Vulkan教程翻译之六 创建 Swapchain

原文链接：https://vulkan.lunarg.com/doc/sdk/1.2.131.2/windows/tutorial/html/05-init_swapchain.html

创建 Swapchain

这一章节的代码文件是 05-init_swapchain.cpp

本章节描述了如何创建 swapchain，它是最终显示给用户的图像缓冲区列表。这是设置渲染需要的所有缓冲区的第一步。

这是一张 Vulkan swapchain 的视图，它关联着系统的其他各个部分。其中一些部分我们很熟悉，剩下的你将会在这一节里进行学习。

Vulkan 和 窗口系统

像其他的图形API一样，Vulkan 保持窗口系统和核心图形API分离。在Vulkan里，窗口系统通过 WSI(Window System Integration) extension 部分暴露出来。你可以在包含WSI内容的 Vulkan 规范文档里找到这些 extension 的文档。在 Vulkan SDK download website 和 Khronos Vulkan Registry 中可以找到包含这些内容的 Vulkan 规范。

WSI extension 支持各种不同平台。可以通过以下定义激活特定平台的 extension ：

• VK_USE_PLATFORM_ANDROID_KHR - Android
• VK_USE_PLATFORM_WAYLAND_KHR - Wayland
• VK_USE_PLATFORM_WIN32_KHR - Microsoft Windows
• VK_USE_PLATFORM_XCB_KHR - X Window System, using the XCB library
• VK_USE_PLATFORM_XLIB_KHR - X Window System, using the Xlib library

名称里的 "KHR" 部分表明该符号是在 Khronos extension 里定义的。

Surface 抽象

Vulkan 使用 VkSurfaceKHR 对象来抽象出原生平台的 surface 或 window。该符号定义为 VK_KHR_surface 扩展的一部分。WSI extension 的各种函数用来创建，操作和销毁这些 surface 对象。

回顾 Instance 和 Device Extensions

因为你在本教程前面的章节中跳过了使用 extension，现在是回顾它们的时候了，好让你可以激活接入窗口系统所要用的WSI extension。

Instance Extensions

为了使用 WSI extension，你需要激活通用的 surface 扩展。在该示例中 init_instance_extension_name() 函数里，找到把 VK_KHR_SURFACE_EXTENSION_NAME 插入要加载的 instance extension 列表的代码。

info.instance_extension_names.push_back(VK_KHR_SURFACE_EXTENSION_NAME);

也要注意到，相同的函数在特定平台的 extension 里，依赖于代码要编译的平台。例如，如果为 Windows 编译，该函数就要把 VK_KHR_WIN32_SURFACE_EXTENSION_NAME 插入到要加载的 instance extension 列表里。

info.instance_extension_names.push_back(VK_KHR_WIN32_SURFACE_EXTENSION_NAME);

当创建 instance 的时候，在 init_instance() 函数里加载这些 extension。

Device Extensionss

swapchain 是一个 GPU 用来绘制的图像缓存区的列表，并且提供给显示硬件来扫描到显示屏上。因为是GPU硬件在写这些 image，所以设备层面的 extension 需要和 swapchain 协同工作。因此，示例代码把 VK_KHR_SWAPCHAIN_EXTENSION_NAME 添加到 init_device_extension_names() 加载的 device extension 列表里。

info.device_extension_names.push_back(VK_KHR_SWAPCHAIN_EXTENSION_NAME);

这个 extension 稍后在本节中用来创建 swapchain。

回顾一下：

• 本示例调用 init_instance_extension_names() 函数来加载常用的和特定平台的 surface extension 作为 instance extension。
• 本示例调用 init_device_extension_names() 函数来加载 swapchain extension 作为 device extension。

通过查看在 Vulkan SDK download site 里的文档，你可以学习更多关于 instance extension 和 device extension。

Queue Family 和 Present

"present" 操作包括把其中一个 swapchain image 传给物理显示器以使它可以被看见。当应用想要显示一张 image 到显示器上，调用 vkQueuePresentKHR() 函数把一个 present 请求放到其中一个GPU queue里。因此，该函数引用的 queue 必须能支持 present 请求，或者是 graphics 和 present 请求。示例为此做了如下的检查：

// Iterate over each queue to learn whether it supports presenting:
VkBool32 *pSupportsPresent =
    (VkBool32 *)malloc(info.queue_family_count * sizeof(VkBool32));
for (uint32_t i = 0; i < info.queue_family_count; i++) {
    vkGetPhysicalDeviceSurfaceSupportKHR(info.gpus[0], i, info.surface,
                                         &pSupportsPresent[i]);
}

// Search for a graphics and a present queue in the array of queue
// families, try to find one that supports both
info.graphics_queue_family_index = UINT32_MAX;
info.present_queue_family_index = UINT32_MAX;
for (uint32_t i = 0; i < info.queue_family_count; ++i) {
    if ((info.queue_props[i].queueFlags & VK_QUEUE_GRAPHICS_BIT) != 0) {
        if (info.graphics_queue_family_index == UINT32_MAX)
            info.graphics_queue_family_index = i;

        if (pSupportsPresent[i] == VK_TRUE) {
            info.graphics_queue_family_index = i;
            info.present_queue_family_index = i;
            break;
        }
    }
}

if (info.present_queue_family_index == UINT32_MAX) {
    // If didn't find a queue that supports both graphics and present, then
    // find a separate present queue.
    for (size_t i = 0; i < info.queue_family_count; ++i)
        if (pSupportsPresent[i] == VK_TRUE) {
            info.present_queue_family_index = i;
            break;
        }
}
free(pSupportsPresent);

这段代码里复用了之前获取的 info.queue_family_count，因为 vkGetPhysicalDeviceSurfaceSupportKHR() 为每一个 queue family 返回一个标记。然后搜索同时支持 present 和 graphics 的 queue family。如果没有 queue family 能同时支持两个，程序就会先记录一个支持 graphics 的 queue family，然后再搜索一个支持 present 的。因为这段代码里同时设置了 graphics_queue_family_index 和 present_queue_family_index，后续示例必须使用 graphics_queue_family_index 里的队列放 graphics 命令，用 present_queue_family_index 里的队列放 present 命令。

是的，前面在 init_device 里已经执行了搜索仅支持 graphics 的 queue family，这里有点多余，这么做仅仅是出于说明的目的。真正的应用也许用不同的顺序做这些步骤来避免重复。

如果找不到这些 queue family，应用就会退出。

Swapchain 创建信息

本节中其余大部分工作都是为了填充这个创建信息的结构体，用来创建 swapchain：

typedef struct VkSwapchainCreateInfoKHR {
    VkStructureType                  sType;
    const void*                      pNext;
    VkSwapchainCreateFlagsKHR        flags;
    VkSurfaceKHR                     surface;
    uint32_t                         minImageCount;
    VkFormat                         imageFormat;
    VkColorSpaceKHR                  imageColorSpace;
    VkExtent2D                       imageExtent;
    uint32_t                         imageArrayLayers;
    VkImageUsageFlags                imageUsage;
    VkSharingMode                    imageSharingMode;
    uint32_t                         queueFamilyIndexCount;
    const uint32_t*                  pQueueFamilyIndices;
    VkSurfaceTransformFlagBitsKHR    preTransform;
    VkCompositeAlphaFlagBitsKHR      compositeAlpha;
    VkPresentModeKHR                 presentMode;
    VkBool32                         clipped;
    VkSwapchainKHR                   oldSwapchain;
} VkSwapchainCreateInfoKHR;

创建 Surface

有了在 instance 和 device 里加载的 WSI extension，你就可以创建一个 VkSurface 来使你可以继续创建 swapchain。你需要再次使用特定平台的代码，在 05-init_swapchain.cpp 文件顶部显示的：

#ifdef _WIN32
    VkWin32SurfaceCreateInfoKHR createInfo = {};
    createInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_WIN32_SURFACE_CREATE_INFO_KHR;
    createInfo.pNext = NULL;
    createInfo.hinstance = info.connection;
    createInfo.hwnd = info.window;
    res = vkCreateWin32SurfaceKHR(info.inst, &createInfo, NULL, &info.surface);
#endif

info.connection 和 info.window 值是被包含在 init_connection() 和 inti_window()里的更多的特定平台代码设置的，这些你也可以在示例代码里找到。

请注意，init_connection() 和 inti_window() 函数还负责特定平台操作，包括连接到显示层和创建实际窗口。你刚用 vkCreateWin32SurfaceKHR() 函数创建的 VkSurfaceKHR surface 用句柄表示，该句柄可通过 Vulkan 用于平台窗口对象。

然后你把返回的 surface 加到 swapchain 创建信息结构体里：

VkSwapchainCreateInfoKHR swapchain_ci = {};
swapchain_ci.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_SWAPCHAIN_CREATE_INFO_KHR;
swapchain_ci.pNext = NULL;
swapchain_ci.surface = info.surface;

设备 Surface Format

在创建 swapchain 的时候，你还需要指定 format。在当前上下文中，“format”指如 VkFormat 枚举所描述的像素格式，在这里 VK_FORMAT_B8G8R8A8_UNORM 是设备 surface format 的一个常用例子。

示例代码中的下一段获取一个 VkSurfaceFormatKHR 结构体列表，它包含了显示器支持的 VkFormat 格式和其他信息。因为示例不用关心显示屏 image 和 surface 使用什么 format，示例就选取了第一个可用的 format，如果未指定 format，会回退到一个通用任意的。

查看示例中的代码，可以看到它最后在创建信息结构体里设置了 format：

swapchain_ci.imageFormat = info.format;

Surface Capabilities

为了继续填充 swapchain 创建信息的结构体，示例里调用了 vkGetPhysicalDeviceSurfaceCapabilitiesKHR() 和vkGetPhysicalDeviceSurfacePresentModesKHR() 来获取所需的信息。然后填到以下字段里：

uint32_t desiredNumberOfSwapChainImages = surfCapabilities.minImageCount;

swapchain_ci.minImageCount = desiredNumberOfSwapChainImages;
swapchain_ci.imageExtent.width = swapChainExtent.width;
swapchain_ci.imageExtent.height = swapChainExtent.height;
swapchain_ci.preTransform = preTransform;
swapchain_ci.presentMode = swapchainPresentMode;

你应该给 minImageCount 成员设置一个表明你的应用使用的缓冲区策略的值，比如双缓冲或者三重缓冲。该示例调用 vkGetPhysicalDeviceSurfaceCapabilitiesKHR() 函数请求可以用在 swapchain 里的最小 image 数量，结果存在 surfCapabilities 里。请求 image 的最小数量值，保证了我们在尝试申请另一个 image 之前，可以只获取一个可显示的 image。这表示的就是双缓冲配置，因为你将能够申请一个image来渲染，同时另一个image正在显示。如果你想要三重缓冲，那么你就得再申请一个image，然后在你显示之前，能够申请两个缓冲区来渲染。

Graphics 和 Present 的不同 Queue Family

你之前确定了graphics 和 present 队列的 queue family。如果它们是不同的，你需要做些额外的工作来允许 image 在 queue family 之间能共享。

swapchain_ci.imageSharingMode = VK_SHARING_MODE_EXCLUSIVE;
swapchain_ci.queueFamilyIndexCount = 0;
swapchain_ci.pQueueFamilyIndices = NULL;
uint32_t queueFamilyIndices[2] = {
    (uint32_t)info.graphics_queue_family_index,
    (uint32_t)info.present_queue_family_index};
if (info.graphics_queue_family_index != info.present_queue_family_index) {
    // If the graphics and present queues are from different queue families,
    // we either have to explicitly transfer ownership of images between the
    // queues, or we have to create the swapchain with imageSharingMode
    // as VK_SHARING_MODE_CONCURRENT
    swapchain_ci.imageSharingMode = VK_SHARING_MODE_CONCURRENT;
    swapchain_ci.queueFamilyIndexCount = 2;
    swapchain_ci.pQueueFamilyIndices = queueFamilyIndices;
}

以上字段提供了更多的创建 swapchain 所需基本信息。你可以检查示例中其余代码，来看看这些信息是如何获取的，以及创建信息结构体里其他部分是如何填充的。

创建 Swapchain

填完了 swapchain 创建信息结构体，现在你可以创建 swapchain 了：

res = vkCreateSwapchainKHR(info.device, &swapchain_ci, NULL, &info.swap_chain);

该调用创建了一个 image 的集合并构建成了 swapchain。在某些时刻，你需要各个 image 的句柄，来告诉GPU用哪一个 image 来渲染。vkCreateSwapchainKHR() 函数本身创建了 image，所以就一直追踪着句柄。示例使用了熟悉模式来获取 image 句柄，先查询存在多少个句柄，通过调用

vkGetSwapchainImagesKHR(info.device, info.swap_chain,
                        &info.swapchainImageCount, NULL);

获取了计数，然后再次调用函数获取 image 句柄的列表，并且把它们保存在 info.buffers[]。现在你拥有了一个目标 image 的句柄列表。

创建 Image View

你需要通过创建 image view 告诉 Vulkan 你想如何使用这些 swapchain。"view" 是附加给资源的必须的额外信息，描述这些资源如何使用。

属于一个 image 的内存区域可以被安排成多种方式，这取决于该 image 的用途。例如，一个 image 可以是1D，2D或3D。或者也可以是一个 image 数组等等。描述 image 格式（例如 VK_FORMAT_R8G8B8A8_UNORM），组件的顺序 和 layer 信息也很有用。所有这些信息是包含在 VkImageView 里的 image 元数据。

创建一个 image view 很简单。找到 05-init_swapchain.cpp 文件里的 VkImageViewCreateInfo 结构体，看一下它是用 你所期望的2D framebuffer 值来填充的。注意，image 句柄本身是存在 image view 里的。

然后，你可以存储 image view 句柄到 info 数据结构体以备之后使用，以此结束 swapchain 的创建。