Metal|Metal 简述 & API

OpenGL + OpenGL ES +Metal 系列文章汇总
Metal介绍 Metal是苹果在2018年推出用于取代在苹果端的业务的图形编程接口,在2018年之前使用的是基于OpenGL ES 封装的GLKit,通过Metal相关API直接操作GPU,能最大限度的利用GPU能力。
特点
Metal具有以下特点
  • 低CPU开销
  • 最佳GPU性能,即metal 能在GPU上发挥最大的性能
  • 最大限度的提高CPU/GPU 的并发性
  • 有效的资源管理
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特点 图形管道 graphics pipelines
Metal中图形管道与OpenGL ES是一致的,并没有什么差别,如图所示

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metal中的图形管道
  • 通过CPU将顶点数据传递到顶点着色器
  • 顶点着色器将处理好的顶点进行图元装配
  • 然后进行光栅化,得到每个像素点的颜色值
  • 然后将颜色传入片元着色器进行处理
  • 最后将数据存储到帧缓存区,并显示到屏幕上
Metal的使用建议
苹果对metal的使用有以下几点建议:
  • Separate Your Rendering Loop 分开渲染循环:不希望将渲染的处理放到VC中,希望将渲染循环封装在一个单独的类中
  • Respond to View Events 响应视图的事件,即MTKViewDelegate协议,也需要放在自定义的渲染循环中
  • Metal Command Objects 创建一个命令对象,即创建执行命令的GPU设备、MTLCommandQueue命令队列以及驱动GPU的MTCommandBuffer渲染缓存区
Metal命令对象之间的关系
metal命令对象之间的关系如下图所示

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metal命令对象间的关系
  • 命令缓存区(command buffer)是从命令队列(command queue)创建的
  • 命令编码器(command encoder)将命令编码到命令缓存区中
  • 提交命令缓存区并将其发送到GPU
  • GPU执行命令并将结果呈现为可绘制
下面介绍Metal的相关API
Metal API MTKView
在MetalKit中提供了一个视图类MTKView,类似于GLKit中GLKView,它是NSView(macOS中的视图类)或者UIView(iOS、tvOS中的视图类)的子类。用于处理metal绘制并显示到屏幕过程中的细节。
所以在使用metal时,首先需要先创建MTKView对象,有两种创建方式
  • 直接修改storyboard中view的类
  • 使用init创建
MTLDevice
由于metal是操作GPU的,所以需要获取GPU使用权限,即拿到GPU对象,Metal中提供了MTLDevice协议表示GPU接口,在iOS中一般是通过默认的方式MTLCreateSystemDefaultDevice()获取GPU
_view.device = MTLCreateSystemDefaultDevice();

metal的使用必须使用真机,且必须是6s及以上的机型
如果设备不支持mental,将会返回空
如果想使用多个MTLDevice实例,或者从一个MTLDevice切换到另一个,则需要为每个MTLDevice创建单独的一组对象
MTLDevice协议表示可以执行命令的GPU,提供了如下功能
  • 创建新的命令队列
  • 从内存分配缓冲区
  • 创建纹理
  • 查询设备功能

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    MTLDevice提供的功能
官方文档-The Device Object Represents a GPU
MTLCommandQueue
在获取了GPU后,还需要一个渲染队列,即命令队列Command Queue类型是MTLCommandQueue,该队列是与GPU交互的第一个对象,队列中存储的是将要渲染的命令MTLCommandBuffer
队列的获取需要通过MTLDevice对象获取,且每个命令队列的生命周期很长,因此commandQueue可以重复使用,而不是频繁创建和销毁。
_commandQueue = [_device newCommandQueue];

在绘制之前,首先需要配置好MTKView、MTLDevice以及MTLCommandQueue后,其次是准备渲染到屏幕上的数据,即准备缓存数据MTLCommandBuffer,例如顶点数据等。
简单的渲染流程就是
  • 先通过MTLCommandBuffer创建渲染缓存区,
  • 其次通过MTLRenderPassDescriptor创建渲染描述符,
  • 然后再通过创建的渲染缓存区和渲染描述符创建命令编辑器MTLRenderCommandEncoder进行编码
  • 最后是结束编码,提交渲染命令,在完成渲染后,将命令缓存区提交至GPU
MTLCommandBuffer
命令缓存区 Command Buffer主要是用于存储编码的命令,其生命周期是知道缓存区被提交到GPU执行为止,单个的命令缓存区可以包含不同的编码命令,主要取决于用于构建它的编码器的类型和数量。
命令缓存区的创建可以通过调用MTLCommandQueuecommandBuffer方法。且command buffer对象的提交只能提交至创建它的MTLCommandQueue对象中
commandBuffer在未提交命令缓存区之前,是不会开始执行的,提交后,命令缓存区将按其入队的顺序执行,commandBuffer的提交方式有以下两种,不同的提交方式表示不同的执行顺醋
  • enqueue:顺序执行,enqueue方法在命令队列中为命令缓存区保留一个位置,此时并未提交命令缓存区,当最终提交命令缓存区后,按照命令队列的顺序依次执行
  • commit:插队尽快执行,如果前面有commit还是需要排队等着
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    渲染缓存区提交的方式-苹果原话
MTLRenderCommandEncoder
MTLRenderCommandEncoder表示单个渲染过程中相关联的渲染状态和渲染命令,有以下功能:
  • 指定图形资源,例如缓存区和纹理对象,其中包含顶点、片元、纹理图片数据
  • 指定一个MTLRenderPipelineState对象,表示编译的渲染状态,包含顶点着色器和片元着色器的编译&链接情况
  • 指定固定功能,包括视口、三角形填充模式、剪刀矩形、深度、模板测试以及其他值
  • 绘制3D图元

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    MTLRenderCommandEncoder命令编辑器提供的功能
其中在创建commandEncoder之前,需要县创建渲染描述符MTLRenderPassDescriptor,渲染描述符通过MTKViewcurrentRenderPassDescriptor获取
MTLRenderPassDescriptor *renderPassDescriptor = view.currentRenderPassDescriptor;

然后通过commandBuffer结合渲染描述符创建命令编辑器
id renderEncoder = [commandBuffer renderCommandEncoderWithDescriptor:renderPassDescriptor];

通过苹果官方文档-MTLRenderCommandEncoder,着重说下使用渲染命令编码器执行渲染的过程

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命令编码器执行渲染的流程
  • 通过调用MTLCommandBuffer对象的makeRenderCommandEncoder(descriptor :)方法来创建MTLRenderCommandEncoder对象。
  • 调用setRenderPipelineState(_ :)方法以指定MTLRenderPipelineState,该状态定义图形渲染管道的状态,包括顶点和片段函数。
  • 指定用于顶点和片元函数输入和输出的资源,并在对应的参数中设置每个资源的位置(即索引),即将顶点数据等通过commandEncoder调用setVertexBytes:length:atIndex:函数传递到metal文件的顶点着色器和片元着色器函数
  • 指定其他的固定功能状态,例如通过commandEncoder调用setViewport:函数设置视口大小等
  • 绘制图形
  • 调用endEncoding()方法以终止渲染命令编码器。
参考链接
  • Metal苹果官方使用链接
    Metal Best Practices Guide
    Metal Programming Guide
  • Metal中常用的API
    MTKView
  • Metal中的常用协议
    MTLDevice
    MTLCommandQueue
    MTLCommandBuffer
    MTLCommandEncoder
  • 【Metal|Metal 简述 & API】Metal案例(苹果官方提供)
    Metal Sample Code

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