Metal Framework基础使用教程

一口吃掉 2017-11-23 04:39:55

Metal Framework基础使用教程--序
iOS 8.0起，Apple为了更充分地发挥GPU的潜力，引入了Metal框架。Metal是与OpenGL ES是并列的，它们都是应用对GPU访问的底层接口。而Metal则提供了更底层，更面向硬件的接口，这也是为何Apple给这个框架起名为“Metal”的原因。

OpenGL ES3.1（至今仍未推出）之前，GPU只能做图形渲染流水线，而不能直接做通用计算流水线。现在iOS的Metal把这道门打开了。通过Metal，我们可以直接使用通用计算流水线，也就是GPU的Compute Shader。因此，在目前的Metal框架中可以使用三种着色器——Vertex Shader、Fragment Shader以及Compute Shader。当然，正因为Metal要求GPU得具有通用计算能力，因此一些老旧的GPU就不能支持了。目前支持Metal的GPU必须是Apple A7开始的，也就是至少为Power VR 6系列。

Metal的图形渲染流水线如下图所示：

而通用计算流水线就没那么复杂了，主机端的数据直接送给Compute Shader之后就直接再输出给主机端。上图中，灰色框框的Vertex Shader与Fragment Shader就是我们要自己对GPU编程的部分，其余的框框全是GPU硬件单元，不需要我们自己来编程。但是有些单元需要我们自己设置指定的状态来使它们做特定的操作。比如Stencil Test当我们启用了它之后才会进行，还有Depth Test也是如此，而Blend启用了它之后可以选择多种不同的操作参数来指定Blend硬件单元如何做当前颜色与背景色的混合。

因此，当我们使用Metal的时候，不光光要学习Objective-C（由于Metal的主机端接口都是以Objective-C的形式给出的），而且还要学习Metal Shading Language，来为GPU进行编程。尽管Metal Shading Language号称支持C++11标准，不过大部分C++特性都没有得到满足，比如虚函数、虚继承、RTTI等等，因此可以把它看成是简化版的C++11。就语法而言，难度不是很大，基本上熟悉C语言的很快就能上手。

Metal编程指南可参考此链接
https://developer.apple.com/library/ios/documentation/Miscellaneous/Conceptual/MetalProgrammingGuide/Introduction/Introduction.html#//apple_ref/doc/uid/TP40014221

Metal Shading Language编程指南可参考此链接：
https://developer.apple.com/library/ios/documentation/Metal/Reference/MetalShadingLanguageGuide/Introduction/Introduction.html#//apple_ref/doc/uid/TP40014364

Metal Framework基础使用教程——渲染流水线的基本执行模型

我们在使用Metal时，通常会先对一些资源做初始化设置，同时，这些资源将在整个执行过程中一直被保留，有些甚至不会被修改。然后，是做渲染过程。渲染过程可以通过定时器或其它刷新方式不断地执行。里面所含有的资源是瞬时的，即仅仅在一个渲染过程内有效。一次渲染过程又可以称为一个渲染遍（render pass）。

在Metal整个执行过程中，以下资源是要被长久保留的，即它们的生命周期与你的Metal layer一样长：

命令队列（Command Queue）、缓存（Buffer）、纹理（Texture）、采样器状态（Sampler State）、库（Library）、计算状态（Compute State）、渲染流水线状态（Render Pipeline State）、深度／模板状态（Depth/Stencil State）。

而这些资源是瞬时的：命令缓存（Command Buffer）、命令编码器（Command Encoder）。

下图描述了一个图形渲染流水线的基本执行流程：