue = [_device newCommandQueue];

在绘制之前，首先需要配置好MTKView、MTLDevice以及MTLCommandQueue后，其次是准备渲染到屏幕上的数据，即准备缓存数据MTLCommandBuffer，例如顶点数据等。

简单的渲染流程就是

• 先通过MTLCommandBuffer创建渲染缓存区，
• 其次通过MTLRenderPassDescriptor创建渲染描述符，
• 然后再通过创建的渲染缓存区和渲染描述符创建命令编辑器MTLRenderCommandEncoder进行编码
• 最后是结束编码，提交渲染命令，在完成渲染后，将命令缓存区提交至GPU

MTLCommandBuffer

命令缓存区 Command Buffer主要是用于存储编码的命令，其生命周期是知道缓存区被提交到GPU执行为止，单个的命令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。

命令缓存区的创建可以通过调用MTLCommandQueue的commandBuffer方法。且command buffer对象的提交只能提交至创建它的MTLCommandQueue对象中

commandBuffer在未提交命令缓存区之前，是不会开始执行的，提交后，命令缓存区将按其入队的顺序执行，commandBuffer的提交方式有以下两种，不同的提交方式表示不同的执行顺醋

• enqueue：顺序执行，enqueue方法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，当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还是需要排队等着

渲染缓冲区提交的方式

MTLRenderCommandEncoder

MTLRenderCommandEncoder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命令编辑器提供的功能

其中在创建commandEncoder之前，需要县创建渲染描述符MTLRenderPassDescriptor，渲染描述符通过MTKView的currentRenderPassDescriptor获取

MTLRenderPassDescriptor *renderPassDescriptor = view.currentRenderPassDescriptor;

然后通过commandBuffer结合渲染描述符创建命令编辑器

id renderEncoder = [commandBuffer renderCommandEncoderWithDescriptor:renderPassDescriptor];

通过苹果官方文档-MTLRenderCommandEncoder，着重说下使用渲染命令编码器执行渲染的过程

命令编辑器执行渲染的流程

• 通过调用MTLCommandBuffer对象的makeRenderCommandEncoder(descriptor :)方法来创建MTLRenderCommandEncoder对象。
• 调用setRenderPipelineState(_ :)方法以指定MTLRenderPipelineState，该状态定义图形渲染管道的状态，包括顶点和片段函数。
• 指定用于顶点和片元函数输入和输出的资源，并在对应的参数中设置每个资源的位置（即索引），即将顶点数据等通过commandEncoder调用setVertexBytes:length:atIndex:函数传递到metal文件的顶点着色器和片元着色器函数
• 指定其他的固定功能状态，例如通过commandEncoder调用setViewport:函数设置视口大小等
• 绘制图形
• 调用endEncoding()方法以终止渲染命令编码器。

参考链接

• Metal苹果官方使用链接
  Metal Best Practices Guide
  Metal Programming Guide

• Metal中常用的API
  MTKView

• Metal中的常用协议
  MTLDevice
  MTLCommandQueue
  MTLCommandBuffer
  MTLCommandEncoder

• Metal案例（苹果官方提供）
  Metal Sample Code