Metal介紹
Metal是蘋果在2018年推出用于取代在蘋果端的業(yè)務(wù)的圖形編程接口，在2018年之前使用的是基于OpenGL ES 封裝的GLKit，通過Metal相關(guān)API直接操作GPU，能最大限度的利用GPU能力。
特點
Metal具有以下特點
- 低CPU開銷
- 最佳GPU性能，即metal 能在GPU上發(fā)揮最大的性能
- 最大限度的提高CPU/GPU 的并發(fā)性
- 有效的資源管理
Metal的使用建議
蘋果對metal的使用有以下幾點建議：
-
Separate Your Rendering Loop分開渲染循環(huán)：不希望將渲染的處理放到VC中，希望將渲染循環(huán)封裝在一個單獨的類中 -
Respond to View Events響應(yīng)視圖的事件，即MTKViewDelegate協(xié)議，也需要放在自定義的渲染循環(huán)中 -
Metal Command Objects創(chuàng)建一個命令對象，即創(chuàng)建執(zhí)行命令的GPU、與GPU交互的MTLCommandQueue對象以及MTCommandBuffer渲染緩存區(qū)湘
Metal命令對象之間的關(guān)系
metal命令對象之間的關(guān)系如下圖所示
- 命令緩存區(qū)（command buffer）是從命令隊列（command queue）創(chuàng)建的
- 命令編碼器（command encoder）將命令編碼到命令緩存區(qū)中
- 提交命令緩存區(qū)并將其發(fā)送到GPU
- GPU執(zhí)行命令并將結(jié)果呈現(xiàn)為可繪制
下面介紹Metal的相關(guān)API
Metal API
MTKView
在MetalKit中提供了一個視圖類MTKView，類似于GLKit中GLKView，它是NSView（macOS中的視圖類）或者UIView（iOS、tvOS中的視圖類）的子類。用于處理metal繪制并顯示到屏幕過程中的細(xì)節(jié)。
所以在使用metal時，首先需要先創(chuàng)建MTKView對象，有兩種創(chuàng)建方式
- 直接修改storyboard中view的類
- 使用init創(chuàng)建
MTLDevice
由于metal是操作GPU的，所以需要獲取GPU使用權(quán)限，即拿到GPU對象，Metal中提供了MTLDevice協(xié)議表示GPU接口，在iOS中一般是通過默認(rèn)的方式MTLCreateSystemDefaultDevice()獲取GPU
_view.device = MTLCreateSystemDefaultDevice();
metal的使用必須使用真機，且必須是6s及以上的機型
如果設(shè)備不支持metal，將會返回空
如果想使用多個MTLDevice實例，或者從一個MTLDevice切換到另一個，則需要為每個MTLDevice創(chuàng)建單獨的一組對象
MTLDevice協(xié)議表示可以執(zhí)行命令的GPU，提供了如下功能
- 創(chuàng)建新的命令隊列
- 從內(nèi)存分配緩沖區(qū)
- 創(chuàng)建紋理
- 查詢設(shè)備功能
官方文檔-The Device Object Represents a GPU
MTLCommandQueue
在獲取了GPU后，還需要一個渲染隊列，即命令隊列Command Queue類型是MTLCommandQueue，該隊列是與GPU交互的第一個對象，隊列中存儲的是將要渲染的命令MTLCommandBuffer。
隊列的獲取需要通過MTLDevice對象獲取，且每個命令隊列的生命周期很長，因此commandQueue可以重復(fù)使用，而不是頻繁創(chuàng)建和銷毀。
_commandQueue = [_device newCommandQueue];
在繪制之前，首先需要配置好MTKView、MTLDevice以及MTLCommandQueue后，其次是準(zhǔn)備渲染到屏幕上的數(shù)據(jù)，即準(zhǔn)備緩存數(shù)據(jù)MTLCommandBuffer，例如頂點數(shù)據(jù)等。
簡單的渲染流程就是
- 先通過
MTLCommandBuffer創(chuàng)建渲染緩存區(qū)， - 其次通過
MTLRenderPassDescriptor創(chuàng)建渲染描述符， - 然后再通過創(chuàng)建的渲染緩存區(qū)和渲染描述符創(chuàng)建命令編輯器
MTLRenderCommandEncoder進(jìn)行編碼 - 最后是結(jié)束編碼，提交渲染命令，在完成渲染后，將命令緩存區(qū)提交至GPU
MTLCommandBuffer
命令緩存區(qū) Command Buffer主要是用于存儲編碼的命令，其生命周期是知道緩存區(qū)被提交到GPU執(zhí)行為止，單個的命令緩存區(qū)可以包含不同的編碼命令，主要取決于用于構(gòu)建它的編碼器的類型和數(shù)量。
命令緩存區(qū)的創(chuàng)建可以通過調(diào)用MTLCommandQueue的commandBuffer方法。且command buffer對象的提交只能提交至創(chuàng)建它的MTLCommandQueue對象中
commandBuffer在未提交命令緩存區(qū)之前，是不會開始執(zhí)行的，提交后，命令緩存區(qū)將按其入隊的順序執(zhí)行，commandBuffer的提交方式有以下兩種，不同的提交方式表示不同的執(zhí)行順醋
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enqueue：順序執(zhí)行，enqueue方法在命令隊列中為命令緩存區(qū)保留一個位置，此時并未提交命令緩存區(qū)，當(dāng)最終提交命令緩存區(qū)后，按照命令隊列的順序依次執(zhí)行 -
commit：插隊盡快執(zhí)行，如果前面有commit還是需要排隊等著
MTLRenderCommandEncoder
MTLRenderCommandEncoder表示單個渲染過程中相關(guān)聯(lián)的渲染狀態(tài)和渲染命令，有以下功能：
-
指定圖形資源，例如緩存區(qū)和紋理對象，其中包含頂點、片元、紋理圖片數(shù)據(jù) - 指定一個
MTLRenderPipelineState對象，表示編譯的渲染狀態(tài)，包含頂點著色器和片元著色器的編譯&鏈接情況 -
指定固定功能，包括視口、三角形填充模式、剪刀矩形、深度、模板測試以及其他值 - 繪制3D圖元
其中在創(chuàng)建commandEncoder之前，需要先創(chuàng)建渲染描述符MTLRenderPassDescriptor，渲染描述符通過MTKView的currentRenderPassDescriptor獲取
MTLRenderPassDescriptor *renderPassDescriptor = view.currentRenderPassDescriptor;
然后通過commandBuffer結(jié)合渲染描述符創(chuàng)建命令編輯器
id<MTLRenderCommandEncoder> renderEncoder = [commandBuffer renderCommandEncoderWithDescriptor:renderPassDescriptor];
通過蘋果官方文檔-MTLRenderCommandEncoder，著重說下使用渲染命令編碼器執(zhí)行渲染的過程
- 通過調(diào)用
MTLCommandBuffer對象的makeRenderCommandEncoder（descriptor :)方法來創(chuàng)建MTLRenderCommandEncoder對象。 - 調(diào)用
setRenderPipelineState（_ :)方法以指定MTLRenderPipelineState，該狀態(tài)定義圖形渲染管道的狀態(tài)，包括頂點和片段函數(shù)。 - 指定用于頂點和片元函數(shù)輸入和輸出的資源，并在對應(yīng)的參數(shù)中設(shè)置每個資源的位置（即索引），即將頂點數(shù)據(jù)等通過commandEncoder調(diào)用
setVertexBytes:length:atIndex:函數(shù)傳遞到metal文件的頂點著色器和片元著色器函數(shù) - 指定其他的固定功能狀態(tài)，例如通過commandEncoder調(diào)用
setViewport:函數(shù)設(shè)置視口大小等 - 繪制圖形
- 調(diào)用
endEncoding（）方法以終止渲染命令編碼器。
