Vulkan【6】创建一个交换链

梦里梦外; 2022-05-16 10:54 187阅读 0赞

# 创建一个交换链 #

本节的代码是 `05-init_swapchain.cpp`

本节描述如何创建交换链，它是最终显示给用户的图像缓冲区列表。这是建立呈现所需的所有缓冲区所需的第一个步骤之一。

这是一个关于交换链的视图，它与系统的其他部分有关。其中一些部分很常见，剩下的部分将在本节中学习。

![这里写图片描述][70]

## Vulkan和窗口系统 ##

与其他图形API一样，Vulkan将窗口系统方面与核心图形API分离开来。  
在Vulkan中，窗口系统的详细信息通过WSI（窗口系统集成）扩展公开。  
您可以在使用WSI内容的Vulkan规范文档中找到这些扩展的文档。Vulkan 规范[LunarG LunarXchange website][] 和 [Khronos Vulkan Registry][] 。

WSI扩展包含对各种平台的支持。扩展被激活为一个特定的平台，通过定义：

*  `VK_USE_PLATFORM_ANDROID_KHR` \- Android
 *  `VK_USE_PLATFORM_MIR_KHR` \- Mir
 *  `VK_USE_PLATFORM_WAYLAND_KHR` \- Wayland
 *  `VK_USE_PLATFORM_WIN32_KHR` \- Microsoft Windows
 *  `VK_USE_PLATFORM_XCB_KHR` \- X Window System, using the XCB library
 *  `VK_USE_PLATFORM_XLIB_KHR` \- X Window System, using the Xlib library

该名称的“KHR”部分表明该符号是在Khronos扩展中定义的。

### Surface 抽象 ###

Vulkan使用`VkSurfaceKHR`对象来抽象本机平台的Surface 或窗口。这个符号定义为VK KHR表面扩展的一部分。WSI扩展中的各种函数被用来创建、操作和销毁这些Surface 对象。

## 回顾实例和设备扩展 ##

由于您在本教程前几节中推迟了使用扩展，现在是重新回顾它们的时候了，这样您就可以激活WSI扩展，您需要使用它来与窗口系统进行交互。

### 实例扩展 ###

为了使用WSI扩展，您需要激活通用的surface 扩展。在示例中找到 `init_instance_extension_names()`函数中的代码，该函数将 `init_instance_extension_names()`添加到加载的实例扩展列表中。

info.instance_extension_names.push_back(VK_KHR_SURFACE_EXTENSION_NAME);

还要注意的是，这个函数决定了特定于平台的扩展，这取决于所构建代码的平台。  
例如，如果为Windows构建的话，该函数会将`VK_KHR_WIN32_SURFACE_EXTENSION_NAME`  
添加到加载的实例扩展列表中。

info.instance_extension_names.push_back(VK_KHR_WIN32_SURFACE_EXTENSION_NAME);

当实例被创建时，在`init_instance()`函数中加载这些扩展。

### 设备扩展 ###

交换链是一个GPU渲染图像缓冲区列表，并将其呈现给显示硬件，以便扫描输出到显示器。  
由于GPU硬件是为这些图像编写的，所以需要一个设备级的扩展来处理交换链。  
因此，样例代码将`VK_KHR_SWAPCHAIN_EXTENSION_NAME`的设备扩展添加到设备扩展列表中，以便加载`init_device_extension_names()`。

info.device_extension_names.push_back(VK_KHR_SWAPCHAIN_EXTENSION_NAME);

这个扩展在本节稍后将使用，用以创建交换链。

简要概括：

*  本示例使用`init_instance_extension_names()`函数来加载一般的surface扩展和特定于平台的surface扩展作为实例扩展。
 *  该示例使用`init_device_extension_names()`函数来加载交换链扩展作为设备扩展。

通过访问[LunarG LunarXchange website][].，您可以了解更多关于实例和设备扩展的信息

## 队列家族 和“呈现” ##

“呈现”操作包括将一个交换链的图像放到物理显示器上，这样就可以查看它了。当应用程序想要将图像呈现给显示器时，它会使用`vkQueuePresentKHR()`函数将当前请求放到GPU的队列中。因此，这个函数引用的队列必须能够支持呈现请求，或者图形和呈现请求。示例如下：

// Iterate over each queue to learn whether it supports presenting:
    VkBool32 *pSupportsPresent =
        (VkBool32 *)malloc(info.queue_family_count * sizeof(VkBool32));
    for (uint32_t i = 0; i < info.queue_family_count; i++) {
        vkGetPhysicalDeviceSurfaceSupportKHR(info.gpus[0], i, info.surface,
                                             &pSupportsPresent[i]);
    }
    
    // Search for a graphics and a present queue in the array of queue
    // families, try to find one that supports both
    info.graphics_queue_family_index = UINT32_MAX;
    info.present_queue_family_index = UINT32_MAX;
    for (uint32_t i = 0; i < info.queue_family_count; ++i) {
        if ((info.queue_props[i].queueFlags & VK_QUEUE_GRAPHICS_BIT) != 0) {
            if (info.graphics_queue_family_index == UINT32_MAX)
                info.graphics_queue_family_index = i;
    
            if (pSupportsPresent[i] == VK_TRUE) {
                info.graphics_queue_family_index = i;
                info.present_queue_family_index = i;
                break;
            }
        }
    }
    
    if (info.present_queue_family_index == UINT32_MAX) {
        // If didn't find a queue that supports both graphics and present, then
        // find a separate present queue.
        for (size_t i = 0; i < info.queue_family_count; ++i)
            if (pSupportsPresent[i] == VK_TRUE) {
                info.present_queue_family_index = i;
                break;
            }
    }
    free(pSupportsPresent);

这段代码重新使用了之前获得的 `info.queue_family_count`，因为`vkGetPhysicalDeviceSurfaceSupportKHR()`为每个队列家族返回一个flag。  
然后搜索一个同时支持呈现和图形的队列家族。如果没有队列家族能同时满足呈现和图形，程序会先记住支持图形的队列家族，然后再去搜索支持呈现的队列家族。  
当`graphics_queue_family_index`和`present_queue_family_index`都被这段代码设置时，示例的后面必须使用来自`graphics_queue_family_index`的队列用于图形指令，以及来自`present_queue_family_index`的队列用于呈现。

是的，这有点冗余，之前在“设备”章节中只进行了搜索一个支持图形的队列家族，这只是为了便于说明。一个真正的应用程序可以以不同的顺序执行这些步骤，以避免重复。

如果没有这样的队列家族，示例程序会直接退出。

## 交换链创建信息 ##

本节其余部分的大部分工作都是为了填充这个create info结构，用于创建交换链：

typedef struct VkSwapchainCreateInfoKHR {
        VkStructureType                  sType;
        const void*                      pNext;
        VkSwapchainCreateFlagsKHR        flags;
        VkSurfaceKHR                     surface;
        uint32_t                         minImageCount;
        VkFormat                         imageFormat;
        VkColorSpaceKHR                  imageColorSpace;
        VkExtent2D                       imageExtent;
        uint32_t                         imageArrayLayers;
        VkImageUsageFlags                imageUsage;
        VkSharingMode                    imageSharingMode;
        uint32_t                         queueFamilyIndexCount;
        const uint32_t*                  pQueueFamilyIndices;
        VkSurfaceTransformFlagBitsKHR    preTransform;
        VkCompositeAlphaFlagBitsKHR      compositeAlpha;
        VkPresentModeKHR                 presentMode;
        VkBool32                         clipped;
        VkSwapchainKHR                   oldSwapchain;
    } VkSwapchainCreateInfoKHR;

### 创建一个表面（Surface） ###

随着WSI扩展在实例和设备中加载，您现在可以创建一个`VkSurface`，这样您就可以继续进行构建交换链了。您再次需要使用特定于平台的代码，出现在`05-init_swapchain.cpp`的顶部：

#ifdef _WIN32
        VkWin32SurfaceCreateInfoKHR createInfo = {};
        createInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_WIN32_SURFACE_CREATE_INFO_KHR;
        createInfo.pNext = NULL;
        createInfo.hinstance = info.connection;
        createInfo.hwnd = info.window;
        res = vkCreateWin32SurfaceKHR(info.inst, &createInfo, NULL, &info.surface);
    #endif

`info.connection` 和`info.window` 的值是在`init_connection()`和`init_window()`函数中包含的更特定于平台的代码中设置的，您也可以在示例代码中找到它们。

请注意，`init_connection()` 和`init_window()`函数也负责连接到显示器的特定于平台的操作，并创造实际的窗口。您刚刚用`vkCreateWin32SurfaceKHR()` 函数创建的`VkSurfaceKHR`是由Vulkan用于平台窗口对象的句柄来表示的。

然后将生成的表面添加到交换链的create info结构：

VkSwapchainCreateInfoKHR swapchain_ci = {};
    swapchain_ci.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_SWAPCHAIN_CREATE_INFO_KHR;
    swapchain_ci.pNext = NULL;
    swapchain_ci.surface = info.surface;

#### 设备表面格式（Device Surface Formats） ####

您还需要在创建交换链时指定表面的格式。在这种情况下，“格式”指的是`VkFormat`枚举所描述的像素格式，  
`VK_FORMAT_B8G8R8A8_UNORM`是设备表面格式的一个常见值。

示例中的下一段代码将获得`VkSurfaceFormatKHR`结构的列表，其中包含由display支持的`VkFormat`格式，以及其他信息。因为这些示例并不关心  
显示图像和表面使用的格式，所以示例只是选择了第一个可用的格式，如果没有指定的话，就会返回到任意的、但常见的格式。

看一看示例中的代码，它最终在create info结构中设置了格式：

swapchain_ci.imageFormat = info.format;

### 表面能力（Surface Capabilities） ###

为了继续填充 create info 结构, 示例调用 `vkGetPhysicalDeviceSurfaceCapabilitiesKHR()` 和`vkGetPhysicalDeviceSurfacePresentModesKHR()` 来获得必要的信息。 然后，它可以填充以下字段：

uint32_t desiredNumberOfSwapChainImages = surfCapabilities.minImageCount;
    
    swapchain_ci.minImageCount = desiredNumberOfSwapChainImages;
    swapchain_ci.imageExtent.width = swapChainExtent.width;
    swapchain_ci.imageExtent.height = swapChainExtent.height;
    swapchain_ci.preTransform = preTransform;
    swapchain_ci.presentMode = swapchainPresentMode;

您应该将`minImageCount`成员设置为代表应用程序使用的缓冲策略的值，例如双缓冲或三重缓冲。这个示例查询一个交换链中可以使用的最少数量的图像，这些图像使用的是`vkGetPhysicalDeviceSurfaceCapabilitiesKHR()`函数，将结果存储在`surfCapabilities`中。要求这个最小数量的图像可以确保我们可以获得一个可呈现的图像，只要我们在试图获得另一个图像之前就展示它。这表示一个双缓冲配置，因为您将让一个图像进行渲染，而另一个图像正在呈现。如果你想要三次缓冲，那么你会要求一个更多的图像，然后在你展示它们之前，你可以获得两个缓冲。

## 用于图形和当前的不同队列家族 ##

您在队列家族中确定了图形和呈现队列。如果它们是不同的，您需要做一些额外的工作，以允许在队列家族之间共享图像。

swapchain_ci.imageSharingMode = VK_SHARING_MODE_EXCLUSIVE;
    swapchain_ci.queueFamilyIndexCount = 0;
    swapchain_ci.pQueueFamilyIndices = NULL;
    uint32_t queueFamilyIndices[2] = {
        (uint32_t)info.graphics_queue_family_index,
        (uint32_t)info.present_queue_family_index};
    if (info.graphics_queue_family_index != info.present_queue_family_index) {
        // If the graphics and present queues are from different queue families,
        // we either have to explicitly transfer ownership of images between the
        // queues, or we have to create the swapchain with imageSharingMode
        // as VK_SHARING_MODE_CONCURRENT
        swapchain_ci.imageSharingMode = VK_SHARING_MODE_CONCURRENT;
        swapchain_ci.queueFamilyIndexCount = 2;
        swapchain_ci.pQueueFamilyIndices = queueFamilyIndices;
    }

上面的字段提供了创建交换链所需的更多基本信息。您可以在示例中检查其余的代码，以了解如何获得这些信息，以及如何填写create info结构的其余部分。

## 创建交换链 ##

当交换链的 create info 结构填充完成，你现在就可以创建交换链了：

res = vkCreateSwapchainKHR(info.device, &swapchain_ci, NULL, &info.swap_chain);

这个调用创建了组成交换链的一组图像。在某种程度上，你需要对单个图像进行处理，这样你就可以告诉GPU哪些图像用于渲染。`vkCreateSwapchainKHR()`函数创建图像本身，因此保持了对句柄的跟踪。  
样例通过使用我们熟悉的查询模式来获得图像句柄的个数，通过调用

vkGetSwapchainImagesKHR(info.device, info.swap_chain,
                            &info.swapchainImageCount, NULL);

然后再次调用这个函数来获取一张图像句柄的列表，并将它们存储在`info.buffer`中。现在你有了一个目标图像句柄的列表。

## 创建图像视图（Create Image Views） ##

您需要告诉Vulkan，通过创建图像视图，您打算如何使用这些交换链图像。“视图”本质上是附加到一个资源的附加信息，该信息了如何使用该资源。

属于图像的内存区域可以以多种方式排列，这取决于图像的预期用途。例如，图像可以是1D、2D或3D。或者可以有一系列的图像，等等。描述图像的格式（例如，`VK_FORMAT_R8G8B8A8_UNORM`）、组件的顺序和层信息也是很有用的。所有这些信息都是包含在`VkImageView`中的图像元数据。

创建图像视图非常简单。在`05-init_swapchain.cpp`中找到`VkImageViewCreateInfo` 结构。并看到它被填充了你对2D framebuffer所期望的值。注意图像句柄本身存储在图像视图中。

然后，您可以通过在`info` 数据结构中存储图像视图句柄来完成交换链的创建，以便以后使用。

[70]: /images/20220516/e330cb3dbf124c4c9b5af46dd1f9cb06.png
[LunarG LunarXchange website]: https://vulkan.lunarg.com
[Khronos Vulkan Registry]: https://www.khronos.org/registry/vulkan/