荊棘中的舞蹈：OpenGL多線程同步方案
OpenGL由于狀態(tài)機這個桎梏，天然是適合單線程渲染的竭讳。由于狀態(tài)機中的狀態(tài)创葡、資源、內(nèi)存無法解決多線程中的競爭問題绢慢，在OpenGL中實現(xiàn)多線程一直是荊棘中跳舞灿渴，就算再小心翼翼也不能避免刺痛。
以下內(nèi)容為了方便胰舆，多線程渲染和OpenGL多線程是等價的逻杖，只不過這里做的不是多線程上屏渲染。
是否需要多線程
由上所述思瘟，要做OpenGL多線程是痛苦和收益并存的，引入多線程能有多少收益是你要第一個要問的問題闻伶。
按照我的經(jīng)驗滨攻，多線程渲染越往上層開始異步越好，這樣不僅入口簡單，查Bug也會更簡單光绕。這主要是因為OpenGL操蛋的Client/Server模式女嘲，在最底層查渲染異常的問題是極其痛苦的，而在上層的封裝信息多诞帐，提供的信息也多欣尼。
如果要對具體的OpenGL命令做異步，一般是這兩種情況：
- 有較多且集中的OpenGL的耗時操作停蕉。
- 有較多的離屏的FBO愕鼓，且在邏輯上彼此獨立。
在渲染層做優(yōu)化是精細活慧起，我建議是渲染層穩(wěn)定后才開始專攻優(yōu)化菇晃，它屬于90分到99分的臨門一腳。如果你的項目現(xiàn)在渲染模塊還不穩(wěn)定或上層代碼還有許多優(yōu)化空間蚓挤，也許你要重新想下優(yōu)化方向磺送。
OpenGL 多線程同步
OpenGL要想多線程渲染，要不就要完美同步各線程的的執(zhí)行灿意，也就是GPU上的命令執(zhí)行順序要正確估灿。要不就要使用double-buffering的方案來避免競爭，本文主要介紹如何同步缤剧。
基本概念
Client/Server: 在OpenGL的設(shè)計模式是Client/Server馅袁，這里Client指CPU，Server指GPU鞭执。我們90%的時間是在CPU上寫邏輯司顿，而CPU操作的OpenGL對象都是Server返回的句柄，換句話說你在CPU只能拿到一個號碼兄纺，沒辦法知道在床上的是鳳姐還是志玲大溜。
CommandQueue: 在CPU和GPU分別有各自的CommandQueue，當一個OpenGL命令在CPU執(zhí)行時估脆，會先添加到CPU的CommandQueue钦奋，在CPU切換到burst mode后，CPU CommandQueue中的命令被依次發(fā)送到GPU CommandQueue疙赠，GPU會在合適的時機執(zhí)行CommandQueue里的命令付材。
GLContext: OpenGL的狀態(tài)機，保存有渲染管線用到的狀態(tài)和資源圃阳，OpenGL命令的宿主環(huán)境厌衔。GLContext是和線程強相關(guān)的，這是因為在絕大部分驅(qū)動的設(shè)計中捍岳，都是一個線程一個CommandQueue富寿，而這個線程中的當前GLContext中發(fā)生的命令才會被添加到CommandQueue睬隶。
GL fenceSync object: OpenGL的一個信號量，當GPU執(zhí)行到它是會自動解鎖, sync對象不屬于狀態(tài)機页徐，所以可以跨context獲取苏潜。
Client Wait: 卡主CPU等待信號量解鎖。
Server Wait : 卡主GPU等待信號量解鎖变勇，CPU繼續(xù)執(zhí)行恤左。
OpenGL命令的執(zhí)行方式
絕大多數(shù)OpenGL命令在CPU上是異步執(zhí)行的，在GPU上是同步執(zhí)行的搀绣。這一切都得益于CommandQueue的存在飞袋，讓CPU可以更高效地完成命令發(fā)送，畢竟總線的資源是珍貴的豌熄，尤其在移動端的總線帶寬是非常小的（內(nèi)存64/128bit授嘀，顯存128/256bit）。
但這樣的代價是在渲染有問題時锣险，在CPU無法定位到真正的現(xiàn)場蹄皱，尤其是iOS GPU架構(gòu)基于TBR/TBDR的情況下，你無法知道GPU上到底是什么時候發(fā)生問題的芯肤。
OpenGL命令的狀態(tài)
一條GPU命令在CPU執(zhí)行后巷折，會有三個狀態(tài)：
- 未發(fā)送
GPU命令在CPU執(zhí)行，會發(fā)送到當前CPU的CommanQueue崖咨，底層驅(qū)動會在合適的時機發(fā)送CPU CommandQueue中的命令到GPU CommandQueue锻拘。 - 發(fā)送未完成
命令在GPU的ComamndQueue中，但還沒有被GPU執(zhí)行击蹲。 - 完成
命令在GPU上執(zhí)行了署拟，并且不再當前渲染管線中。
硬件層面的指令執(zhí)行
OpenGL的三種同步方案
OpenGL中有三種可以實現(xiàn)同步的方案歌豺，glFinish, glFlush, glFenceSync推穷。
-
glFinish足夠粗暴，它讓當前線程的所有命令都在GPU執(zhí)行完成后才返回类咧。 -
glFlush輕量些馒铃，它會讓當前線程的所有命令都發(fā)送后才返回，此時命令在GPU的CommandQueue上痕惋，一般切換上下文要flush一下確保執(zhí)行的命令順序萬無一失区宇，但是在TBR/TBDR架構(gòu)的上屏上下文中flush，會強行同步一次tile和FBO值戳，所以也要盡量少用议谷。 -
glFenceSync最靈活且輕量，他會生成一個信號量堕虹，當GPU執(zhí)行到它是卧晓，信號量會解鎖叶洞，這樣就可以監(jiān)控GPU的運行狀態(tài)了≠餮拢可以選擇glClientWaitSync/glWaitSync來實現(xiàn)同步。
如何選擇
如果要同步多線程中的GPU資源螟炫，比如紋理時波附，只用glFlush是不夠的，因為不能保證渲染命令在GPU被執(zhí)行昼钻，只用glFlush會有黑屏或閃屏掸屡、Crash的問題，只能用glFinish/glFenceSync然评。
glFinish只適合不關(guān)心當前CPU和GPU執(zhí)行狀態(tài)的情況仅财，比如一次提交了很多命令需要清空CommandQueue時。這在調(diào)試某一條指令時非常有用碗淌，可以在這個指令前后各加一個glFinish盏求，來確保GPU當前只在執(zhí)行這條指令，避免其他指令的干擾亿眠。
glFenceSync可以監(jiān)控GPU的執(zhí)行狀態(tài)碎罚，可以用它實現(xiàn)關(guān)于GPU狀態(tài)的回調(diào)。實現(xiàn)同步的方式比較靈活纳像，可以選擇是卡CPU還是GPU荆烈。比如如果需要在CPU上使用渲染結(jié)果的話，需要glClientWaitSync竟趾，如果只是為了同步執(zhí)行順序的話憔购，glWaitSync就可以了。
不過要注意的是wait命令后面要加一個glFlush, 以免產(chǎn)生死鎖（sync信號量還沒有發(fā)送岔帽，當前線程就鎖住了GPU玫鸟，導(dǎo)致GPU沒有機會解鎖）。
例子
// Main Queue
dispatch_async(backQueue, ^{
//back Queue draw something
//...
syncPtr = glFenceSync(GL_SYNC_GPU_COMMANDS_COMPLETE, 0);
glFlush();
});
glClientWaitSync(syncPtr, 0, 2 * NSEC_PER_SEC);// need result on client-side memory
// use the result of back Queue rendered
//...
寫在最后
同步的方案其實不難山卦，難的是怎么查關(guān)于多線程的渲染Bug鞋邑。所以一定要從頭理清項目里的渲染邏輯，從單線程小范圍開始慢慢多線程改造是一條比較平坦的路账蓉。
