Vulkan是Khronos Group（OpenGL標(biāo)準(zhǔn)的維護(hù)組織）開發(fā)的一個(gè)新API，它提供了對現(xiàn)代顯卡的一個(gè)更好的抽象，與OpenGL和Direct3D等現(xiàn)有api相比，Vulkan可以更詳細(xì)的向顯卡描述你的應(yīng)用程序打算做什么，從而可以獲得更好的性能和更小的驅(qū)動開銷。Vulkan的設(shè)計(jì)理念與Direct3D 12和Metal基本類似，但Vulkan作為OpenGL的替代者，它設(shè)計(jì)之初就是為了跨平臺實(shí)現(xiàn)的，可以同時(shí)在Windows、Linux和Android開發(fā)。甚至在Mac OS系統(tǒng)上，Khronos也提供了Vulkan的SDK，雖然這個(gè)SDK底層其實(shí)是使用MoltenVK實(shí)現(xiàn)的。

MoltenVK實(shí)際上是一個(gè)將Vulkan API映射到Metal API的一個(gè)框架，Vulkan這里只是相當(dāng)于一個(gè)抽象層。

然而，為了得到一個(gè)更好的性能，Vulkan引入了一個(gè)非常冗余的API。相比于OpenGL驅(qū)動幫我們做了大量的工作，Vulkan與圖像api相關(guān)的每一個(gè)細(xì)節(jié)，都需要從頭設(shè)置，包括初始幀緩沖區(qū)的創(chuàng)建與緩沖、紋理內(nèi)存的管理等等。因此，哪怕只畫一個(gè)三角形，我們都要寫數(shù)倍于OpenGL的代碼。

而Google在Android 7.0后提供了對Vulkan的支持，并且提供了一系列工具鏈與Validation Layers（后面會進(jìn)行說明）。在Android Studio中，只要將Shader代碼放在src/main/shaders文件夾下面，項(xiàng)目編譯時(shí)會自動被編譯成.spv字節(jié)碼，可以作為assets使用。

由于Vulkan的使用非常冗長，這篇文章將主要介紹Vulkan API的一般使用模式以及畫一個(gè)三角形所需要的基本元素。

Vulkan畫三角形的各個(gè)步驟

1. Instance and physical device selection

Vulkan程序需要創(chuàng)建一個(gè)VkInstance來啟用vulkan API.在創(chuàng)建Instance時(shí)你需要準(zhǔn)確的描述你的應(yīng)用程序的一些屬性，以及你需要使用的各種API。在創(chuàng)建Instance之后，你需要查詢硬件對vulkan的支持，并選擇一個(gè)或者多個(gè)VkPhysicalDevices。你會查詢各種硬件參數(shù)，比如顯存和顯卡兼容性，來選取最理想的設(shè)備。舉個(gè)例子，相比集顯，咱們更喜歡獨(dú)顯。

2. Logical device and queue families

在決定使用哪塊顯卡之后，你需要創(chuàng)建一個(gè)VkDevice (logical device)，在創(chuàng)建過程中你還要更詳細(xì)的描述你用到的硬件特性（VkPhysicalDeviceFeatures），比如multi viewport rendering（該特性VR渲染非常有用）和64位浮點(diǎn)支持（科學(xué)計(jì)算和HDR都需要），你還需要制定你要使用的queue families。

大部分Vulkan操作， 比如繪制命令和內(nèi)存/顯存操作, 都需要通過提交到VkQueue之后異步執(zhí)行。Queue是從queue family分配的，每個(gè)queue family中的Queue只支持某個(gè)特定集合的操作。舉個(gè)例子，對于顯卡，執(zhí)行圖形渲染、并行計(jì)算和內(nèi)存交換可能是不同的queue family。在選擇physical device時(shí)queue family的支持也是重要的參考之一。只支持科學(xué)計(jì)算不支持圖形渲染的顯卡有可能存在（事實(shí)上繪圖相關(guān)的queue family是vulkan的擴(kuò)張而非核心功能），但是這年頭支持vulkan但不支持繪圖的設(shè)備，其實(shí)也不多。

3. Window surface and swap chain

除非你不想顯示圖形（比如你只想離屏渲染），不然你還是需要創(chuàng)建一個(gè)窗口來顯示的。你可以用各個(gè)平臺native的API(win32,xlib,xcb,mir,wayland)，或者GLFW、SDL等申請window。如果真的想渲染到一個(gè)窗口，還需要兩樣?xùn)|西: window surface (VkSurfaceKHR) 和 swap chain (VkSwapChainKHR)。注意 KHR 后綴，有openGL開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的同學(xué)可能清楚，這個(gè)后綴表示一個(gè)KHR擴(kuò)展。Vulkan API 是平臺無關(guān)的， 所以需要一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的 WSI (Window System Interface) 擴(kuò)展來和窗口系統(tǒng)進(jìn)行交互。Surface是一個(gè)window渲染目標(biāo)的抽象，創(chuàng)建時(shí)需要一個(gè)native窗口的句柄（和openGL完全一樣）。Swap chain是渲染一系列渲染目標(biāo)（render target）的集合。他本來是保證我們渲染的image和屏幕上顯示的image不是同一個(gè)（openGL雙緩沖模型，目的是減少渲染時(shí)屏幕閃爍）。除了經(jīng)典的雙緩沖模型，還有三緩沖模型等。

4. Image views and framebuffers

在從swap chain獲得image之后，我們應(yīng)該繪制它。為了繪制image，我們需要把這個(gè)image用 VkImageView 以及 VkFramebuffer進(jìn)行包裝。VkImageView 指向被使用的 image ，而 VkFramebuffer 指向具體作為顏色、模板、深度目標(biāo)的VkImageView。Swap chain中可能存在很多iamge，每個(gè)都需要創(chuàng)建image view還有framebuffer。在渲染時(shí)，我們需要選擇正確的image進(jìn)行繪制。

5. Render passes

Vulkan中的Render Pass描述了渲染過程中的image類型以及這些image包括他們的內(nèi)容會如何被使用，在我們這個(gè)Hello Triangle程序中，我們只使用一個(gè)image作為顏色目標(biāo)，并且在渲染前這個(gè)image的類型會被清除成一個(gè)固定的顏色。Render Pass只描述了image的類型，而VkFramebuffer才是真正綁定該image的對象。

6. Graphics pipeline

Vulkan中通過創(chuàng)建VkPipeline對象來創(chuàng)建graphics pipeline，它用來描述顯卡各個(gè)渲染階段的參數(shù)，比如viewport的長寬、如何使用深度緩沖，以及用VkShaderModule詳細(xì)描述的可編程管線的狀態(tài)。Vulkan和其他圖形API有個(gè)顯著區(qū)別，就是的幾乎所有配置都需要提前創(chuàng)建。即便是更換一個(gè)shader或者改變定點(diǎn)參數(shù)的布局（vertex layout），你都需要完全從新graphics pipeline創(chuàng)建一個(gè)graphics pipeline。這也意味著你需要創(chuàng)建大量的VkPipeline對象，來覆蓋你渲染過程中的各種graphics pipeline變化，只有改變viewport或者改變clear color不需要重新生成graphics pipeline。但是正因?yàn)殇秩竟芫€各階段都提前準(zhǔn)備了，而不是運(yùn)行時(shí)生成，驅(qū)動可以更好的執(zhí)行優(yōu)化。

7. Command pools and command buffers

前文中已經(jīng)提到了，Vulkan中的各種操作，都需要靠提交到一個(gè)命令隊(duì)列(queue）的方式進(jìn)行異步執(zhí)行。而在提交到命令隊(duì)列之前，需要在VkCommandBuffer中進(jìn)行記錄。命令緩沖和一個(gè)VkCommandPool關(guān)聯(lián)，而VkCommandPool又和queue family關(guān)聯(lián)。即便只畫一個(gè)簡單的三角形，我們也需要生成如下的command buffer：
Begin the render pass Bind the graphics pipeline Draw 3 vertices End the render pass 因?yàn)閒ramebuffer中的image由swap chain決定，每個(gè)可能的iamge都需要一個(gè)command buffer，這就需要創(chuàng)建大量的command buffer。也可以每幀重新生成command buffer，但是效率會低很多。

8. Main loop

在command buffer準(zhǔn)備好了之后，主循環(huán)就簡單多了。我們先使用vkAcquireNextImageKHR方法得到一個(gè)image。然后選擇合適的command buffer再使用vkQueueSubmit執(zhí)行。最后使用vkQueuePresentKHR方法向swap chain傳遞我們準(zhǔn)備在屏幕上顯示的image。另外需要注意的是提交到命令隊(duì)列的命令是異步的，因此保證運(yùn)行順序，就是開發(fā)者的工作了。vulkan提供了用來同步的對象，比如semaphore，fence等。我們可以使用這些同步對象來保證運(yùn)行的正確順序。

總結(jié)

總而言之，畫三角需要如下的步驟：

創(chuàng)建 VkInstance

創(chuàng)建 VkPhysicalDevice

創(chuàng)建 VkDevice 以及 VkQueue

創(chuàng)建 window, window surface 以及 swap chain

使用 VkImageView 包裝swap chain中的images

創(chuàng)建 render pass

創(chuàng)建 framebuffers

創(chuàng)建 graphics pipeline

為每個(gè)可能用到的image創(chuàng)建command buffer，并記錄draw commands

通過獲取image，向image繪制，提交到swap chain的方式來繪制一幀

Vulkan Layers

Vulkan作為高性能API，為了降低驅(qū)動開銷，只提供了非常有限的錯(cuò)誤檢查。如果默認(rèn)情況下，它只包含非常有限的錯(cuò)誤檢查和調(diào)試功能。如果發(fā)生了錯(cuò)誤，驅(qū)動會直接崩潰，而不是返回錯(cuò)誤信息，或者顯示異常等。

Vulkan允許您通過一個(gè)名為Validation Layer的特性進(jìn)行通用的檢查。Validation Layer是可以插入到API和圖形驅(qū)動程序之間的代碼片段，用于執(zhí)行額外的函數(shù)參數(shù)檢查和跟蹤內(nèi)存管理問題。好處是，您可以在開發(fā)過程中啟用它們，然后在釋放應(yīng)用程序時(shí)完全禁用它們，而開銷為零。任何人都可以編寫自己的驗(yàn)證層，但是LunarG的Vulkan SDK提供了一組標(biāo)準(zhǔn)的驗(yàn)證層，另外還需要注冊一個(gè)回調(diào)函數(shù)來接收來自Validation Layer的調(diào)試消息。

因?yàn)閂ulkan實(shí)際上對于每一個(gè)步驟是非常明確的，所以相比于OpenGL，我們可以更快速的找出出錯(cuò)的地方。

而Google也提供了一些Validation Layers幫助我們做這些事情，如果要在項(xiàng)目中使用它們，只要修改gradle的構(gòu)建，或者將二進(jìn)制文件手動的添加到項(xiàng)目的JNI庫目錄里，這些so可以在ndk的以下目錄找到：

${your-ndk-dir}/sources/third_party/vulkan/src/build-android/jniLibs
sourceSets {
main {
jniLibs {
srcDir "${your-ndk-dir}/sources/third_party/vulkan/src/build-android/jniLibs"
}
}
}