0021--OpenGL Metal初探

什么是metal?

Metal 是一个和OpenGL ES 类似的面向底层的图形编程接口，通过使用相关的API 可以直接操作 GPU。

注意：Metal只针对苹果的平台系统使用，不像OpenGL ES那样可以进行跨平台使用但是它能最大的挖掘苹果移动设备的 GPU 能力，进行复杂的运算，像 Unity 等游戏引擎都通过 Metal 对 3D 能力进行了优化。

Metal在苹果中的架构图

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UIKit -> Core Graphics -> Metal/OpenGL ES -> GPU Driver -> GPU

Metal的特点

GPU 支持的 3D 渲染
和 CPU 并行处理数据（深度学习）
提供低功耗接口
与 CPU 共享资源内存

Metal绘制流水线

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器件和命令

通常使用两个框架来显示呈现的内容：Metal和MetalKit。
Metal提供对GPU的访问，MetalKit提供了常用的实用程序，可以更轻松地开发Metal应用程序。它们与OS和其他框架无缝集成，因此您可以专注于GPU编程.

MetalKit最有用的功能之一是MTKView类，它包装UIView或NSView对象并配置特定于Metal的Core Animation功能。特别是，MetalKit视图自动设置和管理连续渲染循环，为每个帧提供2D可显示资源，通常称为可绘制资源。

注意：您可以直接使用Core Animation开发Metal应用程序，但使用MetalKit更容易，更快捷，更方便

Separate Your Rendering Loop - 分离渲染循环

在我们开发Metal程序时,将渲染循环分离到自己创建的类中,是非常有用的一种方式,使用 单独的类,我们可以更好管理初始化Metal,以及Metal视图委托.


 _render =[[Renderer alloc]initWithMetalKitView:_view];
    
    //5.判断_render 是否创建成功
    if (!_render) {
        NSLog(@"Renderer failed initialization");
        return;
    }

Respond to View Events - 响应视图事件

MTKViewDelegate的代理对象实现mtkView：drawableSizeWillChange：和drawInMTKView方法。 这些方法通知渲染器MetalKit视图的大小调整和绘图事件

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 Command Objects - Metal命令对象

MTLDevice对象表示GPU。通常，您调用MTLCreateSystemDefaultDevice（）方法以获取表示设备的默认GPU的单个MTLDevice对象。 MTLDevice对象提供有关GPU的信息，但其主要目的是创建可与GPU交互的其他对象。

所有应用程序需要与GPU交互的第一个对象是MTLCommandQueue对象。

 _commandQueue = [_device newCommandQueue];

你使用MTLCommandQueue 去创建对象,并且加入MTLCommandBuffer 对象中.确保它们能够按照正确顺序发送到GPU.对于每一帧,一个新的MTLCommandBuffer 对象创建并且填满了由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，但必须首先使用MTLCommandEncoder对象以与设备无关的方式对它们进行编码。有几种不同类型的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drawable。为此，渲染命令编码器必须与此drawable特别关联。

要创建MTLRenderCommandEncoder对象，必须首先创建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。总结一下：

命令缓冲区（Command buffers）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冲区中
然后提交命令缓冲区并将其发送到GPU
GPU执行命令并将结果呈现为可绘制的

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Prepare a Frame - 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。

 MTLRenderPassDescriptor *renderPassDescriptor = view.currentRenderPassDescriptor;
    

    if(renderPassDescriptor != nil)
    {
     
        id<MTLRenderCommandEncoder> renderEncoder = [commandBuffer renderCommandEncoderWithDescriptor:renderPassDescriptor];
        renderEncoder.label = @"MyRenderEncoder";

        [renderEncoder endEncoding];
        
     
        [commandBuffer presentDrawable:view.currentDrawable];
    }

编码到此MTLRenderCommandEncoder对象中的命令呈现给视图的drawable。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clear命令。 clear命令将drawable的像素设置为在渲染循环开始时为clear color。

//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);

Finalize a Frame - 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对象后，该示例只调用endEncoding方法以指示编码器已完成。

编码器完成后，命令缓冲区(command buffer)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，请调用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drawable.

[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。然后，Metal会调度命令缓冲区(command buffer)以供执行。 GPU开始执行时，将使用新颜色清除drawable。 GPU完成执行后，渲染的drawable将显示在屏幕上。