VAO(vertex array object)和VBO(vertex buffer object)的详解

我想大家都已经熟悉VBO了吧。在GL3.0时代的VBO大体还是处于最重要的地位，但是与此同时也出现了不少新的用法和辅助役，其中一个就是VAO。本文大致小记一下这两者的联系，帮助大家理解一下这个角色。——ZwqXin.com

VBO？See[学一学，VBO]

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如果你也逐渐步进GL3.0开始的新标准，你大概会留意到传统的绘图方式(glVertex)已经要被废掉了，不仅如此，以最高绘制速度为标记的显示列表方式也已经被印上deprecated了，这样，在以前的文章（[学一学，VBO] ）中的讨论，在新标准的面前都显得没什么必要了。我想说的是，OpenGL对GPU的入口“顶点传送”——或者说，绘制方式，尽量不要再选择传统方式(glVertex)或显示列表(glCallList)甚至VA(vertex array)了。哪怕你是用的一个compatable的GL-context，哪怕顶点数据部分持续变化或者恒定不变，也得注意要尽量尽量使用VBO来组织你的数据。

另外的一点，就是尽量不要以客户端状态函数来使用VBO了。我是说——glEnableClientState/glDisableClientState，还有glVertexPointer这类函数。VBO的本意是把本地(GL客户端)的数据完全交给GPU(GL服务端)来管理，所以若非为了数据的更新，你完全可以在调用glBufferData之后选择扔弃保存在本地内存中的数据。VBO可以说只有在传输数据的时候跟本地客户端有联系，它的状态是服务端（我们的流水线）管理的，当初沿用VA的那些客户端状态函数，还有一个原因就是它们方便地与shader里面的固定attribute（gl_Position之类）建立联系【见[OpenGL/GLSL数据传递小记(2.x)]】，但是GLSL已经也不推荐使用那些attrbute了。（事实上，以上这些都是deprecated的了。）

C++代码1

 glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, m_nPositionVBO);
 glEnableClientState(GL_VERTEX_ARRAY);
 glVertexPointer(2, GL_FLOAT, 0, NULL);

 glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, m_nTexcoordVBO);
 glEnableClientState(GL_TEXTURE_COORD_ARRAY);
 glTexCoordPointer(2, GL_FLOAT, 0, NULL);

 glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, m_nIndexVBO);

 glDrawElements(GL_TRIANGLES, 6, GL_UNSIGNED_SHORT, NULL);

 glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, NULL);

 glDisableClientState(GL_TEXTURE_COORD_ARRAY);
 glDisableClientState(GL_VERTEX_ARRAY);
 glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, NULL);

C++代码2

 glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, m_nQuadPositionVBO);
 glEnableVertexAttribArray(VAT_POSITION);
 glVertexAttribPointer(VAT_POSITION, 2, GL_INT, GL_FALSE, 0, NULL);

 glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, m_nQuadTexcoordVBO);
 glEnableVertexAttribArray(VAT_TEXCOORD);
 glVertexAttribPointer(VAT_TEXCOORD, 2, GL_INT, GL_FALSE, 0, NULL);

 glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, m_nQuadIndexVBO);

 glDrawElements(GL_TRIANGLES, 6, GL_UNSIGNED_SHORT, NULL);

 glDisableVertexAttribArray(VAT_POSITION);
 glDisableVertexAttribArray(VAT_TEXCOORD);

 glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, NULL);
 glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, NULL);

以上两段是效果一致的VBO渲染部分的代码。尽量用第二种吧。使用第二种的前提是你使用shader来进行顶点处理，VAT_POSITION/VAT_TEXCOORD需要与Shader里代表顶点/纹理坐标的attribute变量建立联系（参考[OpenGL/GLSL数据传递小记(2.x)]），在这个GL3.0之后的时代里，这种前提也算不上什么前提就是了。我们来囫囵吞枣地猜测一下OpenGL是怎么处理VBO的数据的。

1. VBO

与其他buffer object一样，VBO归根到底是显卡存储空间里的一块缓存区(Buffer)而已，这个Buffer有它的名字(VBO的ID)，OpenGL在GPU的某处记录着这个ID和对应的显存地址（或者地址偏移，类似内存）。用代码看看吧：

C++代码

     //生成一个Buffer的ID，不管是什么类型的
 glGenBuffers(1, &m_nQuadVBO);
 //绑定ID，同时也指定该ID对应的buffer的信息类型是GL_ARRAY_BUFFER
 glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, m_nQuadVBO);
 //为该ID指定一块指定大小的存储区域（区域的位置大抵由末参数影响),  传输数据
     glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(fQuadData), fQuadData, GL_STREAM_DRAW);

这里是VBO的初始化阶段。在这里我们看到了这是对位置，还是颜色，还是纹理坐标，还是法线，还是其他顶点属性进行设置的吗？是的，这个信息是：起码在初始化阶段，一个VBO对于交给它存储的数据到底是什么，完全不知道。我们此时再看回上面两段渲染部分的代码，就明白了：哦，原来这都是在渲染时确定的！

对于第一段渲染代码，glVertexPointer(2, GL_FLOAT, 0, NULL)这个函数指定了VBO里的是什么数据——顶点位置，float类型，2个float指涉一个顶点位置，在区域里无偏移地采集数据，等等。之后的glDrawElements只不过根据组织模式(GL_TRIANGLES，这个是直接交给vertex处理后的Geometry处理的)和索引数据去采集VBO里的这些数据罢了——它从某个地方获取了glBindBuffer指定的位置，还有glVertexPointer设定的信息（由glEnableClientState启用），它进行绘制所需要的一切——这个地方，就是所谓的GL-Context吧，那个保存了所有运行时流水线状态的东西。

对于第二段渲染代码，大体是一样的，只是glVertexAttribPointer使用第一个参数(location)指涉对应vertex-shader里哪个in attribute。VBO在渲染阶段才指定数据位置和“顶点信息”(Vertex Specification)，然后根据此信息去解析缓存区里的数据，联系这两者中间的桥梁是GL-Contenxt。GL-context整个程序一般只有一个，所以如果一个渲染流程里有两份不同的绘制代码，GL-context就负责在它们之间进行状态切换。这也是为什么要在渲染过程中，在每份绘制代码之中有glBindBuffer/glEnableVertexAttribArray/glVertexAttribPointer。那么优化方法就来了——把这些都放到初始化时候完成吧！——这样做的限制条件是“负责记录状态的GL-context整个程序一般只有一个”，那么就不直接用GL-context记录，用别的东西做状态记录吧——这个东西针对"每份绘制代码“有一个，记录该次绘制所需要的所有VBO所需信息，把它保存到GPU特定位置，绘制的时候直接在这个位置取信息绘制。

于是，VAO诞生了。

2.VAO

VAO的全名是Vertex Array Object，首先，它不是Buffer-Object，所以不用作存储数据；其次，它针对”顶点“而言，也就是说它跟”顶点的绘制“息息相关，在GL3.0的世界观里，这相当于”与VBO息息相关“。（提示，它跟VA真是虾米关系都没有的，嘛，虽然这的确让人误会，我最初见到这个名词时也误会了的说。）

按上所述，它的定位是state-object（状态对象，记录存储状态信息）。这明显区别于buffer-object。如果有人碎碎念”既然是记录顶点的信息，为什么不叫vertex attribute object“呢？我想说这些孩子你们真没认真看文章嘛——VAO记录的是一次绘制中做需要的信息，这包括”数据在哪里-glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER)“、”数据的格式是怎样的-glVertexAttribPointer“（顶点位置的数据在哪里，顶点位置的数据的格式是怎样的/纹理坐标的数据在哪里，纹理坐标的数据的格式是怎样的....视乎你让它关联多少个VBO、VBO里有多少种数据），顺带一提的是，这里的状态还包括这些属性关联的shader-attribute的location的启用（glEnableVertexAttribArray）、这些顶点属性对应的顶点索引数据的位置（glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER)，如果你指定了的话）。在GL的wiki里把这些”信息“抽象成一个属性数据体：

 struct VertexAttribute
 {
     bool bIsEnabled = GL_FALSE;
     int iSize = 4; //This is the number of elements in this attribute, 1-4.
     unsigned int iStride = 0;
     VertexAttribType eType = GL_FLOAT;
     bool bIsNormalized = GL_FALSE;
     bool bIsIntegral = GL_FALSE;
     void * pBufferObjectOffset = 0;
     BufferObject * pBufferObj = 0;
 };

 struct VertexArrayObject
 {
     BufferObject *pElementArrayBufferObject = NULL;
     VertexAttribute attributes[GL_MAX_VERTEX_ATTRIB];
 }

这里，VertexArrayObject 就包括了一个Index-VBO【[索引顶点的VBO与多重纹理下的VBO] 】（可以没有，例如绘制用的是glDrawArray）还有一些VertexAttribute。后者包括顶点属性的格式和位置和一个启用与否的状态。这些都对应了上述讨论的那几个函数（注意glVertexAttribPointer和glVertexAttribIPointer的选择决定bool bIsIntegral，数据是否整型不可规范化）。那么，现在我们可以知道VAO的用法了：

C++代码 - 初始化部分

 glGenVertexArrays(1, &m_nQuadVAO);
 glBindVertexArray(m_nQuadVAO);


 glGenBuffers(1, &m_nQuadPositionVBO);
 glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, m_nQuadPositionVBO);
 glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(fQuadPos), fQuadPos, GL_STREAM_DRAW);

 glEnableVertexAttribArray(VAT_POSITION);
 glVertexAttribPointer(VAT_POSITION, 2, GL_INT, GL_FALSE, 0, NULL);

 glGenBuffers(1, &m_nQuadTexcoordVBO);
 glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, m_nQuadTexcoordVBO);
 glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(fQuadTexcoord), fQuadTexcoord, GL_STREAM_DRAW);

 glEnableVertexAttribArray(VAT_TEXCOORD);
 glVertexAttribPointer(VAT_TEXCOORD, 2, GL_INT, GL_FALSE, 0, NULL);

 glGenBuffers(1, &m_nQuadIndexVBO);
 glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, m_nQuadIndexVBO);
 glBufferData(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, sizeof(nQuadIndex), nQuadIndex, GL_STREAM_DRAW);


 glBindVertexArray(NULL);

 glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, NULL);
 glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, NULL);

C++代码 - 渲染部分

 glBindVertexArray(m_nQuadVAO);

 glDrawElements(GL_TRIANGLES, 6, GL_UNSIGNED_SHORT, NULL);

 glBindVertexArray(NULL);

以上就是VAO的使用方法了，很直观吧？

使用VAO的好处？看上面那么简洁的渲染部分代码就够了。

你甚至可以认为VAO就是一个状态容器，其中粗体字的那几行就是它以及它所”包含“的东西——填充了”VertexArrayObject结构体“的东西。注意：1.没有一个合适的地方给glDisableVertexAttribArray了，事实上调用glBindVertexArray(NULL)的时候里面所有状态都”关掉“了，也就没所谓针对顶点属性的location做其他什么；2.glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, NULL)/glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, NULL)一定要在glBindVertexArray(NULL)后面（不然VAO就把它们也包含了，最后就渲染不出东西了）；3.glDrawElements里面的东西（顶点索引的属性状态）VAO可没记录保存哦；4.glVertexPointer那类函数理论上也可以，但是建议还是不要混用deprecated的函数进去了。

那么，既然AB是一家，那就两个站都上一上吧！哦，不对，两个O都用一用吧！