Vulkan 基本原理

Vulkan 基本原理，下面介绍Vulkan的基础知识，涉及以下内容：

• Vulkan的执行模型
• Vulkan的队列
• 对象模型
• 对象生命周期与指令语法
• 错误检查与验证

Vulkan的执行模型

支持Vulkan的系统可以直接查询系统信息，并返回可用的物理设备的数量。每个物理设备可以支持一个或多个队列。这些队列被划分到不同的族群中，每个族群有自己独特的功能设定。例如，一个族群可能会支持诸如图形、计算、数据传输，或者内存管理相关的功能。队列族群中的每个成员可能包含了一个或者多个相似的队列，因此它们互相之间是兼容的。例如，某个具体的驱动实现中，可能在同一个队列里同时支持数据传输和图形操作。

Vulkan允许用户显式地在应用程序中管理和控制内存。它暴露了设备中支持的所有不同类型的内存堆（heap），每个堆属于一个不同的内存区域。Vulkan的执行模型是非常简单和直接的。在这里，指令缓存会被发送到队列中，后者将被物理设备按顺序依次执行和消耗。

Vulkan的应用程序负责控制一组Vulkan设备，将一系列指令记录到指令缓存中，并发送到队列。驱动会读取队列并按照记录的顺序依次执行各个工作。指令队列的构建是需要较大代价的，而构建一旦完成，它就可以被缓存和发送到队列中，根据自己的需要多次执行。此外，有些指令缓存在应用程序中也可以以多线程的方式并行同步地构建。

如图所示给出了一个简化后的执行模型：

在这里，应用程序记录了两个指令缓存，其中各包含了多个指令。这些指令随即按照作业性质的不同，被传递给一个或者多个队列。队列将这些缓存作业提交给设备加以执行。最后，设备处理得到结果，并将它们显示到输出设备上，或者返回给用户程序做进一步的处理。

Vulkan中，用户应用程序主要负责以下工作：

• 生产指令执行所必需的所有先决内容：
• 其中可能包括资源的准备、着色器的预编译、将资源关联到着色器、设置着色器的状态、构建流水线，以及绘制调用。
• 内存管理。
• 同步。
• 宿主和设备之间。
• 设备上不同的队列之间。
• 风险管理。

Vulkan的队列

队列是Vulkan的一种中间层机制，负责接收指令缓存并传递给设备。指令缓存记录了一个或者多个指令，并发送给相关的队列。设备则提供了多个可选的队列，然后应用程序负责将指令缓存传递给正确的队列。
指令缓存的发送可以按照以下两种方式来完成：

• 单一队列：
• 按照指令缓存发送的顺序进行维护，以及执行或者回放。
• 指令缓存按照串行的方式执行。
• 多重队列：
• 允许指令缓存以并行的方式在两个或者更多队列中执行。
• 除非特别指定，否则无法保证指令缓存发送和执行的顺序不变。应用程序需要负责进行此类同步操作，否则实际的执行顺序可能会完全与发送时的顺序无关。

Vulkan提供了多种同步图元，让用户可以相应地在单一队列中，或者跨队列地完成工作执行顺序的管理。如下所示：

• 信号量（semaphore）：这种同步机制可以跨队列或在单一队列中的粗粒度指令缓存中执行。
• 事件（event）：事件控制细粒度同步，并应用于单个队列，从而确保单一指令缓存中或者多个指令缓存之间的同步要求。宿主系统也可以参与到事件触发的同步机制当中。
• 栅栏（fence）：允许在宿主和设备之间完成同步。
• 流水线屏障（pipeline barrier）：流水线屏障是插入到指令缓存中的一种指令，它可以确保在它之前的指令始终优先执行，而在它之后的指令一定随后执行。

对象模型

在应用程序端，包括设备、队列、指令缓存、帧缓存、流水线等在内的所有对象，统称为Vulkan对象。而在内部的API层面，这些Vulkan对象会被识别为不同的句柄。这些句柄可以分为两种类型：可分发的以及不可分发的。

• 可分发的句柄：这类指针指向了一个不透明的内部图形实体。不透明的数据类型不允许直接访问它的内部结构体成员。你只能通过API函数来访问结构体的内部域。所有的可分发句柄都会关联一个可分发的类型，这样它就可以作为一个参数被传递给其他的API指令。一些典型的示例如下所示。

• 不可分发的句柄：这些64位整型类型的句柄通常不会指向一个结构体，而是直接包含了对象自身的信息。一些典型的示例如表所示。

对象生命周期与指令语法

Vulkan当中的对象是根据应用程序的逻辑需求显式地创建和销毁的，应用程序需要自己管理这些对象。
Vulkan的对象需要使用Create指令创建，以及使用Destroy指令销毁：

• Create语法：对象的创建需要通过vkCreate*指令完成，它需要一个Vk*Createinfo结构体作为输入参数。
• Destroy语法：使用Create指令创建的对象总是需要使用vkDestroy*指令销毁。
  如果对象是作为已有的对象池或者堆的一部分创建的，那么需要使用Allocate指令创建，并使用Free指令从池或者堆中销毁。
• Allocate语法：一个对象如果是作为对象池的一部分创建，那么需要使用vkAllocate*指令，并且需要一个Vk*AllocateInfo作为输入参数。
• Free语法：已创建的对象需要使用vkFree*指令从对象池或者内存中释放。

上述所有的实现方法都可以通过vkGet*指令轻松获取。而使用了vkCmd*形式的API接口主要用于把指令记录到指令缓存当中。

错误检查与验证

Vulkan的设计在性能最大化的前提下提供了可选的错误检查和验证功能。在程序运行时，错误检查和验证的需求非常少，因此构建指令缓存和发送到设备的效率很高。这类可选的功能可以在Vulkan的层次化结构中使用，从而在运行系统中实现多个层之间的动态注入（调试和验证）。