理解 Vulkan 指令缓存

Vulkan 指令缓存

在 Vulkan 中，指令缓存（Command Buffer）是用于记录和存储一系列绘图和计算指令的对象。

这些指令将在 GPU 上执行，可以用于执行不同类型的工作，包括绑定顶点缓存、绑定流水线、录制渲染通道指令、设置视口和裁切矩形、设置绘制指令、执行图像和缓存内容的复制操作等。

指令缓存提交到硬件队列的过程和它们被执行的过程是异步进行的。

指令缓存的类型主要有两种：主指令缓存和次指令缓存。

主指令缓存（primary command buffer）：包含次指令缓存，负责执行它们，可以直接提交给队列执行。
次指令缓存（secondary command buffer）：不能直接提交给队列，必须嵌套在主指令缓存执行中。适用于记录可重用的指令或者多线程录制指令。

指令池

一个应用程序中指令缓存的数量可能成百上千。Vulkan API 的设计是为了最大化地提升性能，指令缓存的分配通过指令池 VkCommandPool 来完成，从而降低多个指令缓存之间的资源创建带来的性能消耗。

指令缓存可以是一直存在的，它们只需要创建一次，就可以一直反复地使用。如果不想继续使用某一个指令缓存了，可以通过一个简单的休眠指令让它恢复到可复用的状态。

相比传统的“先销毁缓存，再创建一个新的缓存”这样的流程，上述方案是非常高效。

指令缓存的创建

创建指令池

首先，需要创建一个指令池。指令池用于分配指令缓存。

VkCommandPool commandPool;
VkCommandPoolCreateInfo poolInfo = {};
poolInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_COMMAND_POOL_CREATE_INFO;
poolInfo.queueFamilyIndex = graphicsQueueFamilyIndex; // 指定队列族索引
poolInfo.flags = 0; // 可以指定一些标志，如 VK_COMMAND_POOL_CREATE_RESET_COMMAND_BUFFER_BIT

if (vkCreateCommandPool(device, &poolInfo, nullptr, &commandPool) != VK_SUCCESS) {
    throw std::runtime_error("failed to create command pool!");
}

分配指令缓存

用于分配指令缓存的结构体：

typedef struct VkCommandBufferAllocateInfo {
    VkStructureType           sType;              // 结构体类型，必须为 VK_STRUCTURE_TYPE_COMMAND_BUFFER_ALLOCATE_INFO
    const void*               pNext;              // 可选的扩展指针，通常为 nullptr
    VkCommandPool             commandPool;        // 用于分配命令缓冲区的命令池
    VkCommandBufferLevel      level;              // 命令缓冲区的级别，主级别或次级别
    uint32_t                  commandBufferCount; // 要分配的命令缓冲区数量，你可以一次性分配多个命令缓冲区。
} VkCommandBufferAllocateInfo;

其中 level 这个属性你稍加注意下，level: 指定命令缓冲区的级别。可以是以下两个值之一：

VK_COMMAND_BUFFER_LEVEL_PRIMARY: 主命令缓冲区，可以直接提交到队列并执行。
VK_COMMAND_BUFFER_LEVEL_SECONDARY: 次级命令缓冲区，不能直接提交，需要在主命令缓冲区内调用。

在创建指令池后，可以从指令池中分配指令缓存。

 VkCommandBufferAllocateInfo allocInfo = {};
 allocInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_COMMAND_BUFFER_ALLOCATE_INFO;
 allocInfo.commandPool = commandPool; // 指定指令池
 allocInfo.level = VK_COMMAND_BUFFER_LEVEL_PRIMARY; // 指定缓存类型
 allocInfo.commandBufferCount = 1; // 分配的指令缓存数量
 
 VkCommandBuffer commandBuffer;
 if (vkAllocateCommandBuffers(device, &allocInfo, &commandBuffer) != VK_SUCCESS) {
     throw std::runtime_error("failed to allocate command buffers!");
 }

释放指令缓存、销毁缓存池

// 释放指令缓存
vkFreeCommandBuffers(device, commandPool, 1, &commandBuffer);
// 销毁命令池
vkDestroyCommandPool(device, commandPool, nullptr);

指令缓存的使用

指令缓存是用来记录指令的，它是通过函数 vkBeginCommandBuffer() 和 vkEndCommandBuffer() 来完成。这两个函数定义了一个范围，在这个范围之内的所有Vulkan指令都会被记录下来。

指令记录的起始位置是通过函数 vkBeginCommandBuffer(）设置的。它定义了一个起始位置，在它之后的所有指令调用都会被记录下来，直到我们设置了结束位置（即vkEndCommandBuffer（））。

分配指令缓存后，可以开始记录指令。

// 定义命令缓冲区的开始信息结构体
VkCommandBufferBeginInfo beginInfo = {}; // 初始化 VkCommandBufferBeginInfo 结构体
beginInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_COMMAND_BUFFER_BEGIN_INFO; // 指定结构体类型为 VK_STRUCTURE_TYPE_COMMAND_BUFFER_BEGIN_INFO
4beginInfo.flags = 0; // 设置为 0 或 VK_COMMAND_BUFFER_USAGE_ONE_TIME_SUBMIT_BIT 表示一次性使用
beginInfo.pInheritanceInfo = nullptr; // 仅在次级命令缓冲区中使用，如果是主命令缓冲区则为 nullptr

// 开始录制命令缓冲区
VkResult result = vkBeginCommandBuffer(commandBuffer, &beginInfo); // 开始录制命令缓冲区，传入初始化的 beginInfo
if (result != VK_SUCCESS) {
    throw std::runtime_error("Failed to begin recording command buffer!"); // 检查录制是否成功，若失败则抛出异常
}

// 录制 Vulkan 指令
// 1. 设置视口（可选）
VkViewport viewport = {}; // 初始化 VkViewport 结构体
viewport.x = 0.0f; // 视口左上角的 X 坐标
viewport.y = 0.0f; // 视口左上角的 Y 坐标
viewport.width = (float)swapChainExtent.width; // 视口的宽度，通常是交换链的宽度
viewport.height = (float)swapChainExtent.height; // 视口的高度，通常是交换链的高度
viewport.minDepth = 0.0f; // 最小深度值
viewport.maxDepth = 1.0f; // 最大深度值
vkCmdSetViewport(commandBuffer, 0, 1, &viewport); // 录制设置视口的指令，绑定到命令缓冲区

// 2. 设置剪裁区域（可选）
VkRect2D scissor = {}; // 初始化 VkRect2D 结构体
scissor.offset = {0, 0}; // 剪裁区域的偏移量，从左上角开始
scissor.extent = swapChainExtent; // 剪裁区域的大小，通常是交换链的尺寸
vkCmdSetScissor(commandBuffer, 0, 1, &scissor); // 录制设置剪裁区域的指令

// 3. 开始渲染通道（Render Pass）
VkRenderPassBeginInfo renderPassInfo = {}; // 初始化 VkRenderPassBeginInfo 结构体
renderPassInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_RENDER_PASS_BEGIN_INFO; // 指定结构体类型
renderPassInfo.renderPass = renderPass; // 指定关联的渲染通道
renderPassInfo.framebuffer = framebuffer; // 指定要渲染的帧缓冲区
renderPassInfo.renderArea.offset = {0, 0}; // 渲染区域的起点，通常是从左上角（0, 0）开始
renderPassInfo.renderArea.extent = swapChainExtent; // 渲染区域的大小，通常与交换链一致

VkClearValue clearColor = {{{0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f}}}; // 定义清屏颜色为黑色
renderPassInfo.clearValueCount = 1; // 清屏的值数量，这里只设置一个清屏颜色
renderPassInfo.pClearValues = &clearColor; // 指向清屏颜色的指针

// 开始录制渲染通道
vkCmdBeginRenderPass(commandBuffer, &renderPassInfo, VK_SUBPASS_CONTENTS_INLINE); // 开始渲染通道的录制

// 4. 绑定图形管线
vkCmdBindPipeline(commandBuffer, VK_PIPELINE_BIND_POINT_GRAPHICS, graphicsPipeline); // 绑定图形管线到命令缓冲区

// 5. 绑定顶点缓冲区（可选）
VkBuffer vertexBuffers[] = {vertexBuffer}; // 顶点缓冲区数组，包含顶点数据的缓冲区
VkDeviceSize offsets[] = {0}; // 偏移量数组，表示从缓冲区的哪个位置开始读取数据
vkCmdBindVertexBuffers(commandBuffer, 0, 1, vertexBuffers, offsets); // 绑定顶点缓冲区，设置偏移量

// 6. 绘制图元
vkCmdDraw(commandBuffer, static_cast<uint32_t>(vertexCount), 1, 0, 0); // 录制绘制指令，指定要绘制的顶点数量

// 结束渲染通道
vkCmdEndRenderPass(commandBuffer); // 结束当前渲染通道

// 结束命令缓冲区的录制
result = vkEndCommandBuffer(commandBuffer); // 结束命令缓冲区的录制
if (result != VK_SUCCESS) {
    throw std::runtime_error("Failed to record command buffer!"); // 检查是否成功录制命令缓冲区，失败则抛出异常
}

提交指令缓存

记录完命令后，可以将指令缓存提交给队列执行。

VkSubmitInfo submitInfo = {};
submitInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_SUBMIT_INFO;
submitInfo.commandBufferCount = 1;
submitInfo.pCommandBuffers = &commandBuffer;

if (vkQueueSubmit(graphicsQueue, 1, &submitInfo, VK_NULL_HANDLE) != VK_SUCCESS) {
    throw std::runtime_error("failed to submit draw command buffer!");
}
vkQueueWaitIdle(graphicsQueue); // 等待队列完成执行

//GPU 渲染完成（渲染指令执行完毕）

参考