概述

• Vulkan 的起源

• 画一个三角形需要分几步

  • 第一步 实例和物理设备选择

  • 第二步 逻辑设备和队列家族

  • 第三步 窗口表面和交换链

  • 第四步 图像视图和帧缓冲

  • 第五步 Render pass

  • 第六步 图形管线

  • 第七步 命令池和命令缓冲

  • 第八步 主循环

  • 小结

• API 概念

  • 编码约定

  • 验证层

本章首先介绍 Vulkan 以及它所解决的问题。然后我们会看一下为了画出第一个三角形所需要的步骤。这可以让你纵观全局并且理清后续每一章在整个过程中的位置。 我们将会以展示 Vulkan API 的结构以及它们的一般使用模式作结。

Vulkan 的起源

和以前的那些图形 API 一样， Vulkan 也被设计成了跨平台的 GPU 抽象。那些 API 基本都存在的问题是，在设计它们的时代，图形硬件大多被限制在可配置的固定功能上。程序员必须以标准格式提供顶点数据，并在光照和阴影选项 方面受制于 GPU 制造商。

随着显卡架构的日益成熟，他们开始提供越来越多的可编程功能，这些新功能被集成在原有的 API 中。这导致了与理想状态相比不够合理的抽象。并且在显卡驱动 中，许多时候只能通过猜测程序员的意图来将之实现于现代图形架构。这就是驱动要经常更新来为游戏提供更好的显示性能的原因，这有时能大幅提高性能。出于这 种复杂性，应用开发者们也得处理各种供应商的显卡之间的不一致，比如着色器的 语法。除了这些新功能之外，在过去的十年中涌现出许多拥有强劲显卡的移动设备。这些移动设备的 GPU 根据功耗和空间需求的不同有着不同的架构。一个有代表 性的例子是基于图块渲染，通过赋予程序员 更大的控制权来获得更好的性能。另一个来自于旧时代 API 的限制在于有限的多线程支持，这往往是造成 CPU 端性能瓶颈的原因。

为了解决这些问题，Vulkan 从头按照现代图形架构设计，提供更加详细的 API 给开发者使其能更明确地声明自己的意图，大大减少了驱动程序的开销，并且允许 多线程并行创建和提交指令。它将着色器程序通过编译器编译成标准化的字节码，减少了编译着色器时的不一致性。最后，它认同现代显卡的通用处理能力，将计算 和图形功能统一到了同一个 API 中。

画一个三角形需要分几步

我们现在来看看在一个行为良好的 Vulkan 程序中渲染一个三角形所需要的所有步骤的概述。此处介绍的所有概念在接下来的章节中会详细说明。此处只是为了让 你一览整个流程，把每个单独部分之间联系起来。

第一步 实例和物理设备选择

Vulkan 应用程序以用 VkInstance（实例）来建立 Vulkan API 开始。创建一个实例则需要描述你的应用程序和你想使用的 API 扩展。创建实例之后，可 以查询支持 Vulkan 的硬件设备并且选择一个或多个 VkPhysicalDevice（物理设备）来使用。你可以查询设备的属性（比如显存大小和设备能力）来选择所 需设备，例如同时可用集成显卡和独立显卡时，你可能倾向于使用独立显卡。

第二步 逻辑设备和队列家族

在选择了合适的硬件设备之后，你需要创建一个 VkDevice（逻辑设备），你可以在其中更具体地描述你想使用哪些 VkPhysicalDeviceFeatures（物理 设备特性），比如多视口渲染以及 64 位浮点数。同时，你也需要指明你想使用的队列家族（queue families）。绝大多数 Vulkan 操作，比如绘图命令和内 存操作，都是通过提交到 VkQueue（队列）来异步执行的。队列（queue）从队列家族中分配，每个队列家族支持一组特定的操作。例如，可能存在不同的队列 家族进行图形、计算和内存传输操作。队列家族的可用性也可以成为在选择物理显卡时的一个影响因素。可能存在一些支持 Vulkan 却不提供任何图形功能的设备， 不过目前所有支持 Vulkan 的显卡都广泛支持我们所感兴趣的所有队列操作。

第三步 窗口表面和交换链

除非你只想离屏渲染，你会需要一个窗口来显示渲染的图像。窗口可以使用原生平台 API 或者像是 GLFW 以及 SDL 之类的图形库来创建。在此教程中我们选用 GLFW，下一章会详细讲解。

我们还需要另外两个组件来把图像渲染到窗口上：一个表面（VkSurfaceKHR, surface）和一个交换链（VkSwapchainKHR, swap chain）。注意， KHR 后缀说明这些对象是 Vulkan 扩展（extension）的一部分。Vulkan API 本身是完全平台无关的，因此我们必须使用标准化的 WSI（Window System Interface，窗口系统接口）扩展来与窗口管理器进行交互。表面是对要渲染的窗口的跨平台的抽象，它通常需要传入一个原生窗口的句柄来实例化，比如 Windows 上的 HWND。幸运的是，GLFW 库内置了一个函数来帮我们处理平台相关的细节。

交换链是渲染目标的集合。它的基本作用是确保现在正在渲染的图像与现在显示在屏幕上的图像不是同一个。这可以确保显示出来的图像是完整的。每当我们想要绘 制一个帧的时候，我们需要向交换链请求一个图像来进行渲染。当我们完成绘制之后，把这个图像返还到交换链，之后某个时刻，图像被显示到屏幕上。渲染目标的 数量以及将渲染完成的图像显示到屏幕上的条件由显示模式（present mode）决定。常见的渲染模式有双缓冲（vsync，垂直同步）和三缓冲。在创建交换链那一 章我们再详细讨论这些。

在一些平台上可以使用 VK_KHR_display 和 VK_KHR_display_swapchain 扩展直接渲染到显示器上，而无需与任何窗口管理器交互。例如，你可以通 过这些扩展创建一个代表整个屏幕的表面，来实现你自己的窗口管理器。

第四步 图像视图和帧缓冲

为了在从交换链中请求到的图像上进行绘制，我们需要用 VkImageView（图像视图）和 VkFramebuffer（帧缓冲）把它包装起来。图像视图引用了图像中 要被使用的特定部分，而帧缓冲则引用一些图像视图并把它们当作颜色、深度和模板目标使用。因为在一个交换链中可能有多个不同的图像，所以我们提前为每一个 图像创建一个图像视图和一个帧缓冲，并且在绘制时选择合适的那个。

第五步 Render pass

Vulkan 中的 render pass（渲染流程）描述了在渲染操作时要使用的图像类型、图像的使用方式以及处理图像的内容的方式。在我们最初绘制三角形的应用中， 我们要告诉 Vulkan，我们将会使用一个图像作为颜色目标，并且我们想要在绘制之前把它清除为纯色。Render pass 只描述图像的类型，绑定图像对象是通过 VkFramebuffer 完成的。

第六步 图形管线

Vulkan 中的图形管线可以通过 VkPipeline（管线）对象来建立。它描述了显卡的一些可配置部分（译注：不可编程部分），比如视口大小以及深度缓冲操作 等，而可编程部分则使用 VkShaderModule（着色器模块）对象来描述。VkShaderModule 对象使用着色器的字节码来创建。驱动还需要知道管线中的哪些 渲染目标会被使用，需要我们用 render pass 来说明。

Vulkan 与现有的其它 API 之间最明显的区别就是，图形管线的几乎所有配置项都需要提前设置好。这意味着如果你想切换到另一个着色器或者稍微改变一下顶点 数据的布局，你都需要重新创建整个图形管线。这意味着，你需要针对你在渲染操作时的具体情况提前创建许多 VkPipeline 对象，以满足渲染操作所需的所有 不同组合。只有很少的一些基本配置可以动态更改，比如视口大小和清屏颜色等。所有的状态都必须被明确地描述，例如，没有默认的颜色混合模式。

好消息是，就像提前编译（ahead-of-time compilation）与即时编译（just-in-time compilation）的区别那样，驱动有更多的优化机会，并且运行时性 能将会更加具有可预测性，因为大量的状态更改，如切换不同的图形管线，是非常明确的。

第七步 命令池和命令缓冲

如前所述，在 Vulkan 中，许多我们想要执行的操作，比如绘制操作，都需要被提交到一个队列中去。这些操作在提交之前需要先被记录到一个 VkCommandBuffer（命令缓冲）中。命令缓冲由 VkCommandPool（命令池）分配，每个命令池与一个特定的队列家族相关联。为了画出一个三角形，我们 需要在命令缓冲里记录下列操作：

• 开始 render pass
• 绑定图形渲染管线
• 画 3 个顶点
• 结束渲染过程

因为帧缓冲中的图像取决于交换链具体会给我们哪一个，我们需要为每一个可能使用的图像记录一个命令缓冲，然后在绘制的时候选择合适的那个。另外一种可行的 方法是每一帧都重新记录一次命令缓冲，但是这种方法效率不高。

第八步 主循环

现在绘制命令已经被包装到了命令缓冲里，那主循环就十分简单明了了。首先我们通过 vkAcquireNextImageKHR 来从交换链中获得一个图像，之后为这个图 像选择合适的命令缓冲并且用 vkQueueSubmit 来执行。最后，我们用 vkQueuePresentKHR 把这个图像返回到交换链中以供显示。

提交到队列中的操作是异步执行的。因此我们需要使用像信号量等这样的同步对象来保证执行顺序正确。绘图命令缓冲必须被设置为等到获取图像之后再执行，否则 可能导致我们开始渲染一个正在被读取以在屏幕上显示的图像。vkQueuePresentKHR 函数反过来又需要等待渲染完成，为此我们需要第二个信号量，并且在渲 染完成后发出信号。

小结

以上这些简单的讲解应该让你在绘制第一个三角形前对所需要做的工作有了基本的认识。通常一个真正实用的程序包含了更多的步骤，比如分配顶点缓冲，创建 uniform 缓冲以及上传纹理图像等，这些将会在后面的章节讲解。我们先从一个简单的例子开始，因为 Vulkan 的学习曲线非常陡峭。我们作了一点小弊，把顶点 坐标硬编码到了顶点着色器里而不是使用顶点缓冲，因为管理顶点缓冲需要先对命令缓冲有一定的了解。

所以长话短说，画出第一个三角形需要：

• 创建一个 VkInstance
• 选择一个受支持的显卡（VkPhysicalDevice）
• 为绘制和显示创建一个 VkDevice 和 VkQueue
• 创建一个窗口，窗口表面和交换链
• 把交换链里的图像包装到 VkImageView 里面
• 创建一个 render pass 来指定渲染目标及其用途
• 为渲染过程创建帧缓冲
• 建立图形渲染管线
• 为交换链中每个可用的图像分配命令缓冲，并在其中记录绘制命令
• 获取图像，提交正确的渲染命令缓冲，再把图像返还到交换链中，通过这样的方式绘制帧

步骤有很多，但是在接下来的章节中，每一步的目标都会变得非常简单而清晰。如果你对某一步在整个程序中的作用有疑惑，你应该回来参考本章。

API 概念

本小节将简要概述 Vulkan API 的基本结构。

编码约定

Vulkan 中所有的函数、枚举类型和结构体都定义在了 vulkan.h 头文件中，这个文件包含在了 LunarG 开发的 Vulkan SDK 里。下一章我们将会介绍如何安装这个SDK。

函数以小写的 vk 开头，枚举类型和结构体以 Vk 开头，枚举值则以 VK_ 开头。这套 API 非常依赖结构体作为函数参数。举个例子，对象通常以这种 形式创建：

VkXXXCreateInfo createInfo = {};
createInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_XXX_CREATE_INFO;
createInfo.pNext = nullptr;
createInfo.foo = ...;
createInfo.bar = ...;

VkXXX object;
if (vkCreateXXX(&createInfo, nullptr, &object) != VK_SUCCESS) {
    std::cerr << "failed to create object" << std::endl;
    return false;
}

Vulkan 中许多结构体要求你在 sType 成员中明确指定结构体类型。pNext 成员可以是一个指向扩展结构的指针，在此教程中它将被永远置为 nullptr。 创建或销毁一个对象的函数会有一个 VkAllocationCallbacks 参数，允许你为驱动内存使用一个自定义的分配器，它在此教程中也将永远被置为 nullptr。

几乎所有函数的返回值都是一个 VkResult 的枚举类型，它要么是 VK_SUCCESS（成功），要么是一个错误代码。Vulkan 规范说明了每个函数会返回什么 错误代码以及它们的含义。

验证层

就像之前说过的， Vulkan 被设计为高性能，低驱动开销的 API 。因此它默认的错误检查和调试能力非常有限。当你做错了什么的时候，驱动程序常常是直接崩 溃而不是返回一个错误代码——或者更糟糕的是，在你的显卡上跑得起来，在别的显卡上就完全不行了。

Vulkan 允许你通过被称作验证层（validation layers）的特性来启用广泛的检查功能。验证层是一些可以被插入到 API 与显卡驱动之间的代码片段，可以 用来运行额外的函数参数检查或者追踪内存管理问题。它的优点是你可以在开发的时候启用验证层，然后在发布应用时完全禁用它来做到零开销。每个人都可以编写 自己的验证层，不过 LunarG 的 Vulkan SDK 提供了一套标准的验证层，我们将在教程中用到它们。为了从验证层接收调试信息，你还需要注册一个回调函数。

因为 Vulkan 中每个操作都非常明确，并且验证层的检查十分宽泛，所以相比于 OpenGL 和 Direct3D 更容易找到使你黑屏的原因！

在我们开始写代码之还剩一步，那就是配置开发环境。