Metal-Devices and Commands

此文为Metal-Devices and Commands的翻译

设备和命令

示范如何使用GPU和与GPU交互

简介

Metal为用户设备的图形处理单元(GPU)提供了低层次、低开销的访问，从而开发出高效使用GPU的app。开发这样APP的关键是要完整理解软件和硬件交互。

入门

Xcode项目包含一些可以运行在macOS、iOS或tvOS上运行示例的方案。Metal不支持iOS或tvOS模拟器，所以需要一个物理设备来运行示例。默认的方案是macOS，它和你的Mac一样运行示例。

Metal和MetalKit 框架

示例用Metal和MetalKit来渲染显示内容。Metal提供GPU的使用，MetalKit提供一些通用组件，可以简单的来开发一个Metal app。他们可以和系统和其他框架无缝的成为一体，所以你可以重点关注GPU程序。

MetalKits里最常用的一个类是MTKView。它封装UIView或NSView对象并配置特定于Metal的核心动画功能。特别是，一个MetalKit视图自动设置和管理一个连续的渲染循环，它为每个帧提供一个2D的、可显示的资源，通常称为可绘制的资源。

Note：你可以用Core Animation直接去开发一个Metal app，但是用MetalKit更加容易、快速、方便。

分离你的渲染循环

当开发一个Metal app时，经常需要分离你的渲染循环到它所拥有的类中。用一个单独的类，可以更好的管理你的Metal初始化设置代码和每一帧的Metal命令。这是AAPLRenderer类的通用架构示例，它是用MetalKit初始化的，并被分配作为视图的代理。

_renderer = [[AAPLRenderer alloc] initWithMetalKitView:_view];
if(!_renderer)
{
    NSLog(@"Renderer failed initialization");
    return;
}
_view.delegate = _renderer;

响应视图事件

MTKViewDelegate 对象实现了mtkView:drawableSizeWillChange: 和 drawInMTKView: 方法。这些方法通知你的渲染器MetalKit视图的大小调整和绘画活动。

每当窗口大小发生变化（macOS）或发生重新布局操作（例如设备方向更改）时，视图都会调用mtkView：drawableSizeWillChange：方法（iOS和tvOS）。然后，您可以根据需要响应视图的新大小并更改渲染分辨率。
每当需要渲染新帧时，视图都会调用drawInMTKView：方法，这是由视图的preferredFramesPerSecond属性上设置的帧速率（例如，60 FPS）指定的。此回调通常是开始执行渲染循环的主要事件。

Metal命令对象

一个MTLDevice对象表示一个GPU。通常，你调MTLCreateSystemDefaultDevice（）方法获取一个MTLDevice对象的信号，就代表设备的默认GPU。MTLDevice对象提供关于GPU的信息，但是主要目的是创建与GPU交互的其他对象。

所有APP要与GPU交互的第一个对象是MTLCommandQueue对象

_commandQueue = [_device newCommandQueue];

使用MTLCommandQueue对象来创建和组织MTLCommandBuffer对象，确保它们以正确的顺序发送到GPU。

对于每个帧，创建一个新的MTLCommandBuffer对象并填充由GPU执行的命令。

 id<MTLCommandBuffer> commandBuffer = [_commandQueue commandBuffer];

有许多不同类型的GPU，每个GPU都以自己独特的方式接受和解释命令。MTLCommandBuffer对象将这些命令合并为单个提交，但必须首先使MTLCommandEncoder对象以与设备无关的方式对它们进行编码。有几种不同类型MTLCommandEncoder类，每种类用于在GPU上执行不同类型的任务。此示例演示了如何使用MTLRenderCommandEncoder子类，该子类专门将渲染命令编码到命令缓冲区中。

此示例使用MTLRenderCommandEncoder对象对GPU命令进行编码，这些命令将像素渲染到MetalKit视图的可绘制区域。为此，渲染命令编码器必须与此可绘制区域特别关联。

想要创建一个MTLRenderCommandEncoder对象, 必须首先创建一个MTLRenderPassDescriptor对象。MTLRenderPassDescriptor是一个轻量级临时对象，具有许多可配置属性，现有MTLCommandBuffer对象使用这些属性来创建新的MTLRenderCommandEncoder对象。之后，不再需要MTLRenderPassDescriptor对象。

下图说明了Metal的命令对象之间的关系。
总结：
1、命令缓冲区是从命令队列创建的
2、命令编码器将命令编码到命令缓冲区中
3、然后提交命令缓冲区并将其发送到GPU
4、 GPU执行命令并将结果呈现为可绘制区域

图片来自官网

准备一帧

MetalKit视图为每个帧创建一个新的MTLRenderPassDescriptor对象，通过currentRenderPassDescriptor属性提供。此渲染过程描述符预先配置了特定于视图的属性，一些属性派生自视图的drawable，可用于轻松方便地创建新的MTLRenderCommandEncoder对象。MetalKit视图为每个帧创建一个新的MTLRenderPassDescriptor对象，通过currentRenderPassDescriptor属性提供。此渲染过程描述符预先配置了特定于视图的属性，一些属性派生自视图的可绘制区域，可用于轻松方便地创建新的MTLRenderCommandEncoder对象。

// Obtain a render pass descriptor, generated from the view's drawable
 MTLRenderPassDescriptor *renderPassDescriptor = view.currentRenderPassDescriptor;
 // If you've successfully obtained a render pass descriptor, you can render to
 // the drawable; otherwise you skip any rendering this frame because you have no
 // drawable to draw to
 if(renderPassDescriptor != nil)
 {
     id<MTLRenderCommandEncoder> renderEncoder = [commandBuffer renderCommandEncode
 rWithDescriptor:renderPassDescriptor];

编码完的此MTLRenderCommandEncoder对象中的命令渲染给视图的可绘制区域。默认情况下，创建MTLRenderCommandEncoder对象会隐式编码GPU在任何其他渲染命令之前执行的清除命令。清除命令会在渲染循环的每次开始更新，设置可绘制区域的像素颜色为空白。

 Color color = [self makeFancyColor];
 view.clearColor = MTLClearColorMake(color.red, color.green, color.blue, color.alph a);

完成一帧

通常，Metal应用程序调用许多MTLRenderCommandEncoder方法，这些方法将显式渲染命令编码到命令缓冲区中。为简单起见，此示例实际上不编码显式渲染命令; 只有隐式清除命令被编码。创建MTLRenderCommandEncoder对象之后，该示例只是调用endEncoding方法来指示编码器已完成。

编码器完成后，命令缓冲区接受两个最终命令：present和commit。

由于GPU不直接绘制到屏幕上，因此在完成执行命令之前无法绘制像素。为避免因不完整的drawable导致的糟糕用户体验，可调用presentDrawable：方法。此方法告诉Metal在屏幕上显示之前等待GPU完成渲染到可绘制区域。

[commandBuffer presentDrawable:view.currentDrawable];

GPU也不会立即执行命令。只有在调用commit方法后才会执行对MTLRenderCommandEncoder或MTLCommandBuffer对象的调用。 Metal然后调度命令缓冲区以便执行。 GPU开始执行时，将使用新颜色清除可绘制区域。 GPU完成执行后，渲染的可绘制区域将显示在屏幕上。

[commandBuffer commit];

到此，如何编写使用Metal的应用程序并向GPU发出基本渲染命令就陈述完毕了。
demo地址：示例代码;