學(xué)習(xí)使用蘋果GPU加速3D繪圖的新API:Metal
Metal和OpenGL ES相似倦逐，它也是一個底層API捅彻，負(fù)責(zé)和3D繪圖硬件交互域蜗。它們之間的不同在于透乾，Metal不是跨平臺的, Metal 是用 Objective-C 編 寫的，基于 Foundation熔恢，使用 GCD 在 CPU 和 GPU 之間保持同步脐湾。與之相反的，它設(shè)計的在蘋果硬件上運(yùn)行得極其高效叙淌，與OpenGL ES相比秤掌，它提供了更快的速度和更低的開銷。它是一個GPU上一個簡單的封裝鹰霍，所以能夠完成幾乎所有事情闻鉴，像在屏幕上渲染一個精靈（sprite）或者是一個3D模型。但你要編寫完成這些事情的所有代碼茂洒。這樣麻煩的代價是孟岛，你擁有了GPU的力量和控制。
優(yōu)點：
1、使硬件達(dá)到運(yùn)行效率的峰值：因為Metal非常底層渠羞，它允許你使硬件達(dá)到運(yùn)行效率的峰值斤贰，對你的游戲如何運(yùn)行有著完全的控制。
2次询、這是一個很好的學(xué)習(xí)經(jīng)歷：學(xué)習(xí)Metal教導(dǎo)你很多關(guān)于3D繪圖編程的概念荧恍，編寫你自己的游戲引擎，以及高層(higher level)游戲框架如何運(yùn)作屯吊。

關(guān)于metal詳細(xì)的介紹可參考：Metal

Metal渲染流程圖.png

以下是使用Metal和Swift來創(chuàng)建一個有基本脈絡(luò)的應(yīng)用：畫一個簡單的三角形送巡。

注意：Metal應(yīng)用不能跑在iOS模擬器上，它們需要一個設(shè)備雌芽，設(shè)備上裝載著蘋果A7芯片或者更新的芯片授艰。所以需要一臺這樣的設(shè)備(iPhone 5S,iPad Air,iPad mini2)來完成代碼的測試。
打開Xcode 通過iOS\Application\Single View Application template創(chuàng)建一個新的項目世落。使用TriangleSwift作為項目名稱淮腾，設(shè)置開發(fā)語言為Swift，設(shè)置設(shè)備為通用設(shè)備(Universal)屉佳。點擊Next谷朝，選擇一個目錄，點擊Create武花。
有七個步驟來設(shè)置metal：
1 創(chuàng)建一個MTLDevice
2 創(chuàng)建一個CAMetalLayer
3 創(chuàng)建一個Vertex Buffer
4 創(chuàng)建一個Vertex Shader
5 創(chuàng)建一個Fragment Shader
6 創(chuàng)建一個Render Pipeline
7 創(chuàng)建一個Command Queue

1 創(chuàng)建一個MTLDevice

使用Metal你要做的第一件事就是獲取一個MTLDevice的引用圆凰。
為了完成這點，打開ViewController.swift 并添加下面的import語句

import Metal

導(dǎo)入了Metal框架体箕，所以你能夠使用Metal的類（像這文件中的MTLDevice）专钉。接著，在ViewController類中添加以下屬性：
在viewDidLoad函數(shù)內(nèi)初始化這個屬性

    // 1累铅、創(chuàng)建一個MTLDevice, 你可以把一個MTLDevice想象成是你和CPU的直接連接跃须。你將通過使用MTLDevice創(chuàng)建所有其他你需要的Metal對象（像是command queues，buffers娃兽，textures）菇民。
    var device: MTLDevice! = nil

2 創(chuàng)建一個CAMetalLayer

在iOS里，你在屏幕上看見的所有東西投储，被一個CALayer所承載第练。存在不同特效的CALayer的子類，比如：漸變層(gradient layers)玛荞、形狀層（shapelayers）娇掏、重復(fù)層(replicator layers) 等等。如果你想要用Metal在屏幕上畫一些東西勋眯，你需要使用一個特別的CALayer子類婴梧，CAMetalLayer壁涎。
因為CAMetalLayer是QuartzCore框架的部分，而不是Metal框架里的志秃，首先在這個文件的上方添加import語句

import QuartzCore

把新屬性添加到類中：

    // 2、創(chuàng)建一個CAMetalLayer
    var metalLayer: CAMetalLayer! = nil

設(shè)置metalLayer

        // 2.1 創(chuàng)建CAMetalLayer
        metalLayer = CAMetalLayer()
        // 2.2 必須明確layer使用的MTLDevice嚼酝，簡單地設(shè)置早前獲取的device
        metalLayer.device = device
        // 2.3 把像素格式（pixel format）設(shè)置為BGRA8Unorm浮还，它代表"8字節(jié)代表藍(lán)色、綠色闽巩、紅色和透明度钧舌，通過在0到1之間單位化的值來表示"。這次兩種用在CAMetalLayer的像素格式之一涎跨，一般情況下你這樣寫就可以了洼冻。
        metalLayer.pixelFormat = .bgra8Unorm
        // 2.4 蘋果鼓勵將framebufferOnly設(shè)置為true，來增強(qiáng)表現(xiàn)效率隅很。除非你需要對從layer生成的紋理（textures）取樣撞牢，或者你需要在layer繪圖紋理(drawable textures)激活一些計算內(nèi)核，否則你不需要設(shè)置叔营。（大部分情況下你不用設(shè)置）
        metalLayer.framebufferOnly = true
        // 2.5 把layer的frame設(shè)置為view的frame
        metalLayer.frame = view.layer.frame
        var drawableSize = self.view.bounds.size
        drawableSize.width *= self.view.contentScaleFactor
        drawableSize.height *= self.view.contentScaleFactor
        metalLayer.drawableSize = drawableSize
        view.layer.addSublayer(metalLayer)

3 創(chuàng)建一個Vertex Buffer

創(chuàng)建一個緩沖區(qū)。在你的類中添加下列的常量屬性

    // 3、創(chuàng)建一個Vertex Buffer
    var vertexBuffer: MTLBuffer! = nil
    // 3.1 在CPU創(chuàng)建一個浮點數(shù)數(shù)組望门，需要通過把它移動到一個MTLBuffer甫菠，來發(fā)送這些數(shù)據(jù)到GPU。
    let vertexData:[Float] = [
         0.0,  1.0, 0.0,
        -1.0, -1.0, 0.0,
         1.0, -1.0, 0.0
    ]
    

在MTLDevice上調(diào)用makeBuffer(bytes:, length:, options:)婴谱，在GPU創(chuàng)建一個新的buffer蟹但，從CPU里輸送data。options不能為空谭羔。

        // 3.2 獲取vertex data的字節(jié)大小华糖。你通過把元素的大小和數(shù)組元素個數(shù)相乘來得到
        let dataSize = vertexData.count * 4
        // 3.3 在GPU創(chuàng)建一個新的buffer，從CPU里輸送data
        vertexBuffer = device.makeBuffer(bytes: vertexData, length: dataSize, options: MTLResourceOptions(rawValue: UInt(0)))

4 創(chuàng)建一個Vertex Shader

你之前創(chuàng)建的頂點將成為接下來寫的一個叫vertext shader的小程序的輸入口糕。
一個vertex shader 是一個在GPU上運(yùn)行的小程序缅阳，它由像c++的一門語言編寫，那門語言叫做Metal Shading Language景描。
一個vertex shader被每個頂點調(diào)用十办，它的工作是接受頂點的信息（如：位置和顏色、紋理坐標(biāo)）超棺，返回一個潛在的修正位置（可能還有別的相關(guān)信息）
點擊File\New\File向族，選擇iOS\Source\Metal File，然后點擊Next棠绘。輸入Shader.metal作為文件名件相，然后點擊Create再扭。

// 一個vertex shader被每個頂點調(diào)用，它的工作是接受頂點的信息（如：位置和顏色夜矗、紋理坐標(biāo)）泛范，返回一個潛在的修正位置（可能還有別的相關(guān)信息）
#include <metal_stdlib>
using namespace metal;
/**
 * 1、所有的vertex shaders必須以關(guān)鍵字vertex開頭紊撕。函數(shù)必須至少返回頂點的最終位置——你通過指定float4（一個元素為4個浮點數(shù)的向量）罢荡。然后你給一個名字給vetex shader，以后你將用這個名字來訪問這個vertex shader对扶。
 * 2区赵、vertex shader會接受一個名叫vertex_id的屬性的特定參數(shù)，它意味著它會被vertex數(shù)組里特定的頂點所裝入浪南。
 * 3笼才、一個指向一個元素為packed_float4(一個向量包含4個浮點數(shù))的數(shù)組的指針，如：每個頂點的位置络凿。這個 [[ ... ]] 語法被用在聲明那些能被用作特定額外信息的屬性骡送，像是資源位置，shader輸入絮记，內(nèi)建變量各谚。這里你把這個參數(shù)用 [[ buffer(0) ]] 標(biāo)記，來指明這個參數(shù)將會被在你代碼中你發(fā)送到你的vertex shader的第一塊buffer data所遍歷到千。
 * 4昌渤、基于vertex id來檢索vertex數(shù)組中對應(yīng)位置的vertex并把它返回。向量必須為一個float4類型
vertex float4 basic_vertex (
   constant packed_float3* vertex_array[[buffer(0)]],
                      unsigned int vid[[vertex_id]]){
   return float4(vertex_array[vid], 1.0);
}
 */

5 創(chuàng)建一個Fragment Shader

完成vertex shader后憔四，另一個shader膀息，它被每個在屏幕上的fragment(think pixel)調(diào)用，它就是fragment shader了赵。
fragment shader通過內(nèi)插(interpolating)vertex shader的輸出來獲得自己的輸入潜支。

/*
 1. 所有fragment shaders必須以fragment關(guān)鍵字開始。這個函數(shù)必須至少返回fragment的最終顏色——你通過指定half4（一個顏色的RGBA值）來完成這個任務(wù)柿汛。注意冗酿，half4比float4在內(nèi)存上更有效率，因為络断，你寫入了更少的GPU內(nèi)存裁替。
 2. 這里你返回(0.6,0.6,0.6,0.6)的顏色，也就是灰色貌笨。
 */
fragment half4 basic_fragment() {
    return half4(0.6);
}

6 創(chuàng)建一個Render Pipeline

現(xiàn)在你已經(jīng)創(chuàng)建了一個vertex shader和一個fragment shader弱判，你需要組合它們（加上一些配置數(shù)據(jù)）到一個特殊的對象，它名叫render pipeline锥惋。Metal的渲染器（shaders）是預(yù)編譯的昌腰，render pipeline 配置會在你第一次設(shè)置它的時候被編譯开伏，所以所有事情都極其高效。
首先在ViewController.swift里添加一個屬性：

    // 6遭商、創(chuàng)建一個Render Pipeline
    var pipelineState: MTLRenderPipelineState! = nil

在viewDidLoad方法最后添加如下代碼：

// 6.1 通過調(diào)用device.newDefaultLibrary方法獲得的MTLibrary對象訪問到你項目中的預(yù)編譯shaders,然后通過名字檢索每個shader
        let defaultLibrary = device.newDefaultLibrary()
        let fragmentProgram = defaultLibrary?.makeFunction(name: "basic_fragment")
        let vertextProgram = defaultLibrary?.makeFunction(name: "basic_vertex")
        // 6.2 這里設(shè)置你的render pipeline固灵。它包含你想要使用的shaders、顏色附件（color attachment）的像素格式(pixel format)劫流。（例如：你渲染到的輸入緩沖區(qū)怎虫，也就是CAMetalLayer）
        let pipelineStateDescriptor = MTLRenderPipelineDescriptor()
        pipelineStateDescriptor.vertexFunction = vertextProgram
        pipelineStateDescriptor.fragmentFunction = fragmentProgram    pipelineStateDescriptor.colorAttachments[0].pixelFormat = .bgra8Unorm

7 創(chuàng)建一個Command Queue

你需要做的最終的設(shè)置步驟，是創(chuàng)建一個MTLCommandQueue困介。
把這個想象成是一個列表裝載著你告訴GPU一次要執(zhí)行的命令。
要創(chuàng)建一個command queue蘸际，簡單地添加一個屬性：

    // 7座哩、創(chuàng)建一個Command Queue
    var commandQueue: MTLCommandQueue! = nil

把下面這行添加到viewDidLoad中：

        // 7.1 初始化commandQueue
        commandQueue = device.makeCommandQueue()

預(yù)設(shè)置的代碼到這里完成了。
接下來就是渲染三角形了粮彤，它將需要在五個步驟來完成：
1 創(chuàng)建一個Display link根穷。
2 創(chuàng)建一個Render Pass Descriptor
3 創(chuàng)建一個Command Buffer
4 創(chuàng)建一個Render Command Encoder
5 提交Command Buffer的內(nèi)容
注意：理論上這個應(yīng)用實際上不需要每幀渲染，因為三角形被繪制之后不會動导坟。但是屿良，大部分應(yīng)用會有物體的移動，所以我們會那樣做惫周。

1 創(chuàng)建一個Display link

在iOS平臺上尘惧，通過CADisplayLink 類，可以創(chuàng)建一個函數(shù)在每次設(shè)備屏幕刷新的時候被調(diào)用递递，這樣你就可以重繪屏幕喷橙。
為了使用它，在類里添加一個新的屬性：

    // 8登舞、創(chuàng)建一個Display Link
    var timer: CADisplayLink! = nil

初始化timer

        // 8.1 初始化 timer贰逾，設(shè)置timer，讓它每次刷新屏幕的時候調(diào)用一個名叫drawloop的方法
        timer = CADisplayLink(target: self, selector: #selector(ViewController.drawloop))
        timer.add(to: RunLoop.main, forMode: RunLoopMode.defaultRunLoopMode)       

渲染的代碼在render()中實現(xiàn)

    func render() {
        //TODO
    }
    
    func drawloop() {
        self.render()
       
    }

2 創(chuàng)建一個Render Pass Descriptor

        // metal layer上調(diào)用nextDrawable() 菠秒，它會返回你需要繪制到屏幕上的紋理(texture)
        let drawable = metalLayer.nextDrawable()
        // 8疙剑、創(chuàng)建一個Render Pass Descriptor，配置什么紋理會被渲染到践叠、clear color言缤，以及其他的配置
        let renderPassDesciptor = MTLRenderPassDescriptor()
        renderPassDesciptor.colorAttachments[0].texture = drawable?.texture
        // 設(shè)置load action為clear，也就是說在繪制之前禁灼，把紋理清空
        renderPassDesciptor.colorAttachments[0].loadAction = .clear
        // 繪制的背景顏色設(shè)置為綠色
        renderPassDesciptor.colorAttachments[0].clearColor = MTLClearColorMake(0.0, 0.8, 0.5, 1.0)

3 創(chuàng)建一個Command Buffer

一個command buffer包含一個或多個渲染指令（render commands）轧简。

        // 9、創(chuàng)建一個Command Buffer
        // 你可以把它想象為一系列這一幀想要執(zhí)行的渲染命令匾二。注意在你提交command buffer之前哮独，沒有事情會真正發(fā)生拳芙，這樣給你對事物在何時發(fā)生有一個很好的控制。
        let commandBuffer = commandQueue.makeCommandBuffer()

4 創(chuàng)建一個渲染命令編碼器(Render Command Encoder)

 // 10皮璧、創(chuàng)建一個渲染命令編碼器(Render Command Encoder)
     // 創(chuàng)建一個command encoder舟扎，并指定你之前創(chuàng)建的pipeline和頂點
        let renderEncoder = commandBuffer.makeRenderCommandEncoder(descriptor: renderPassDesciptor)
        renderEncoder.setRenderPipelineState(pipelineState)
        renderEncoder.setVertexBuffer(vertexBuffer, offset: 0, at: 0)
        /**
           繪制圖形
         - parameter type:          畫三角形
         - parameter vertexStart:   從vertex buffer 下標(biāo)為0的頂點開始
         - parameter vertexCount:   頂點數(shù)
         - parameter instanceCount: 總共有1個三角形
         */
        renderEncoder.drawPrimitives(type: .triangle, vertexStart: 0, vertexCount: 3, instanceCount: 1)
       
        // 完成后，調(diào)用endEncoding()
        renderEncoder.endEncoding()

5 提交Command Buffer

        // 保證新紋理會在繪制完成后立即出現(xiàn)
        commandBuffer.present(drawable!)
        // 提交事務(wù)(transaction), 把任務(wù)交給GPU
        commandBuffer.commit()

學(xué)習(xí)資料：

? 蘋果Metal開發(fā)者文檔悴务，有很多文檔睹限、錄像、樣例代碼的鏈接讯檐。
? 蘋果的Metal編程指導(dǎo)
? 蘋果的Metal Shading Language 指導(dǎo)
? WWDC2014 Metal錄像