深入理解Direct3D9

深入理解D3D9对图形程序员来说意义重大，我把以前的一些学习笔记都汇总起来，希望对朋友们有些所帮助，因为是零散笔记，思路很杂，还请包涵。

其实只要你能完美理解D3DLOCK、D3DUSAGE、D3DPOOL、LOST DEVICE、QUERY、Present（）、BeginScene（）、EndScene（）等概念，就算是理解D3D9了， 不知道大家有没有同感。有如下几个问题，如果你能圆满回答就算过关：）。
1、       D3DPOOL_DEFAULT、D3DPOOL_MANAGED、D3DPOOL_SYSTEMMEM和D3DPOOL_SCRATCH到底有何本质区别？
2、       D3DUSAGE的具体怎么使用？
3、       什么是Adapter？什么是D3D Device？HAL Device和Ref Device有何区别？Device的类型又和Vertex Processing类型有什么关系？
4、       APP（CPU）、RUNTIME、DRIVER、GPU是如何协同工作的？D3D API是同步函数还是异步函数？
5、       Lost Device到底发生了什么？为什么在设备丢失后D3DPOOL_DEFAULT类型资源需要重新创建？

在D3D中有三大对象，他们是D3D OBJECT、D3D ADAPTER和D3D DEVICE。D3D OBJECT很简单，就是一个使用D3D功能的COM对象，其提供了创建DEVICE和枚举ADAPTER的功能。ADAPTER是对计算机图形硬件和软件性能的一个抽象，其包含了DEVICE。DEVICE则是D3D的核心，它包装了整个图形流水管线，包括变换、光照和光栅化（着色），根据D3D版本不同，流水线也有区别，比如最新的D3D10就包含了新的GS几何处理。图形管线的所有功能由DRIVER提供，而DIRVER分两类，一种是GPU硬件DRIVER，另一种是软件DRIVER，这就是为什么在D3D中主要有两类DEVICE， REF和HAL，使用REF DEVICE时，图形管线的光栅化功能由软件DRIVER在CPU上模拟的，REF DEVICE从名字就可以看出这个给硬件厂商做功能参考用的，所以按常理它应该是全软件实现，具备全部DX标准功能。而使用HAL DEVICE时，RUNTIME则将使用HAL硬件层控制GPU来完成变换、光照和光栅化，而且只有HAL DEVICE中同时实现了硬件顶点处理和软件顶点处理（REF DEVICE一般不能使用硬件顶点处理，除非自己在驱动上做手脚，比如PERFHUD）。另外还有个一个不常用的SOFTWARE DEVICE，用户可以使用DDI编写自己的软件图形驱动，然后注册进系统，之后便可在程序中使用。

检查系统软件硬件性能。
在程序的开始我们就要判断目标机的性能，其主要流程是：
确定要用的缓冲格式
GetAdapterCount()
GetAdapterDisplayMode

GetAdapterIdentifier //得到适配器描述
CheckDeviceType //判断指定适配器上的设备是否支持硬件加速
GetDeviceCaps //指定设备的性能，主要判断是否支持硬件顶点处理(T&L)
GetAdapterModeCount //得到适配器上指定缓冲格式所有可用的显示模式
EnumAdapterModes //枚举所有显示模式
CheckDeviceFormat
CheckDeviceMultiSampleType
详细使用请参考DX文档。

WINDOWS图形系统的主要分为四层：图形应用程序、D3D RUNTIME、SOFTWARE DRIVER和GPU。此四层是按功能来分的，实际上他们之间界限并不如此明确，比如RUNTIME中其实也包含有USER MODE的SOFTWARE DRIVER，详细结构这里不再多说。而在RUNTIME里有一个很重要的结构，叫做command buffer，当应用程序调用一个D3D API时，RUNTIME将调用转换成设备无关的命令，然后将命令缓冲到这个COMMAND BUFFER中，这个BUFFER的大小是根据任务负载动态改变的，当这个BUFFER满员之后，RUNTIME会让所有命令FLUSH到KERNEL模式下的驱动中，而驱动中也是有一个BUFFER的，用来存储已被转换成的硬件相关的命令，D3D一般只允许其缓冲最多3个帧的图形指令，而且RUNTIME和DRIVER都会被BUFFER中的命令做适当优化，比如我们在程序中连续设置同一个RENDER STATE，我们就会在调试信息中看到如下信息“Ignoring redundant SetRenderState - X”，这便是RUNTIME自动丢弃无用的状态设置命令。在D3D9中可以使用QUERY机制来与GPU进行异步工作，所谓QUERY就是查询命令，用来查询RUNTIME、DRIVER或者GPU的状态，D3D9中的QUERY对象有三种状态，SIGNALED、BUILDING和ISSUED，当他们处于空闲状态后会将查询状态置于SIGNALED STATE，查询分开始和结束，查询开始表示对象开始记录应用程序所需数据，当应用程序指定查询结束后，如果被查询的对象处于空闲状态，则被查询对象会将查询对象置于SIGNALED状态。GetData则是用来取得查询结果，如果返回的是D3D_OK则结果可用，如果使用D3DGETDATA_FLUSH标志，表示将COMMAND BUFFER中的所有命令都发送到DRIVER。现在我们知道D3D API绝大部分都是同步函数，应用程序调用后，RUNTIME只是简单的将其加入到COMMAND BUFFER，可能有人会疑惑我们如何测定帧率？又如何分析GPU时间呢？对于第一个问题我们要看当一帧完毕，也就是PRESENT()函数调用是否被阻塞，答案是可能被阻塞也可能不被阻塞，要看RUNTIME允许缓冲中存在的指令数量，如果超过额度，则PRESENT函数会被阻塞下来，如何PRESENT完全不被阻塞，当GPU执行繁重的绘制任务时，CPU工作进度会大大超过GPU，导致游戏逻辑快于图形显示，这显然是不行的。测定GPU工作时间是件很麻烦的事，首先我们要解决同步问题，要测量GPU时间，首先我们必须让CPU与GPU异步工作，在D3D9中可以使用QUERY机制做到这点，让我们看看Accurately Profiling Driect3D API Calls中的例子:
IDirect3DQuery9* pQueryEvent;

//1.创建事件类型的查询事件
m_pD3DDevice->CreateQuery( D3DQUERYTYPE_EVENT, &pQueryEvent);
//2.在COMMAND BUFFER中加入一个查询结束的标记，此查询默认开始于CreateDevice
pQueryEvent->Issue(D3DISSUE_END);
//3.将COMMAND BUFFER中的所有命令清空到DRIVER中去，并循环查询事件对象转换到SIGNALED状态，当GPU完成CB中所有命令后会将查询事件状态进行转换。
while(S_FALSE == pQueryEvent->GetData( NULL, 0, D3DGETDATA_FLUSH) )
     ;
LARGE_INTEGER start, stop;
QueryPerformanceCounter(&start); 
SetTexture();
DrawPrimitive(); 
pQueryEvent->Issue(D3DISSUE_END);
while(S_FALSE == pQueryEvent->GetData( NULL, 0, D3DGETDATA_FLUSH) )
       ;
QueryPerformanceCounter(&stop); 

1.第一个GetData调用使用了D3DGETDATA_FLUSH标志，表示要将COMMAND BUFFER中的绘制命令都清空到DRIVER中去，当GPU处理完所有命令后会将这个查询对象状态置SIGNALED。
2.将设备无关的SETTEXTURE命令加入到RUNTIME的COMMAND BUFFER中。
3.将设备无关的DrawPrimitive命令加入到RUNTIME的COMMAND BUFFER中。
4.将设备无关的ISSUE命令加入到RUNTIME的COMMAND BUFFER中。
5.GetData会将BUFFER中的所有命令清空到DRIVER中去，注意这是GETDATA不会等待GPU完成所有命令的执行才返回。这里会有一个从用户模式到核心模式的切换。
6.等待DRIVER将所有命令都转换为硬件相关指令，并填充到DRIVER BUFFER中后，调用从核心模式返回到用户模式。
7.GetData循环查询 查询对象 状态。当GPU完成所有DRIVER BUFFER中的指令后会改变查询对象的状态。

如下情况可能清空RUNTIME COMMAND BUFFER，并引起一个模式切换：
1.Lock method（某些条件下和某些LOCK标志）

2.创建设备、顶点缓冲、索引缓冲和纹理
3.完全释放设备、顶点缓冲、索引缓冲和纹理资源
4.调用ValidateDevice
5.调用Present
6.COMMAND BUFFER已满
7.用D3DGETDATA_FLUSH调用GetData函数

对于D3DQUERYTYPE_EVENT的解释我不能完全理解（Query for any and all asynchronous events that have been issued from API calls）明白的朋友一定告诉我，只知道当GPU处理完D3DQUERYTYPE_EVENT类型查询在CB中加入的D3DISSUE_END标记后，会将查询对象状态置SIGNALED状态，所以CPU等待查询一定是异步的。为了效率所以尽量少在PRESENT之前使用BEGINSCENE ENDSCENE对，为什么会影响效率？原因只能猜测，可能EndScene会引发Command buffer flush这样会有一个执行的模式切换，也可能会引发D3D RUNTIME对MANAGED资源的一些操作。而且ENDSCENE不是一个同步方法，它不会等待DRIVER把所有命令执行完才返回。 

D3D RUTIME的内存类型，分为3种，VIDEO MEMORY（VM）、AGP MEMORY（AM）和SYSTEM MEMORY（SM），所有D3D资源都创建在这3种内存之中，在创建资源时，我们可以指定如下存储标志，D3DPOOL_DEFAULT、D3DPOOL_MANAGED、D3DPOOL_SYSTEMMEM和D3DPOOL_SCRATCH。VM就是位于显卡上的显存，CPU只能通过AGP或PCI-E总线访问到，读写速度都是非常慢的，CPU连续写VM稍微快于读，因为CPU写VM时会在CACHE中分配32或64个字节（取决于CACHE LINE长度）的写缓冲，当缓冲满后会一次性写入VM；SM就是系统内存，CPU读写都非常快，因为SM是被CACHE到2级缓冲的，但GPU却不能直接访问到系统缓冲，所以创建在SM中的资源，GPU是不能直接使用的；AM是最麻烦的一个类型，AM实际也存在于系统内存中，但这部分MEM不会被CPU CACHE，意味着CPU读写AM都会写来个CACHE MISSING然后才通过内存总线访问AM，所以CPU读写AM相比SM会比较慢，但连续的写会稍微快于读，原因就是CPU写AM使用了“write combining”，而且GPU可以直接通过AGP或PCI-E总线访问AM。 

如果我们使用D3DPOOL_DEFAULT来创建资源，则表示让D3D RUNTIME根据我们指定的资源使用方法来自动使用存储类型，一般是VM或AM，系统不会在其他地方进行额外备份，当设备丢失后，这些资源内容也会被丢失掉。但系统并不会在创建的时候使用D3DPOOL_SYSTEMMEM或D3DPOOL_MANAGED来替换它，注意他们是完全不同的POOL类型，创建到D3DPOOL_DEFAULT中的纹理是不能被CPU LOCK的，除非是动态纹理。但创建在D3DPOOL_DEFAULT中的VB IB RENDERTARGET BACK BUFFERS可以被LOCK。当你用D3DPOOL_DEFAULT创建资源时，如果显存已经使用完毕，则托管资源会被换出显存来释放足够的空间。 D3DPOOL_SYSTEMMEM和D3DPOOL_SCRATCH都是位于SM中的，其差别是使用D3DPOOL_SYSTEMMEM时，资源格式受限于Device性能，因为资源很可能会被更新到AM或VM中去供图形系统使用，但SCRATCH只受RUNTIME限制，所以这种资源无法被图形系统使用。 D3DRUNTIME会优化D3DUSAGE_DYNAMIC 资源，一般将其放置于AM中，但不敢完全保证。另外为什么静态纹理不能被LOCK，动态纹理却可以，都关系到D3D RUNTIME的设计，在后面D3DLOCK说明中会叙述。

D3DPOOL_MANAGED表示让D3D RUNTIME来管理资源，被创建的资源会有2份拷贝，一份在SM中，一份在VM/AM中，创建的时候被放置L在SM，在GPU需要使用资源时D3D RUNTIME自动将数据拷贝到VM中去，当资源被GPU修改后，RUNTIME在必要时自动将其更新到SM中来，而在SM中修改后也会被UPDATE到VM去中。所以被CPU或者GPU频发修改的数据，一定不要使用托管类型，这样会产生非常昂贵的同步负担。当LOST DEVICE发生后，RESET时RUNTIME会自动利用SM中的COPY来恢复VM中的数据，因为备份在SM中的数据并不是全部都会提交到VM中，所以实际备份数据可以远多于VM容量，随着资源的不断增多，备份数据很可能被交换到硬盘上，这是RESET的过程可能变得异常缓慢，RUNTIME给每个MANAGED资源都保留了一个时间戳，当RUNTIME需要把备份数据拷贝到VM中时，RUNTIME会在VM中分配显存空间，如果分配失败，表示VM已经没有可用空间，这样RUNTIME会使用LRU算法根据时间戳释放相关资源，SetPriority通过时间戳来设置资源的优先级，最近常用的资源将拥有高的优先级，这样RUNTIME通过优先级就能合理的释放资源，发生释放后马上又要使用这种情况的几率会比较小，应用程序还可以调用EvictManagedResources强制清空VM中的所有MANAGED资源，这样如果下一帧有用到MANAGED资源，RUNTIME需要重新载入，这样对性能有很大影响，平时一般不要使用，但在关卡转换的时候，这个函数是非常有用的，可以消除VM中的内存碎片。LRU算法在某些情况下有性能缺陷，比如绘制一帧所需资源量无法被VM装下的时候（MANAGED），使用LRU算法会带来严重的性能波动，如下例子：

BeginScene();
Draw(Box0);
Draw(Box1);
Draw(Box2);
Draw(Box3);
Draw(Circle0);
Draw(Circle1);
EndScene();
Present();

假设VM只能装下其中5个几何体的数据，那么根据LRU算法，在绘制Box3之前必须清空部分数据，那清空的必然是Circle0……，很显然清空Box2是最合理的，所以这是RUNTIME使用MRU算法处理后续Draw Call能很好的解决性能波动问题，但资源是否被使用是按FRAME为单位来检测的，并不是每个DRAW CALL都被记录，每个FRAME的标志就是BEGINSCENE/ENDSCENE对，所以在这种情况下合理使用BEGINSCENE/ENDSCENE对可以很好的提高VM不够情况下的性能。根据DX文档的提示我们还可以使用QUERY机制来获得更多关于RUNTIME MANAGED RESOURCE信息，但好像只在RUNTIME DEBUG模式下有用，理解RUNTIME如何MANAGE RESOURCE很重要，但编写程序的时候不要将这些细节暴露出来，因为这些东西都是经常会变的。最后还要提醒的是，不光RUNTEIME会MANAGE RESOURCE，DRIVER也很可能也实现了这些功能，我们可以通过D3DCAPS2_CANMANAGERESOURCE标志取得DRIVER是否实现资源管理功能的信息，而且也可以在CreateDevice的时候指定D3DCREATE_DISABLE_DRIVER_MANAGEMENT来关闭DRIVER资源管理功能。  

D3DLOCK探索D3D RUNTIME工作

如果LOCK DEFAULT资源会发生什么情况呢？DEFAULT资源可能在VM或AM中，如果在VM中，必须在系统内容中开辟一个临时缓冲返回给数据，当应用程序将数据填充到临时缓冲后，UNLOCK的时候，RUNTIME会将临时缓冲的数据传回到VM中去，如果资源D3DUSAGE属性不是WRITEONLY的，则系统还需要先从VM里拷贝一份原始数据到临时缓冲区，这就是为什么不指定WRITEONLY会降低程序性能的原因。CPU写AM也有需要注意的地方，因为CPU写AM一般是WRITE COMBINING，也就是说将写缓冲到一个CACHE LINE上，当CACHE LINE满了之后才FLUSH到AM中去，第一个要注意的就是写数据必须是WEAK ORDER的（图形数据一般都满足这个要求），据说D3DRUNTIME和NV DIRVER有点小BUG，就是在CPU没有FLUSH到AM时，GPU就开始绘制相关资源产生的错误，这时请使用SFENCE等指令FLUSH CACHE LINE。第二请尽量一次写满一个CACHE LINE，否则会有额外延迟，因为CPU每次必须FLUSH整个CACHE LINE到目标，但如果我们只写了LINE中部分字节，CPU必须先从AM中读取整个LINE长数据COMBINE后重新FLUSH。第三尽可能顺序写，随机写会让WRITE COMBINING反而变成累赘，如果是随机写资源，不要使用D3DUSAGE_DYNAMIC创建，请使用D3DPOOL_MANAGED，这样写会完全在SM中完成。

普通纹理（D3DPOOL_DEFAULT）是不能被锁定的，因为其位于VM中，只能通过UPDATESURFACE和UPDATETEXTURE来访问，为什么D3D不让我们锁定静态纹理，却让我们锁定静态VB IB呢？我猜测可能有2个方面的原因，第一就是纹理矩阵一般十分庞大，且纹理在GPU内部已二维方式存储；第二是纹理在GPU内部是以NATIVE FORMAT方式存储的，并不是明文RGBA格式。动态纹理因为表明这个纹理需要经常修改，所以D3D会特别存储对待，高频率修改的动态纹理不适合用动态属性创建，在此分两种情况说明，一种是GPU写入的RENDERTARGET，一种是CPU写入的TEXTURE VIDEO，我们知道动态资源一般是放置在AM中的，GPU访问AM需要经过AGP/PCI-E总线，速度较VM慢许多，而CPU访问AM又较SM慢很多，如果资源为动态属性，意味着GPU和CPU访问资源会持续的延迟，所以此类资源最好以D3DPOOL_DEFAULT和D3DPOOL_SYSTEMMEM各创建一份，自己手动进行双向更新更好。千万别 RENDERTARGET以D3DPOOL_MANAGED 属性创建，这样效率极低，原因自己分析。而对于改动不太频繁的资源则推荐使用DEFAULT创建，自己手动更新，因为一次更新的效率损失远比GPU持续访问AM带来的损失要小。 

不合理的LOCK会严重影响程序性能，因为一般LOCK需要等待COMMAND BUFFER前面的绘制指令全部执行完毕才能返回，否则很可能修改正在使用的资源，从LOCK返回到修改完毕UNLOCK这段时间GPU全部处于空闲状态，没有合理使用GPU和CPU的并行性，DX8.0引进了一个新的LOCK标志D3DLOCK_DISCARD，表示不会读取资源，只会全写资源，这样驱动和RUNTIME配合来了个瞒天过海，立即返回给应用程序另外块VM地址指针，而原指针在本次UNLOCK之后被丢弃不再使用，这样CPU LOCK无需等待GPU使用资源完毕，能继续操作图形资源（顶点缓冲和索引缓冲），这技术叫VB IB换名（renaming）。 

很多困惑来源于底层资料的不足，相信要是MS开放D3D源码，开放驱动接口规范，NV / ATI显示开放驱动和硬件架构信息，这些东西就很容易弄明白了。