??作為一個(gè)一個(gè)iOS底層開發(fā)小白尺铣，一直以來(lái)對(duì)于底層原理颂暇，都是一知半解的狀態(tài)，希望從此時(shí)記錄自己學(xué)習(xí)底層知識(shí)的過(guò)程窗骑，也希望對(duì)其他開發(fā)中可以有一個(gè)好的幫助女责，因?yàn)樽约嚎雌渌说牟┛蜁r(shí)候，大多數(shù)作者都是基于自己認(rèn)知的前提下创译，記錄自己的知識(shí)抵知，在我看來(lái)對(duì)于入門的人來(lái)說(shuō)，非常晦澀難懂刷喜，所以希望自己的文章残制，可以更加幫助其他人循序漸進(jìn)的了解更多關(guān)于iOS的知識(shí)。文章也會(huì)盡量一步步的探索更多業(yè)務(wù)開發(fā)之外的東西掖疮，對(duì)于任何方面的技能初茶，都可以友善的幫助后來(lái)的開發(fā)者。文章中有任何錯(cuò)誤浊闪，不恰當(dāng)?shù)牡胤椒那瑲g迎隨時(shí)指正，多多交流才可以共同進(jìn)步规揪。想要學(xué)習(xí) OpenGL首先需要了解OpenGL/OpenGL ES/Metal三者之間的聯(lián)系：

OpenGL(Open Graphics Library)：OpenGL是一個(gè)跨平臺(tái)的編程程序接口桥氏，它將計(jì)算機(jī)的資源抽象成了一個(gè)個(gè)OpenGL對(duì)象，對(duì)這些資源的操作抽象為一個(gè)個(gè)的OpenGL指令猛铅。
OpenGL ES(OpenGL for Embedded Systems)：OpenGL ES是OpenGL三維圖形API的子集字支，針對(duì)手機(jī)、PDA和游戲主機(jī)等嵌入式設(shè)備而設(shè)計(jì)奸忽，去除了許多不必要的和性能較低的API接口堕伪。
Metal：為了發(fā)展自己的渲染技術(shù)，提升自己的渲染性能栗菜，Apple公司在2014年推出了自己的渲染技術(shù)平臺(tái)Metal欠雌，該技術(shù)能夠?yàn)?D圖像提高10倍的渲染性能。

??通俗來(lái)講就是疙筹，Apple作為大廠富俄，肯定要發(fā)展自己的底層渲染技術(shù)，所以推出了Metal而咆，在推出Metal之前霍比，蘋果的底層渲染也是基于OpenGL/OpenGL ES的，在iOS12.0以后暴备，蘋果摒棄了OpenGL的相關(guān)API悠瞬，使用Metal作為自己的渲染技術(shù)，但是OpenGL相關(guān)的API依然可以使用涯捻，因?yàn)樵?code>Metal之前浅妆，蘋果提供了非常豐富的關(guān)于使用OpenGL相關(guān)API，類似于蘋果推出了swift障癌，但是OC依然是自己主流語(yǔ)言一樣凌外。了解了相關(guān)的背景，我們接下來(lái)要知道圖形API究竟是用來(lái)解決什么樣的問(wèn)題存在的混弥。

A. 比如說(shuō)在游戲開發(fā)中趴乡，對(duì)于游戲場(chǎng)景/游戲人物的渲染
B. 比如在音頻開發(fā)中，對(duì)于視頻解碼后的數(shù)據(jù)渲染
C. 比如在地圖引擎蝗拿，對(duì)于地圖上的數(shù)據(jù)渲染
D. 比如在動(dòng)畫中晾捏，實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫的繪制
E. 比如在視頻處理中，對(duì)于視頻加入濾鏡效果等

??OpenGL/OpenGL ES/Metal在任何項(xiàng)目中解決問(wèn)題的本質(zhì)就是利用GPU芯片來(lái)高效的渲染圖形圖像哀托。圖形API是iOS開發(fā)者唯一接近GPU的方式惦辛。想要了解OpenGL就要先學(xué)習(xí)關(guān)于OpenGL的專業(yè)名詞，了解了這些仓手，才可以對(duì)以后的學(xué)習(xí)胖齐，有更加深刻的認(rèn)識(shí)。

OpenGL專業(yè)名詞解析

上下文

? 在應(yīng)?程序調(diào)?任何OpenGL的指令之前嗽冒，需要安排?先創(chuàng)建?個(gè)OpenGL的上下?呀伙。這個(gè)上下?是?個(gè)?常龐?的狀態(tài)機(jī)，保存了OpenGL中的各種狀態(tài)添坊，這也是OpenGL指令執(zhí)?的基礎(chǔ)剿另。
? OpenGL的函數(shù)不管在哪個(gè)語(yǔ)?中，都是類似C語(yǔ)??樣的?向過(guò)程的函數(shù)贬蛙，本質(zhì)上都是對(duì)OpenGL上下?這個(gè)龐?的狀態(tài)機(jī)中的某個(gè)狀態(tài)或者對(duì)象進(jìn)?操作雨女，當(dāng)然你得?先把這個(gè)對(duì)象設(shè)置為當(dāng)前對(duì)象。因此阳准，通過(guò)對(duì)OpenGL指令的封裝氛堕，是可以將OpenGL的相關(guān)調(diào)用封裝成為一個(gè)面向?qū)ο蟮膱D形API。
? 由于OpenGL上下?是?個(gè)巨?的狀態(tài)機(jī)野蝇，切換上下?往往會(huì)產(chǎn)?較?的開銷讼稚，但是不同的繪制模塊，可能需要使?完全獨(dú)?的狀態(tài)管理绕沈。因此乱灵，可以在應(yīng)?程序中分別創(chuàng)建多個(gè)不同的上下?，在不同線程中使?不同的上下?七冲，上下?之間共享紋理痛倚、緩沖區(qū)等資源。這樣的?案澜躺，會(huì)?反復(fù)切換上下?蝉稳，或者?量修改渲染狀態(tài)，更加合理?效的.

狀態(tài)機(jī)

? 狀態(tài)機(jī)是理論上的?種機(jī)器.這個(gè)?常難以理解.所以我們把這個(gè)狀態(tài)機(jī)這么理解.狀態(tài)機(jī)描述了?對(duì)象在其?命周期內(nèi)所經(jīng)歷的各種狀態(tài)掘鄙，狀態(tài)間的轉(zhuǎn)變耘戚，發(fā)?轉(zhuǎn)變的動(dòng)因，條件及轉(zhuǎn)變中所執(zhí)?的活動(dòng)操漠∈战颍或者說(shuō)饿这，狀態(tài)機(jī)是?種?為，說(shuō)明對(duì)象在其?命周期中響應(yīng)事件所經(jīng)歷的狀態(tài)序列以及對(duì)那些狀態(tài)事件的響應(yīng)撞秋。因此具有以下特點(diǎn)：
a有記憶功能长捧，能記住其當(dāng)前的狀態(tài)
b 可以接收輸?，根據(jù)輸?的內(nèi)容和??的原先狀態(tài)吻贿，修改??當(dāng)前狀態(tài)串结，并且可以有對(duì)應(yīng)輸出
c 當(dāng)進(jìn)?特殊狀態(tài)（停機(jī)狀態(tài)）的時(shí)候，變不再接收輸?舅列，停??作肌割；

??狀態(tài)機(jī)在OpenGL可以這么理解，OpenGL可以記錄自己的狀態(tài)（當(dāng)前所使用的顏色帐要、是否開啟了混合功能等）把敞，可以接輸入（當(dāng)調(diào)用OpenGL函數(shù)的時(shí)候，實(shí)際上可以看成OpenGL在接受我們的輸入）榨惠，如我們調(diào)用glColor3f先巴，則OpenGL接收到這個(gè)輸入后會(huì)修改自己的“當(dāng)前顏色”這個(gè)狀態(tài)，OpenGL可以進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)冒冬，不再接收輸入伸蚯。在程序退出前，OpenGL總會(huì)先停止工作简烤；

頂點(diǎn)數(shù)組[VertexArray]和頂點(diǎn)緩沖區(qū)[VertexBuffer]

? 畫圖?般是先畫好圖像的?架剂邮，然后再往?架??填充顏?，這對(duì)于OpenGL也是?樣的横侦。頂點(diǎn)數(shù)據(jù)就是要畫的圖像的?架挥萌，和現(xiàn)實(shí)中不同的是，OpenGL中的圖像都是由圖元組成枉侧。在OpenGLES中引瀑，有3種類型的圖元：點(diǎn)、線榨馁、三?形憨栽。那這些頂點(diǎn)數(shù)據(jù)最終是存儲(chǔ)在哪?的呢？開發(fā)者可以選擇設(shè)定函數(shù)指針翼虫，在調(diào)?繪制?法的時(shí)候屑柔，直接由內(nèi)存?zhèn)?頂點(diǎn)數(shù)據(jù)，也就是說(shuō)這部分?jǐn)?shù)據(jù)之前是存儲(chǔ)在內(nèi)存當(dāng)中的珍剑，被稱為頂點(diǎn)數(shù)組掸宛。?性能更?的做法是，提前分配?塊顯存招拙，將頂點(diǎn)數(shù)據(jù)預(yù)先傳?到顯存當(dāng)中唧瘾。這部分的顯存措译，就被稱為頂點(diǎn)緩沖區(qū)。頂點(diǎn)緩存區(qū)在顯卡顯存中饰序。
? 頂點(diǎn)指的是我們?cè)诶L制?個(gè)圖形時(shí),它的頂點(diǎn)位置數(shù)據(jù).?這個(gè)數(shù)據(jù)可以直接存儲(chǔ)在數(shù)組中或者將其緩存到GPU內(nèi)存中.

管線

管線:在OpenGL下渲染圖形,就會(huì)有經(jīng)歷?個(gè)?個(gè)節(jié)點(diǎn).?這樣的操作可以理解管線领虹。?家可以想象成流?線，每個(gè)任務(wù)類似流?線般執(zhí)?菌羽，任務(wù)之間有先后順序掠械， 管線是?個(gè)抽象的概念由缆，之所以稱之為管線是因?yàn)轱@卡在處理數(shù)據(jù)的時(shí)候是按照?個(gè)固定的順序來(lái)的注祖，?且嚴(yán)格按照這個(gè)順序。就像?從?根管?的?端流到另?端均唉，這個(gè)順序是不能打破的是晨。

固定管線/存儲(chǔ)著?器

? 在早期的OpenGL版本,它封裝了很多種著?器程序塊內(nèi)置的?段包含了光照、坐標(biāo)變換舔箭、裁剪等等諸多功能的固定Shader程序來(lái)完成,來(lái)幫助開發(fā)者來(lái)完成圖形的渲染. ?開發(fā)者只需要傳?相應(yīng)的參數(shù),就能快速完成圖形的渲染. 類似于iOS開發(fā)會(huì)封裝很多API,?我們只需要調(diào)?,就可以實(shí)現(xiàn)功能.不需要關(guān)注底層實(shí)現(xiàn)原理罩缴。
? 但是由于OpenGL的使?場(chǎng)景?常豐富,固定管線或存儲(chǔ)著?器?法完成每?個(gè)業(yè)務(wù).這時(shí)將相關(guān)部分開放成可編程。

著色器程序Shader

? 就全?的將固定渲染管線架構(gòu)變?yōu)榱丝删幊啼秩竟芫€层扶。因此箫章，OpenGL在實(shí)際調(diào)?繪制函數(shù)之前，還需要指定?個(gè)由Shader編譯成的著?器程序镜会。常?的著?器主要有頂點(diǎn)著?器（VertexShader）檬寂，?段著?器（FragmentShader）/像素著?器（PixelShader），?何著?器（GeometryShader）戳表，曲?細(xì)分著?器(TessellationShader)桶至。?段著?器和像素著?器只是在OpenGL和DX中的不同叫法?已∝倚瘢可惜的是镣屹，直到OpenGLES 3.0，依然只?持了頂點(diǎn)著?器和?段著?器這兩個(gè)最基礎(chǔ)的著?器价涝。
? OpenGL在處理shader時(shí)女蜈，和其他編譯器?樣。通過(guò)編譯色瘩、鏈接等步驟鞭光，?成了著?器程序（glProgram），著?器程序同時(shí)包含了頂點(diǎn)著?器和?段著?器的運(yùn)算邏輯泞遗。在OpenGL進(jìn)?繪制的時(shí)候惰许，?先由頂點(diǎn)著?器對(duì)傳?的頂點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)?運(yùn)算。再通過(guò)圖元裝配史辙，將頂點(diǎn)轉(zhuǎn)換為圖元汹买。然后進(jìn)?光柵化佩伤，將圖元這種?量圖形，轉(zhuǎn)換為柵格化數(shù)據(jù)晦毙。最后生巡，將柵格化數(shù)據(jù)傳??段著?器中進(jìn)?運(yùn)算。?段著?器會(huì)對(duì)柵格化數(shù)據(jù)中的每?個(gè)像素進(jìn)?運(yùn)算见妒，并決定像素的顏?孤荣。

頂點(diǎn)著?器(VertexShader)

? ?般?來(lái)處理圖形每個(gè)頂點(diǎn)變換(旋轉(zhuǎn)/平移/投影等)
? 頂點(diǎn)著?器是OpenGL中?于計(jì)算頂點(diǎn)屬性的程序。頂點(diǎn)著?器是逐頂點(diǎn)運(yùn)算的程序须揣，也就是說(shuō)每個(gè)頂點(diǎn)數(shù)據(jù)都會(huì)執(zhí)??次頂點(diǎn)著?器盐股，當(dāng)然這是并?的，并且頂點(diǎn)著?器運(yùn)算過(guò)程中?法訪問(wèn)其他頂點(diǎn)的數(shù)據(jù)耻卡。
? ?般來(lái)說(shuō)典型的需要計(jì)算的頂點(diǎn)屬性主要包括頂點(diǎn)坐標(biāo)變換疯汁、逐頂點(diǎn)光照運(yùn)算等等。頂點(diǎn)坐標(biāo)由?身坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到歸?化坐標(biāo)系的運(yùn)算卵酪，就是在這?發(fā)?的幌蚊。

?元/片段/像素著?器程序(FragmentShader)

? ?般?來(lái)處理圖形中每個(gè)像素點(diǎn)顏?計(jì)算和填充。
? ?段著?器是OpenGL中?于計(jì)算?段（像素）顏?的程序溃卡。?段著?器是逐像素運(yùn)算的程序溢豆，也就是說(shuō)每個(gè)像素都會(huì)執(zhí)??次?段著?器，當(dāng)然也是并?的瘸羡。

GLSL(OpenGL Shading Language)

? OpenGL著?語(yǔ)?（OpenGL Shading Language）是?來(lái)在OpenGL中著?編程的語(yǔ)?漩仙，也即開發(fā)?員寫的短?的?定義程序，他們是在圖形卡的GPU（Graphic Processor Unit圖形處理單元）上執(zhí)?的最铁，代替了固定的渲染管線的?部分讯赏，使渲染管線中不同層次具有可編程性。?如：視圖轉(zhuǎn)換冷尉、投影轉(zhuǎn)換等漱挎。GLSL（GL Shading Language）的著?器代碼分成2個(gè)部分：Vertex Shader（頂點(diǎn)著?器）和Fragment（?斷著?器）。

光柵化(Rasterization)

? 是把頂點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為?元的過(guò)程雀哨，具有將圖轉(zhuǎn)化為?個(gè)個(gè)柵格組成的圖象的作?磕谅，特點(diǎn)是每個(gè)元素對(duì)應(yīng)幀緩沖區(qū)中的?像素。
? 光柵化就是把頂點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為?元的過(guò)程雾棺，?元中的每?個(gè)元素對(duì)應(yīng)于幀緩沖區(qū)中的?個(gè)像素膊夹。
? 光柵化其實(shí)是?種將?何圖元變?yōu)?維圖像的過(guò)程。該過(guò)程包含了兩部分的?作捌浩。第?部分?作：決定窗?坐標(biāo)中的哪些整型柵格區(qū)域被基本圖元占?放刨；第?部分?作：分配?個(gè)顏?值和?個(gè)深度值到各個(gè)區(qū)域。光柵化過(guò)程產(chǎn)?的是?元尸饺。
? 把物體的數(shù)學(xué)描述以及與物體相關(guān)的顏?信息轉(zhuǎn)換為屏幕上?于對(duì)應(yīng)位置的像素及?于填充像素的顏?进统，這個(gè)過(guò)程稱為光柵化助币，這是?個(gè)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為離散信號(hào)的過(guò)程。

紋理

? 紋理可以理解為圖?螟碎，?家在渲染圖形時(shí)需要在其編碼填充圖?眉菱，為了使得場(chǎng)景更加逼真。?這?使?的圖?掉分，就是常說(shuō)的紋理俭缓，但是在OpenGL，我們更加習(xí)慣叫紋理,?不是圖?酥郭。

混合(Blending)

? 在測(cè)試階段之后华坦，如果像素依然沒(méi)有被剔除，那么像素的顏?將會(huì)和幀緩沖區(qū)中顏?附著上的顏?進(jìn)?混合褥民，混合的算法可以通過(guò)OpenGL的函數(shù)進(jìn)?指定季春。但是OpenGL提供的混合算法是有限的洗搂，如果需要更加復(fù)雜的混合算法消返，?般可以通過(guò)像素著?器進(jìn)?實(shí)現(xiàn)，當(dāng)然性能會(huì)?原?的混合算法差?些耘拇。

變換矩陣(Transformation)

? 例如圖形想發(fā)?平移,縮放,旋轉(zhuǎn)變換.就需要使?變換矩陣撵颊。

投影矩陣(Projection)

? ?于將3D坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為?維屏幕坐標(biāo),實(shí)際線條也將在?維坐標(biāo)下進(jìn)?繪制。

視口惫叛、窗口

? 視口是與設(shè)備相關(guān)的一個(gè)矩形區(qū)域倡勇，坐標(biāo)單位是與設(shè)備相關(guān)的“像素”，大多數(shù)情況下嘉涌，視口與客戶區(qū)相同妻熊。窗口的坐標(biāo)是邏輯坐標(biāo)，與設(shè)備無(wú)關(guān)仑最，可能是像素扔役、毫米或者英寸。窗口坐標(biāo)的原點(diǎn)與視口坐標(biāo)的原點(diǎn)始終對(duì)應(yīng)于同一點(diǎn)警医。對(duì)于同一個(gè)圖形亿胸，用窗口坐標(biāo)系統(tǒng)表達(dá)的該區(qū)域的長(zhǎng)和寬與視口的坐標(biāo)系統(tǒng)表達(dá)的長(zhǎng)和寬是不同的。二者就定義了這兩個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)的比例關(guān)系预皇。程序作圖時(shí)侈玄，使用的坐標(biāo)總是是窗口坐標(biāo)。而實(shí)際的顯示或輸出設(shè)備卻各有自己的坐標(biāo)吟温。視口是設(shè)備自己的坐標(biāo)序仙，窗口是邏輯坐標(biāo)

渲染上屏/交換緩沖區(qū)(SwapBuffer)

? 渲染緩沖區(qū)?般映射的是系統(tǒng)的資源?如窗?。如果將圖像直接渲染到窗?對(duì)應(yīng)的渲染緩沖區(qū)鲁豪，則可以將圖像顯示到屏幕上潘悼。
? 但是洋丐，值得注意的是，如果每個(gè)窗?只有?個(gè)緩沖區(qū)挥等，那么在繪制過(guò)程中屏幕進(jìn)?了刷新友绝，窗?可能顯示出不完整的圖像
? 為了解決這個(gè)問(wèn)題，常規(guī)的OpenGL程序?少都會(huì)有兩個(gè)緩沖區(qū)肝劲。顯示在屏幕上的稱為屏幕緩沖區(qū)迁客，沒(méi)有顯示的稱為離屏緩沖區(qū)。在?個(gè)緩沖區(qū)渲染完成之后辞槐，通過(guò)將屏幕緩沖區(qū)和離屏緩沖區(qū)交換掷漱，實(shí)現(xiàn)圖像在屏幕上的顯示。
? 由于顯示器的刷新?般是逐?進(jìn)?的榄檬，因此為了防?交換緩沖區(qū)的時(shí)候屏幕上下區(qū)域的圖像分屬于兩個(gè)不同的幀卜范，因此交換?般會(huì)等待顯示器刷新完成的信號(hào)，在顯示器兩次刷新的間隔中進(jìn)?交換鹿榜，這個(gè)信號(hào)就被稱為垂直同步信號(hào)政鼠，這個(gè)技術(shù)被稱為垂直同步
? 使?了雙緩沖區(qū)和垂直同步技術(shù)之后，由于總是要等待緩沖區(qū)交換之后再進(jìn)?下?幀的渲染狭莱，使得幀率?法完全達(dá)到硬件允許的最??平就轧。為了解決這個(gè)問(wèn)題，引?了三緩沖區(qū)技術(shù)沪袭，在等待垂直同步時(shí)湾宙，來(lái)回交替渲染兩個(gè)離屏的緩沖區(qū)，?垂直同步發(fā)?時(shí)冈绊，屏幕緩沖區(qū)和最近渲染完成的離屏緩沖區(qū)交換侠鳄，實(shí)現(xiàn)充分利?硬件性能的?的

??這里有一個(gè)iOS中很經(jīng)常聽到的概念，離屏渲染死宣，很多人知道離屏渲染會(huì)對(duì)APP的性能造成較大的開銷伟恶，但是卻不知道原理是什么，相信大家了解了上面關(guān)于OpenGL關(guān)于交換緩沖區(qū)的概念后十电，有了一個(gè)更清晰的認(rèn)識(shí)知押，即：Off-Screen Rendering是需要開辟新的緩沖區(qū)的，不停地切換上下文的環(huán)境則是對(duì)性能的很大的消耗鹃骂，所以在iOS開發(fā)中台盯，我們應(yīng)當(dāng)盡量的避免離屏渲染。
??在學(xué)習(xí)OpenGL的過(guò)程中畏线，直接非常直觀的掌握并理解這些概念并不是一件容易的事静盅，但是至少需要在入門階段，大致的了解這些概念的意思，然后通過(guò)后續(xù)的學(xué)習(xí)蒿叠，慢慢的鞏固前面學(xué)到的知識(shí)明垢，溫故而知新，一步步的打開關(guān)于iOS底層渲染知識(shí)的大門市咽，學(xué)習(xí)的越來(lái)越深入痊银，慢慢的回過(guò)頭看以前的知識(shí)點(diǎn)的時(shí)候，就會(huì)豁然開朗了施绎。
??希望能一步步的記錄自己學(xué)習(xí)的過(guò)程溯革，慢慢進(jìn)步，慢慢成長(zhǎng)谷醉，文章中有任何錯(cuò)誤的地方致稀，歡迎指正。希望能多多交流俱尼，共同進(jìn)步抖单。