命令缓冲区 · Vulkan 教程

Vulkan 中的命令（例如绘制操作和内存传输）并不是用函数调用直接执行的。你必须把想要执行的所有操作记录到命令缓冲区对象中。这样做的好处是：当你准备好告诉 Vulkan 要做什么时，所有命令会一起提交。由于所有命令同时可用，Vulkan 能更高效地处理它们。此外，如有需要，这也让命令记录可以在多个线程中并行进行。

命令池

创建命令缓冲区之前，必须先创建命令池。命令池管理用于存储命令缓冲区的内存，命令缓冲区正是从命令池中分配的。添加一个新的类成员来保存 vk::raii::CommandPool：

vk::raii::CommandPool commandPool = nullptr;

然后新建 createCommandPool 函数，并在图形管线创建完成后从 initVulkan 中调用它。

void initVulkan()
{
    createInstance();
    setupDebugMessenger();
    createSurface();
    pickPhysicalDevice();
    createLogicalDevice();
    createSwapChain();
    createImageViews();
    createGraphicsPipeline();
    createCommandPool();
}

...

void createCommandPool()
{
}

命令池的创建只需要两个参数：

vk::CommandPoolCreateInfo poolInfo{.flags            = vk::CommandPoolCreateFlagBits::eResetCommandBuffer,
                                   .queueFamilyIndex = queueIndex};

命令池可以设置两种标志：

vk::CommandPoolCreateFlagBits::eTransient：提示命令缓冲区会非常频繁地用新命令重新记录（可能改变内存分配行为）
vk::CommandPoolCreateFlagBits::eResetCommandBuffer：允许单独重新记录每个命令缓冲区；没有这个标志时，所有命令缓冲区必须一起重置

由于每一帧都要记录命令缓冲区，我们希望可以重置它并在其上重新记录。因此，命令池要设置 vk::CommandPoolCreateFlagBits::eResetCommandBuffer 标志位。

Note	在前面的章节中，图形队列族索引（`queueIndex`）是一个局部变量。从本章开始，多个地方都会用到这个索引，因此它已被改为应用类的成员。

命令缓冲区通过提交到设备的某个队列来执行，例如之前获取的图形队列和呈现队列。每个命令池只能分配要提交到同一类队列的命令缓冲区。我们要记录的是绘制命令，所以选择了图形队列族。

commandPool = vk::raii::CommandPool(device, poolInfo);

用 vk::raii::CommandPool 构造函数完成命令池的创建。它没有任何特殊参数。整个程序都会用其中记录的命令在屏幕上绘制内容。

命令缓冲区分配

现在可以开始分配命令缓冲区了。

添加一个 vk::raii::CommandBuffer 对象作为类成员。命令池销毁时，其中的命令缓冲区会自动释放，因此不需要显式清理。

vk::raii::CommandBuffer commandBuffer = nullptr;

接下来编写 createCommandBuffer 函数，从命令池中分配一个命令缓冲区。

void initVulkan()
{
    createInstance();
    setupDebugMessenger();
    createSurface();
    pickPhysicalDevice();
    createLogicalDevice();
    createSwapChain();
    createImageViews();
    createGraphicsPipeline();
    createCommandPool();
    createCommandBuffer();
}

...

void createCommandBuffer()
{
}

命令缓冲区通过 vk::raii::CommandBuffers 构造函数分配，它接收一个 vk::CommandBufferAllocateInfo 结构体作为参数，用来指定命令池和要分配的缓冲区数量：

vk::CommandBufferAllocateInfo allocInfo{ .commandPool = commandPool, .level = vk::CommandBufferLevel::ePrimary, .commandBufferCount = 1 };

commandBuffer = std::move(vk::raii::CommandBuffers(device, allocInfo).front());

level 参数指定分配出的命令缓冲区是一级还是二级命令缓冲区。

vk::CommandBufferLevel::ePrimary：可以提交到队列执行，但不能被其他命令缓冲区调用。
vk::CommandBufferLevel::eSecondary：不能直接提交，但可以被一级命令缓冲区调用。

这里用不到二级命令缓冲区的功能，但可以想见，它在复用一级命令缓冲区中的常见操作时很有用。

因为只分配一个命令缓冲区，commandBufferCount 参数就是 1。 vk::raii::CommandBuffers 构造函数生成的是 std::vector<vk::raii::CommandBuffer>，而这里只需要一个，所以把它从 vector 中移动到单个变量里。

命令缓冲区记录

接下来编写 recordCommandBuffer 函数，把要执行的命令写入命令缓冲区。所用的 vk::raii::CommandBuffer 会作为参数传入，同时传入当前要写入的交换链图像索引。

void recordCommandBuffer(uint32_t imageIndex)
{
}

记录命令缓冲区时，总是先调用 vk::raii::CommandBuffer::begin，并传入一个小的 vk::CommandBufferBeginInfo 结构体，用来说明这个命令缓冲区的使用细节。

commandBuffer.begin({});

vk::CommandBufferBeginInfo 的 flags 成员说明命令缓冲区的用法。可用的值有：

vk::CommandBufferUsageFlagBits::eOneTimeSubmit：命令缓冲区在执行一次之后会立即被重新记录。
vk::CommandBufferUsageFlagBits::eRenderPassContinue：这是一个二级命令缓冲区，其内容将完全位于单个渲染通道内。
vk::CommandBufferUsageFlagBits::eSimultaneousUse：命令缓冲区可以在仍处于待执行状态时再次提交。

目前这些标志一个都不适用。

vk::CommandBufferBeginInfo 的 pInheritanceInfo 成员只对二级命令缓冲区有意义。它指定从调用它的一级命令缓冲区继承哪些状态。

如果命令缓冲区已经记录过一次，那么调用 vk::raii::CommandBuffer::begin 会隐式重置它。无法在之后向缓冲区追加命令。

图像布局转换

开始向图像渲染之前，需要先把它的布局转换为适合渲染的布局。在 Vulkan 中，图像可以处于针对不同操作优化的不同布局。例如，图像可以处于最适合呈现到屏幕的布局，也可以处于最适合作为颜色附件使用的布局。

这里用一个管线屏障把图像布局从 vk::ImageLayout::eUndefined 转换为 vk::ImageLayout::eColorAttachmentOptimal：

void transition_image_layout(
	    uint32_t                imageIndex,
	    vk::ImageLayout         old_layout,
	    vk::ImageLayout         new_layout,
	    vk::AccessFlags2        src_access_mask,
	    vk::AccessFlags2        dst_access_mask,
	    vk::PipelineStageFlags2 src_stage_mask,
	    vk::PipelineStageFlags2 dst_stage_mask)
{
		vk::ImageMemoryBarrier2 barrier = {
		    .srcStageMask        = src_stage_mask,
		    .srcAccessMask       = src_access_mask,
		    .dstStageMask        = dst_stage_mask,
		    .dstAccessMask       = dst_access_mask,
		    .oldLayout           = old_layout,
		    .newLayout           = new_layout,
		    .srcQueueFamilyIndex = VK_QUEUE_FAMILY_IGNORED,
		    .dstQueueFamilyIndex = VK_QUEUE_FAMILY_IGNORED,
		    .image               = swapChainImages[imageIndex],
		    .subresourceRange    = {
		           .aspectMask     = vk::ImageAspectFlagBits::eColor,
		           .baseMipLevel   = 0,
		           .levelCount     = 1,
		           .baseArrayLayer = 0,
		           .layerCount     = 1}};
		vk::DependencyInfo dependency_info = {
		    .dependencyFlags         = {},
		    .imageMemoryBarrierCount = 1,
		    .pImageMemoryBarriers    = &barrier};
    commandBuffer.pipelineBarrier2(dependency_info);
}

这个函数将在渲染前后用于转换图像布局。

开始动态渲染

使用动态渲染时，不需要创建渲染通道或帧缓冲。改为在开始渲染时直接指定附件：

// 开始渲染前，把交换链图像转换为 vk::ImageLayout::eColorAttachmentOptimal
transition_image_layout(
    imageIndex,
    vk::ImageLayout::eUndefined,
    vk::ImageLayout::eColorAttachmentOptimal,
    {},                                                        // srcAccessMask（无需等待之前的操作）
    vk::AccessFlagBits2::eColorAttachmentWrite,                // dstAccessMask
    vk::PipelineStageFlagBits2::eColorAttachmentOutput,        // srcStage
    vk::PipelineStageFlagBits2::eColorAttachmentOutput         // dstStage
);

首先把图像布局转换为 vk::ImageLayout::eColorAttachmentOptimal。接着设置颜色附件：

vk::ClearValue              clearColor     = vk::ClearColorValue(0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f);
vk::RenderingAttachmentInfo attachmentInfo = {
    .imageView   = swapChainImageViews[imageIndex],
    .imageLayout = vk::ImageLayout::eColorAttachmentOptimal,
    .loadOp      = vk::AttachmentLoadOp::eClear,
    .storeOp     = vk::AttachmentStoreOp::eStore,
    .clearValue  = clearColor};

imageView 参数指定渲染到哪个图像视图，imageLayout 参数指定渲染期间图像所处的布局。loadOp 参数指定渲染前如何处理图像，storeOp 参数指定渲染后如何处理图像。这里用 vk::AttachmentLoadOp::eClear 在渲染前把图像清为黑色，用 vk::AttachmentStoreOp::eStore 保存渲染结果以备后用。

接着设置渲染信息：

vk::RenderingInfo renderingInfo = {
    .renderArea           = {.offset = {0, 0}, .extent = swapChainExtent},
    .layerCount           = 1,
    .colorAttachmentCount = 1,
    .pColorAttachments    = &attachmentInfo};

renderArea 参数定义渲染区域的大小，类似渲染通道中的渲染区域。layerCount 参数指定渲染的层数，对于非分层图像为 1。colorAttachmentCount 和 pColorAttachments 参数指定要渲染到的颜色附件。

现在可以开始渲染了：

commandBuffer.beginRendering(renderingInfo);

所有记录命令的函数都返回 void，因此在记录完成之前不会有任何错误处理。

beginRendering 命令的参数就是刚才设置的渲染信息，它指定要渲染到的附件和渲染区域。

基本绘制命令

现在可以绑定图形管线：

commandBuffer.bindPipeline(vk::PipelineBindPoint::eGraphics, *graphicsPipeline);

第一个参数指定管线对象是图形管线还是计算管线。至此，已经告诉 Vulkan 要在图形管线中执行哪些操作，以及片元着色器要使用哪个附件。

如固定功能章节所述，我们把这条管线的视口和裁剪状态指定为动态。因此需要在命令缓冲区中发出绘制命令之前设置它们：

commandBuffer.setViewport(0, vk::Viewport(0.0f, 0.0f, static_cast<float>(swapChainExtent.width), static_cast<float>(swapChainExtent.height), 0.0f, 1.0f));
commandBuffer.setScissor(0, vk::Rect2D(vk::Offset2D(0, 0), swapChainExtent));

现在可以发出绘制三角形的命令了：

commandBuffer.draw(3, 1, 0, 0);

真正调用 vk::raii::CommandBuffer::draw 时的代码显得有些平淡，但它之所以这么简单，是因为前面已经指定了所有信息。它有以下参数：

vertexCount：虽然没有顶点缓冲区，但技术上仍然有 3 个顶点要绘制。
instanceCount：用于实例化渲染，不做实例化时填 1。
firstVertex：用作顶点缓冲区中的偏移，定义 SV_VertexId 的最小值。
firstInstance：用作实例化渲染的偏移，定义 SV_InstanceID 的最小值。

收尾

现在可以结束渲染：

commandBuffer.endRendering();

渲染结束后，需要把图像布局转换回 vk::ImageLayout::ePresentSrcKHR，这样才能呈现到屏幕：

// 渲染结束后，把交换链图像转换为 vk::ImageLayout::ePresentSrcKHR
transition_image_layout(
    imageIndex,
    vk::ImageLayout::eColorAttachmentOptimal,
    vk::ImageLayout::ePresentSrcKHR,
    vk::AccessFlagBits2::eColorAttachmentWrite,             // srcAccessMask
    {},                                                     // dstAccessMask
    vk::PipelineStageFlagBits2::eColorAttachmentOutput,     // srcStage
    vk::PipelineStageFlagBits2::eBottomOfPipe               // dstStage
);

命令缓冲区记录到此完成：

commandBuffer.end();

在下一章中，我们会编写主循环的代码：从交换链获取图像，记录并执行命令缓冲区，然后把绘制完成的图像交回交换链。

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