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)的圖形編程接口甫煞，在2018年之前使用的是基于OpenGL ES 封裝的GLKit高每，通過(guò)Metal相關(guān)API直接操作GPU，能最大限度的利用GPU能力。

Metal具有以下特點(diǎn)

• 低CPU開銷
• 最佳GPU性能贞瞒，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

圖形管道 graphics pipelines
Metal中圖形管道與OpenGL ES是一致的泪掀，并沒有什么差別，如圖所示

• 通過(guò)CPU將頂點(diǎn)數(shù)據(jù)傳遞到頂點(diǎn)著色器
• 頂點(diǎn)著色器將處理好的頂點(diǎn)進(jìn)行圖元裝配
• 然后進(jìn)行光柵化垃环，得到每個(gè)像素點(diǎn)的顏色值
• 然后將顏色傳入片元著色器進(jìn)行處理
• 最后將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到幀緩存區(qū)邀层，并顯示到屏幕上

Metal的使用建議

蘋果對(duì)metal的使用有以下幾點(diǎn)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(gè)單獨(dú)的類中
• Respond to View Events (響應(yīng)視圖的事件)：即MTKViewDelegate協(xié)議遂庄，也需要放在自定義的渲染循環(huán)中
• Metal Command Objects (創(chuàng)建一個(gè)命令對(duì)象)：即創(chuàng)建執(zhí)行命令的GPU寥院、與GPU交互的MTLCommandQueue對(duì)象以及MTCommandBuffer渲染緩存區(qū)

Metal命令對(duì)象之間的關(guān)系

metal命令對(duì)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(duì)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(gè)視圖類MTKView，類似于GLKit中GLKView涛目，它是NSView（macOS中的視圖類）或者UIView（iOS秸谢、tvOS中的視圖類）的子類。用于處理metal繪制并顯示到屏幕過(guò)程中的細(xì)節(jié)霹肝。

所以在使用metal時(shí)估蹄，首先需要先創(chuàng)建MTKView對(duì)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的阿迈，所以需要獲取GPU使用權(quán)限元媚，即拿到GPU對(duì)象轧叽，Metal中提供了MTLDevice協(xié)議表示GPU接口苗沧，在iOS中一般是通過(guò)默認(rèn)的方式MTLCreateSystemDefaultDevice()獲取GPU

_view.device = MTLCreateSystemDefaultDevice();

metal的使用必須使用真機(jī)，且必須是6s及以上的機(jī)型
如果設(shè)備不支持mental炭晒，將會(huì)返回空
如果想使用多個(gè)MTLDevice實(shí)例待逞，或者從一個(gè)MTLDevice切換到另一個(gè)，則需要為每個(gè)MTLDevice創(chuàng)建單獨(dú)的一組對(duì)象

MTLDevice協(xié)議表示可以執(zhí)行命令的GPU网严，提供了如下功能

• 創(chuàng)建新的命令隊(duì)列
• 從內(nèi)存分配緩沖區(qū)
• 創(chuàng)建紋理
• 查詢?cè)O(shè)備功能

MTLCommandQueue

在獲取了GPU后识樱，還需要一個(gè)渲染隊(duì)列，即命令隊(duì)列Command Queue類型是MTLCommandQueue震束，該隊(duì)列是與GPU交互的第一個(gè)對(duì)象怜庸，隊(duì)列中存儲(chǔ)的是將要渲染的命令MTLCommandBuffer。

隊(duì)列的獲取需要通過(guò)MTLDevice對(duì)象獲取垢村，且每個(gè)命令隊(duì)列的生命周期很長(zhǎng)割疾，因此commandQueue可以重復(fù)使用，而不是頻繁創(chuàng)建和銷毀嘉栓。

_commandQueue = [_device newCommandQueue];

在繪制之前宏榕，首先需要配置好MTKView、MTLDevice以及MTLCommandQueue后侵佃，其次是準(zhǔn)備渲染到屏幕上的數(shù)據(jù)麻昼，即準(zhǔn)備緩存數(shù)據(jù)MTLCommandBuffer，例如頂點(diǎn)數(shù)據(jù)等馋辈。

簡(jiǎn)單的渲染流程就是

• 先通過(guò)MTLCommandBuffer創(chuàng)建渲染緩存區(qū)抚芦，
• 其次通過(guò)MTLRenderPassDescriptor創(chuàng)建渲染描述符，
• 然后再通過(guò)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，提交渲染命令叉抡，在完成渲染后枢劝，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(chǔ)編碼的命令，其生命周期是知道緩存區(qū)被提交到GPU執(zhí)行為止卜壕，單個(gè)的命令緩存區(qū)可以包含不同的編碼命令您旁，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(guò)調(diào)用MTLCommandQueue的commandBuffer方法轴捎。且command buffer對(duì)象的提交只能提交至創(chuàng)建它的MTLCommandQueue對(duì)象中

commandBuffer在未提交命令緩存區(qū)之前鹤盒，是不會(huì)開始執(zhí)行的，提交后侦副，命令緩存區(qū)將按其入隊(duì)的順序執(zhí)行侦锯，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

• enqueue：順序執(zhí)行秦驯，enqueue方法在命令隊(duì)列中為命令緩存區(qū)保留一個(gè)位置尺碰，此時(shí)并未提交命令緩存區(qū)，當(dāng)最終提交命令緩存區(qū)后译隘，按照命令隊(duì)列的順序依次執(zhí)行
• commit：插隊(duì)盡快執(zhí)行亲桥，如果前面有commit還是需要排隊(duì)等著

渲染緩沖區(qū)提交的方式

MTLRenderCommandEncoder

MTLRenderCommandEncoder表示單個(gè)渲染過(guò)程中相關(guān)聯(lián)的渲染狀態(tài)和渲染命令，有以下功能：

• 指定圖形資源固耘，例如緩存區(qū)和紋理對(duì)象题篷，其中包含頂點(diǎn)、片元厅目、紋理圖片數(shù)據(jù)
• 指定一個(gè)MTLRenderPipelineState對(duì)象番枚，表示編譯的渲染狀態(tài)，包含頂點(diǎn)著色器和片元著色器的編譯&鏈接情況
• 指定固定功能损敷，包括視口葫笼、三角形填充模式、剪刀矩形拗馒、深度路星、模板測(cè)試以及其他值
• 繪制3D圖元

MTLRenderCommandEncoder命令編輯器提供的功能

其中在創(chuàng)建commandEncoder之前，需要縣創(chuàng)建渲染描述符MTLRenderPassDescriptor瘟忱，渲染描述符通過(guò)MTKView的currentRenderPassDescriptor獲取

MTLRenderPassDescriptor *renderPassDescriptor = view.currentRenderPassDescriptor;

然后通過(guò)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(guò)蘋果官方文檔-MTLRenderCommandEncoder奥额，著重說(shuō)下使用渲染命令編碼器執(zhí)行渲染的過(guò)程

命令編輯器執(zhí)行渲染的流程

• 通過(guò)調(diào)用MTLCommandBuffer對(duì)象的makeRenderCommandEncoder(descriptor :)方法來(lái)創(chuàng)建MTLRenderCommandEncoder對(duì)象。
• 調(diào)用setRenderPipelineState(_ :)方法以指定MTLRenderPipelineState访诱，該狀態(tài)定義圖形渲染管道的狀態(tài)垫挨，包括頂點(diǎn)和片段函數(shù)。
• 指定用于頂點(diǎn)和片元函數(shù)輸入和輸出的資源触菜，并在對(duì)應(yīng)的參數(shù)中設(shè)置每個(gè)資源的位置（即索引）九榔，即將頂點(diǎn)數(shù)據(jù)等通過(guò)commandEncoder調(diào)用setVertexBytes:length:atIndex:函數(shù)傳遞到metal文件的頂點(diǎn)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(guò)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。

參考鏈接

• Metal蘋果官方使用鏈接
  Metal Best Practices Guide
  Metal Programming Guide

• Metal中常用的API
  MTKView

• Metal中的常用協(xié)議
  MTLDevice
  MTLCommandQueue
  MTLCommandBuffer
  MTLCommandEncoder

• Metal案例（蘋果官方提供）
  Metal Sample Code