Metal（一）-简述 & 主要APIMetal（一）-简述 & 主要API

Metal简述

Metal是苹果公2014年推出的一套取代OpenGLES的渲染应用程序编程接口,支持到iOS8以上。Metal不单延续了OpenGLES中的渲染高级3D图形,还可以使用GPU高效完成数据并行计算。 Core Image, SpriteKit, 和 SceneKit已经在使用了。

Metal优化点

1. 最大程度的降低了CPU的相关开销
2. 最大程度的使用GPU的性能
3. 最大限度的提高了CPU、GPU的并行能力
4. 最大限度的进行系统资源的有效管理

graphics pipeline（图形管道）

• 和OpenGL中的图形管道相比相似度非常高;
• 顶点处理：物体矩阵、世界矩阵、观察者矩阵(相当于MVP),裁剪
• 图元装配方式：点、线、线环、三角形、三角形带
• 片段处理：纹理、模板、透明度、混合

Cpu:处理顶点数据->GPU: 顶点处理(顶点着色器)->图元装配（5种）->光栅化->片段处理（片元着色器）->帧缓存区

OpenGl

可以对照这幅图回忆一下自己的知识结构和OpenGLES中的知识点。

在使用Metal前，Apple有一些建议

• Separate Your Rendering Loop分开渲染循环：不希望将渲染的处理逻辑放到ViewController | View中。建议单独创建一个类来完成各种Metal的渲染绘制工作。
• Respond to View Events响应代理<MTKViewDelegate>的事件
• Metal Command Objects创建一个命令对象，即创建执行命令的GPU

Metal中对象之间的关系

图一

图二

两张图可以对比来看

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1. 命令缓存区(command buffer) 是从命令队列列(command queue) 创建的
2. 命令编码器器(command encoders) 将命令编码到命令缓存区中
3. 提交命令缓存区并将其发送到GPU
4. GPU执⾏行行命令并将结果呈现为可绘制

Metal中常见Api

MTKView

MTKView理解上可以对标GLKView来理解。 相同点: 提供用于绘制layer的专属视图。

不同点：

1. 没有MTKViewController。
2. GLKView初始化时需要提供GLKContent，而MTKView需要确定MTLDevice

MTLDevice

Metal是直接操作GPU的，所以需要获取GPU的使用权限。在iOS中一般是通过默认的方式MTLCreateSystemDefaultDevice()获取GPU的使用权限。也可以使用MTLCopyAllDevices()来获取系统中所有Metal设备对象的引用数组。

MTLDevice协议表示可以执行命令的GPU，提供了如下功能

• 创建新的命令队列
• 从内存分配缓冲区
• 创建纹理
• 查询设备功能

MTLCommandQueue

在获取了GPU后，还需要一个渲染队列，即命令队列Command Queue类型是MTLCommandQueue，该队列是与GPU交互的第一个对象，队列中存储的是将要渲染的命令MTLCommandBuffer。正好对应上方图。

创建方式:

_commandQueue = [_device newCommandQueue];

• 该对象的创建需要消耗大量资源，加之这个命令队列生命周期很长，所以建议该对象作为全局，而不是反复创建和消耗。

MTLCommandBuffer

命令缓存区Command Buffer主要是用于存储编码的命令，其生命周期是指导缓存区被提交到GPU执行为止，单个的命令缓存区可以包含不同的编码命令，主要取决于用于构建它的编码器的类型和数量。

创建方式：

commandBuffer = [_commandQueue commandBuffer]

• buffer的创建需要通过Command Queue来创建的
• buffer中生成的CommandEncoder都需要通过当前buffer来进行提交、渲染、绘制.

commandBuffer在未提交命令缓存区之前，是不会开始执行的。等待提交后命令缓存区将按其按照加入队的顺序进行执行。当然这是整个编码步骤中的最后一步。 commandBuffer的执行顺序有以下两种：

• enqueue：顺序执行，enqueue方法在命令队列中为命令缓存区保留一个位置，此时并未提交命令缓存区，当最终提交命令缓存区后，按照命令队列的顺序依次执行
• commit：插队尽快执行，如果前面有commit还是需要排队等着

MTLRenderCommandEncoder

MTLRenderCommandEncoder表示单个渲染过程中相关联的渲染状态和渲染命令（可以对标OpenGL中的上下文状态机来理解），有以下功能：

1. 指定图形资源，例如缓存区和纹理对象，其中包含顶点、片元、纹理图片数据
2. 指定MTLRenderPipelineState对象，其中包含编译的渲染状态、顶点着色器、片段着色器
3. 指定固定功能状态，包括视口，三角形填充模式，剪刀矩形，深度和模板测试以及其他值
4. 绘制3D图元

编码器执行流程

1. 通过调用MTLCommandBuffer对象的makeRenderCommandEncoder（descriptor :)方法来创建MTLRenderCommandEncoder对象。
2. 调用setRenderPipelineState（_ :)方法以指定MTLRenderPipelineState，该状态定义图形渲染管道的状态，包括顶点和片段函数。
3. 指定用于顶点和片元函数输入和输出的资源，并在对应的参数中设置每个资源的位置（即索引），即将顶点数据等通过commandEncoder调用setVertexBytes:length:atIndex:函数传递到metal shader Language文件的顶点着色器和片元着色器函数
4. 指定其他的固定功能状态，例如通过commandEncoder调用setViewport:函数设置视口大小等
5. 绘制图形
6. 调用endEncoding（）方法以终止渲染命令编码器。

MTLRenderPipelineDescriptor

MTLRenderPipelineDescriptor管道状态描述符：在渲染过程中使用的渲染配置状态，包括光栅化（例如多重采样），可见性，混合，镶嵌和图形功能状态，主要是渲染管道描述符中指定顶点或片段函数。

举例：

    MTLRenderPipelineDescriptor *pipelineStateDescriptor = [[MTLRenderPipelineDescriptor alloc] init];
        //管道名称
    pipelineStateDescriptor.label = @"Simple Pipeline";
        //可编程函数,用于处理渲染过程中的各个顶点
    pipelineStateDescriptor.vertexFunction = [defaultLibrary newFunctionWithName:@"vertexShader"];
        //可编程函数,用于处理渲染过程中各个片段/片元
    pipelineStateDescriptor.fragmentFunction = [defaultLibrary newFunctionWithName:@"fragmentShader"];
        //一组存储颜色数据的组件
    pipelineStateDescriptor.colorAttachments[0].pixelFormat = mtkView.colorPixelFormat;
        //同步创建并返回渲染管线状态对象
    _pipelineState = [_device newRenderPipelineStateWithDescriptor:pipelineStateDescriptor error:&error];

MTLRenderPassDescriptor

官方文档定义为渲染命令编码器描述符：用于保存渲染过程中的一组结果 下图中红圈位置代表MTLRenderPassDescriptor在Metal整个渲染流程中的位置，也可以对标OpenGLES中的frameBuffer来理解

Metal渲染流程