一、Metal简介
1、Metal
早在2014年的WWDC大会上，Apple为游戏开发者推出了新的平台技术 Metal，该技术能够为 3D 图像提高 10 倍的渲染性能，并支持大家熟悉的游戏引擎及公司。
在2018年之前,OpenGL ES只能通过GPU进行图形的处理，无法调度GPU进行项目中高度的自定义的并发运算。但是在Metal中，苹果给了这样的入口，可以充分调用GPU来完成这件事情。
于是，在2018年，苹果做出了这样的决定：将原先CoreAnimation的内核从OpenGL ES迁移到了Metal。至此，我们可以在iOS设备上利用Metal来处理业务，就能最大限度的利用其GPU的性能。
换而言之，当我们需要进行高并发运算的时候，也要用到Metal来实现。就是因为Metal中有调用GPU来执行计算的入口。(比如AVFoundation的人脸识别功能，音视频的编码（压缩）和解码（解压缩），都需要用到GPU来达到高并发最好的效果)
需要注意：大多Metal程序，是不支持模拟器执行的，需要真机去执行。因此，对于真机也有要求：A7以上的处理器，也就是6s及以后的手机。
2、特点
- CPU的开销非常低
- 发挥GPU的最佳性能（主要还是苹果自己调用自己的硬件更加得心应手）
- 最大限度提高CPU/GPU的并发性
- 更加有效的管理我们的资源
3、图形管道
大致和OpenGL ES没啥区别，最多就是 Shader改了个名字，叫Processing。
CPU部分： 处理顶点数据，传给顶点程序（着色器）
GPU部分：
- 顶点着色器处理CPU传过来的顶点数据，进行一系列坐标转换、裁剪 ↓
- 进行图元装配 ↓
- 光栅化 ↓
- 片元程序（着色器）去处理纹理、透明度、深度等 ↓
- 把最终数据存储到帧缓冲区，并显示到屏幕上
需要注意的是：
OpenGL ES的图元连接方式有9种：点、线、线段、线环、四边形、四边形带、三角形、三角形带、三角形扇
而Metal只有5种:点、线段、线环、三角形、三角形扇
4、Metal的使用建议
Separate Your Rendering Loop:分开渲染循环，苹果不希望渲染的处理放在VC中，希望我们可以把与Metal有关的渲染循环封装到一个单独的类中Respond to View Events:响应视图的方法，也就是我们要遵循在单独的渲染类中遵循MTKViewDelegate的协议，实现2个代理方法Metal Command Objects:命令对象，也就是我们要使⽤MTLCommandQueue创建对象并且加⼊到MTCommandBuffer对象中去，然后与GPU进行交互
5、Metal命令对象之间的关系
- 命令缓存区(command buffer) 是从命令队列(command queue) 创建的
- 命令编码器(command encoders) 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
二、Metal的相关API
1、MTKView
与GLKit中提供的GLKView类似。Metal为我们提供的是MTKView，继承自UIView，用于处理metal绘制并显示到屏幕过程中的细节。
MTKView *view = [[MTKView alloc] init];
2、MTLDevice
MTLDevice对象表示可以执行命令的GPU。MTLDevice协议具有：
创建新命令队列、 从内存中分配缓冲区、 创建纹理、 查询设备功能的方法。要获得系统上的首选系统设备，请调用MTLCreateSystemDefaultDevice函数。
官方文档《The Device Object Represents a GPU》
一个MTLDevice对象就代表这着一个GPU,通常我们可以调用方法MTLCreateSystemDefaultDevice()来获取代表默认的GPU单个对象。其实也相当于我们要获取一个操作GPU的使用权限。
注意：MTKView必须设置MTLDevice。
//创建一个默认的device
view.device = MTLCreateSystemDefaultDevice();
//判断是否设置成功，因为后面有很多地方需要用到device，如果不成功就没什么意义了
if (!view.device) {
NSLog(@"Metal is not supported on this device");
return;
}
3、MTLCommandQueue
前提是MTLDevice创建成功，在获取了GPU之后，还需要一个渲染队列MTLCommandQueue，这个队列是与GPU交互的第一个对象，队列MTLCommandQueue中存储的是将要进行渲染的命令MTLCommandBuffer。
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。
//通过 MTLDevice 创建 MTLCommandQueue
id<MTLCommandQueue> commandQueue = [view.device newCommandQueue];
4、MTLCommandBuffer
命令缓冲区主要是用于存储编码的命令，其生命周期是直到缓冲区被提交到GPU执行为止，单个的命令缓冲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。
//通过 MTLCommandQueue 创建 MTLCommandBuffer
id<MTLCommandBuffer> commandBuffer = [commandQueue commandBuffer];
//给commandBuffer起个名字
commandBuffer.label = @"MyCommand";
MTLCommandBuffer对象的提交，是提交到MTLCommandQueue对象中的。只有在提交后开始执行，通过入队顺序执行。有两种执行方式：
- enqueue ： 顺序执行
- commit ： 插队尽快执行，如果前面有commit还是需要排队等着
5、MTLRenderCommandEncoder
命令编码器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
MTLRenderCommandEncoder的创建，需要渲染描述符MTLRenderPassDescriptor
//1.从视图绘制中,获得渲染描述符
MTLRenderPassDescriptor *renderPassDescriptor = view.currentRenderPassDescriptor;
//2.判断renderPassDescriptor 渲染描述符是否创建成功,否则则跳过任何渲染.
if(renderPassDescriptor != nil)
{
//3.创建MTLRenderCommandEncoder 对象
id<MTLRenderCommandEncoder> renderEncoder = [commandBuffer renderCommandEncoderWithDescriptor:renderPassDescriptor];
//4.给Encoder命名
renderEncoder.label = @"MyRenderEncoder";
//5.一些Metal文件的绘制操作
//...
//6.结束工作
[renderEncoder endEncoding];
}
6、MTKViewDelegate
//设置MTKView 的代理(由自定义的CustomRender来实现MTKView 的代理方法)
view.delegate = render;
//视图可以根据视图属性上设置帧速率(指定时间来调用drawInMTKView方法--视图需要渲染时调用)也就是每60帧刷新一次屏幕
view.preferredFramesPerSecond = 60;
//每当视图需要渲染时调用
- (void)drawInMTKView:(nonnull MTKView *)view;
//当MTKView视图发生大小改变时，或者重新布局时调用
- (void)mtkView:(nonnull MTKView *)view drawableSizeWillChange:(CGSize)size;
三、小案例
这里放一个小案例-渲染随机背景色，来体现一下Metal语法实际编写过程中的样子。
首先，我们遵从苹果的建议，独立一个渲染类CustomRender
1、CustomRender.h
#import <Foundation/Foundation.h>
#import <MetalKit/MetalKit.h>
NS_ASSUME_NONNULL_BEGIN
@interface CustomRender : NSObject<MTKViewDelegate>
-(id)initWithMetalKitView:(MTKView *)mtkView;
@end
2、CustomRender.m
#import "CustomRender.h"
@implementation CustomRender
{
id<MTLDevice> _device;
id<MTLCommandQueue> _commandQueue;
}
//颜色结构体
typedef struct {
float red, green, blue, alpha;
} Color;
//初始化方法
- (id)initWithMetalKitView:(MTKView *)mtkView
{
self = [super init];
if(self)
{
//拿到外界传进来的device
_device = mtkView.device;
//通过 device 创建_commandQueue
_commandQueue = [_device newCommandQueue];
}
return self;
}
//设置颜色
- (Color)makeFancyColor
{
//1. 增加颜色/减小颜色的 标记
static BOOL growing = YES;
//2.颜色通道值(0~3)
static NSUInteger primaryChannel = 0;
//3.颜色通道数组colorChannels(颜色值)
static float colorChannels[] = {1.0, 0.0, 0.0, 1.0};
//4.颜色调整步长
const float DynamicColorRate = 0.015;
//5.判断
if(growing)
{
//动态信道索引 (1,2,3,0)通道间切换
NSUInteger dynamicChannelIndex = (primaryChannel+1)%3;
//修改对应通道的颜色值 调整0.015
colorChannels[dynamicChannelIndex] += DynamicColorRate;
//当颜色通道对应的颜色值 = 1.0
if(colorChannels[dynamicChannelIndex] >= 1.0)
{
//设置为NO
growing = NO;
//将颜色通道修改为动态颜色通道
primaryChannel = dynamicChannelIndex;
}
}
else
{
//获取动态颜色通道
NSUInteger dynamicChannelIndex = (primaryChannel+2)%3;
//将当前颜色的值 减去0.015
colorChannels[dynamicChannelIndex] -= DynamicColorRate;
//当颜色值小于等于0.0
if(colorChannels[dynamicChannelIndex] <= 0.0)
{
//又调整为颜色增加
growing = YES;
}
}
//创建颜色
Color color;
//修改颜色的RGBA的值
color.red = colorChannels[0];
color.green = colorChannels[1];
color.blue = colorChannels[2];
color.alpha = colorChannels[3];
//返回颜色
return color;
}
//MTKViewDelegate代理方法
-(void)drawInMTKView:(MTKView *)view{
//1. 获取颜色值
Color color = [self makeFancyColor];
//2. 设置view的clearColor
view.clearColor = MTLClearColorMake(color.red, color.green, color.blue, color.alpha);
//1、使用Queue创建对象，并添加到buffer对象中去
id<MTLCommandBuffer> commandBuffer = [_commandQueue commandBuffer];
//2、获取渲染描述符
MTLRenderPassDescriptor *renderPassDescriptor = view.currentRenderPassDescriptor;
//3、判断，不成功则跳过任何渲染
if (renderPassDescriptor != nil) {
//4、通过 渲染描述符 创建 渲染编码器 对象
id<MTLRenderCommandEncoder> renderEncoder = [commandBuffer renderCommandEncoderWithDescriptor:renderPassDescriptor];
//5、给渲染编码器 命名
renderEncoder.label = @"myEncoder";
//6、这里执行metal需要处理的渲染
//7、结束编码
[renderEncoder endEncoding];
/*
当编码器结束之后,命令缓存区就会接受到2个命令.
1) present
2) commit
因为GPU是不会直接绘制到屏幕上,因此你不给出去指令.是不会有任何内容渲染到屏幕上.
*/
//8.添加一个最后的命令来显示清除的可绘制的屏幕
[commandBuffer presentDrawable:view.currentDrawable];
}
//9、在这里完成渲染并将命令缓冲区提交给GPU
[commandBuffer commit];
}
- (void)mtkView:(MTKView *)view drawableSizeWillChange:(CGSize)size
{
}
@end
3、ViewController.m
#import "ViewController.h"
#import "CustomRender.h"
@interface ViewController ()
{
MTKView *_view;
CustomRender *_render;
}
@end
@implementation ViewController
- (void)viewDidLoad {
[super viewDidLoad];
//1、
_view = [[MTKView alloc] initWithFrame:CGRectMake(0, 0, self.view.frame.size.width, self.view.frame.size.height)];
UILabel *label = [[UILabel alloc]initWithFrame:CGRectMake(0, 200, self.view.frame.size.width, 200)];
label.text = @"Hello";
label.font = [UIFont fontWithName:@"AmericanTypewriter" size:50];
label.textAlignment = NSTextAlignmentCenter;
[_view addSubview:label];
[self.view addSubview:_view];
//2、创建一个默认的device
_view.device = MTLCreateSystemDefaultDevice();
//3、判断是否设置成功，因为后面有很多地方需要用到device，如果不成功就没什么意义了
if (!_view.device) {
NSLog(@"Metal is not supported on this device");
return;
}
//4、因为要遵从苹果的建议，加载渲染的类
_render = [[CustomRender alloc]initWithMetalKitView:_view];
//5、判断
if (!_render) {
NSLog(@"Renderer failed initialization");
return;
}
//6、设置MTKView 的代理(由自定义的CustomRender来实现MTKView 的代理方法)
_view.delegate = _render;
//7、设置帧速率，也就是多少帧调用一次渲染代理方法
_view.preferredFramesPerSecond = 60;
}
