注：本文旨在记录笔者的学习过程，仅代表笔者个人的理解，如果有表述不准确的地方，欢迎各位指正！因为涉及到的概念来源自网络，所以如有侵权，也望告知！
前言
本文主要是了解一下Metal的基础知识以及使用方式。
正文
Metal的相对优势
Metal同样是一个兼顾图形与计算功能的，面向底层、低开销的硬件加速应用程序接口，与OpenGL ES类似，但是由于Metal是苹果自身研发的框架，在苹果设备上相对于OpenGL ES存在以下优势：
1、非常低的CPU开销。Metal的设计是为了减少或消除许多cpu端性能瓶颈。
2、最优的GPU的性能。Metal允许您创建和提交命令给GPU。
3、持续的并行处理。Metal的设计是为了最大化CPU和GPU并行性。
4、高效的资源管理。Metal针对资源对象提供了很多简单而强大的功能接口。
Metal图形渲染管线
Metal命令对象之间的关系
想要通过Metal创建和提交命令给GPU进行处理，就必须按照Metal规则进行命令对象的处理。如图所示：
1) 命令缓存区(command buffffer) 是从命令队列(command queue) 创建的。
2) 命令编码器(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执⾏命令并将结果呈现为可绘制。
Metal简单实践
接下来我们看一下如何通过Metal渲染这样一个三角形。
1、xcode配置
新建xcode项目，将Main.storyboard中ViewController的view类型改为MTKView。
2、在ViewController.m中初始化MTKView及对应的Render类，并将Render设置为MTKView的代理。
#import "ViewController.h"
@import MetalKit;
#import "JDRender.h"
@interface ViewController () {
MTKView *_mtkView;
JDRender *_render;
}
@end
@implementation ViewController
- (void)viewDidLoad {
[super viewDidLoad];
_mtkView = (MTKView *)self.view;
_mtkView.device = MTLCreateSystemDefaultDevice();
if (!_mtkView.device) {
NSLog(@"Metal is not supported on this device");
return;
}
_render = [[JDRender alloc] initWithMetalKitView:_mtkView];
if (!_render) {
NSLog(@"Renderer failed initialization");
return;
}
[_render mtkView:_mtkView drawableSizeWillChange:_mtkView.drawableSize];
_mtkView.delegate = _render;
}
@end
3、Render类实现
苹果文档建议，职责分离，单独封装视图渲染管理类，所以这里的Render类主要职责就是负责MTKView的内容渲染。
a、初始化
#import "JDRender.h"
@implementation JDRender {
// 我们用来渲染的设备(又名GPU)
id<MTLDevice> _device;
// 我们的渲染管道有顶点着色器和片元着色器 它们存储在.metal shader 文件中
id<MTLRenderPipelineState> _pipelineState;
// 命令队列,从命令缓存区获取
id<MTLCommandQueue> _commandQueue;
// 当前视图大小,这样我们才可以在渲染通道使用这个视图
vector_uint2 _viewportSize;
}
- (instancetype)initWithMetalKitView:(MTKView *)mtkView {
if (self = [super init]) {
// 1.获取GPU 设备
_device = mtkView.device;
// 2.在项目中加载所有的(.metal)着色器文件
// 从bundle中获取.metal文件
id<MTLLibrary> defaultLibrary = [_device newDefaultLibrary];
// 从库中加载顶点函数
id<MTLFunction> vertexFunction = [defaultLibrary newFunctionWithName:@"vertexShader"];
// 从库中加载片元函数
id<MTLFunction> fragmentFunction = [defaultLibrary newFunctionWithName:@"fragmentShader"];
// 3.配置用于创建管道状态的管道
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 = vertexFunction;
// 可编程函数,用于处理渲染过程中各个片段/片元
pipelineStateDescriptor.fragmentFunction = fragmentFunction;
// 一组存储颜色数据的组件
pipelineStateDescriptor.colorAttachments[0].pixelFormat = mtkView.colorPixelFormat;
// 4.同步创建并返回渲染管线状态对象
NSError *error = nil;
_pipelineState = [_device newRenderPipelineStateWithDescriptor:pipelineStateDescriptor error:&error];
// 判断是否返回了管线状态对象
if (!_pipelineState)
{
// 如果我们没有正确设置管道描述符，则管道状态创建可能失败
NSLog(@"Failed to created pipeline state, error %@", error);
return nil;
}
// 5.创建命令队列
_commandQueue = [_device newCommandQueue];
}
return self;
}
b、- (void)mtkView:(nonnull MTKView *)view drawableSizeWillChange:(CGSize)size代理实现，主要用于调整视口大小。
// 每当视图改变方向或调整大小时调用
- (void)mtkView:(nonnull MTKView *)view drawableSizeWillChange:(CGSize)size {
// 保存可绘制的大小，因为当我们绘制时，我们将把这些值传递给顶点着色器
_viewportSize.x = size.width;
_viewportSize.y = size.height;
}
c、- (void)drawInMTKView:(nonnull MTKView *)view代理实现，主要完成创建和提交命令给GPU进行处理，实现内容的绘制。
// 每当视图需要渲染帧时调用
- (void)drawInMTKView:(nonnull MTKView *)view {
// 1.顶点数据/颜色数据
static const CCVertex triangleVertices[] =
{
// 顶点,RGBA颜色值
{ { 0.5, -0.25, 0.0, 1.0 }, { 1, 0, 0, 1 } },
{ { -0.5, -0.25, 0.0, 1.0 }, { 0, 1, 0, 1 } },
{ { -0.0f, 0.25, 0.0, 1.0 }, { 0, 0, 1, 1 } },
};
// 2.为当前渲染的每个渲染传递创建一个新的命令缓冲区
id<MTLCommandBuffer> commandBuffer = [_commandQueue commandBuffer];
// 指定缓存区名称
commandBuffer.label = @"MyCommand";
// 3.获取渲染描述
// MTLRenderPassDescriptor:一组渲染目标，用作渲染通道生成的像素的输出目标。
MTLRenderPassDescriptor *renderPassDescriptor = view.currentRenderPassDescriptor;
//判断渲染目标是否为空
if(renderPassDescriptor != nil)
{
// 4.创建渲染命令编码器,这样我们才可以渲染到something
id<MTLRenderCommandEncoder> renderEncoder =[commandBuffer renderCommandEncoderWithDescriptor:renderPassDescriptor];
// 渲染器名称
renderEncoder.label = @"MyRenderEncoder";
// 5.设置我们绘制的可绘制区域
/*
typedef struct {
double originX, originY, width, height, znear, zfar;
} MTLViewport;
*/
// 视口指定Metal渲染内容的drawable区域。 视口是具有x和y偏移，宽度和高度以及近和远平面的3D区域
// 为管道分配自定义视口需要通过调用setViewport：方法将MTLViewport结构编码为渲染命令编码器。 如果未指定视口，Metal会设置一个默认视口，其大小与用于创建渲染命令编码器的drawable相同。
MTLViewport viewPort = {
0.0,0.0,_viewportSize.x,_viewportSize.y,-1.0,1.0
};
[renderEncoder setViewport:viewPort];
// 6.设置当前渲染管道状态对象
[renderEncoder setRenderPipelineState:_pipelineState];
// 7.从应用程序OC 代码 中发送数据给Metal 顶点着色器 函数
// 顶点数据+颜色数据
// 1) 指向要传递给着色器的内存的指针
// 2) 我们想要传递的数据的内存大小
// 3)一个整数索引，它对应于我们的“vertexShader”函数中的缓冲区属性限定符的索引。
[renderEncoder setVertexBytes:triangleVertices length:sizeof(triangleVertices) atIndex:CCVertexInputIndexVertices];
// viewPortSize 数据
// 1) 发送到顶点着色函数中,视图大小
// 2) 视图大小内存空间大小
// 3) 对应的索引
[renderEncoder setVertexBytes:&_viewportSize length:sizeof(_viewportSize) atIndex:CCVertexInputIndexViewportSize];
// 8.画出三角形的3个顶点
// @method drawPrimitives:vertexStart:vertexCount:
// @brief 在不使用索引列表的情况下,绘制图元
// @param 绘制图形组装的基元类型
// @param 从哪个位置数据开始绘制,一般为0
// @param 每个图元的顶点个数,绘制的图型顶点数量
/*
MTLPrimitiveTypePoint = 0, 点
MTLPrimitiveTypeLine = 1, 线段
MTLPrimitiveTypeLineStrip = 2, 线环
MTLPrimitiveTypeTriangle = 3, 三角形
MTLPrimitiveTypeTriangleStrip = 4, 三角型扇
*/
[renderEncoder drawPrimitives:MTLPrimitiveTypeTriangle vertexStart:0 vertexCount:3];
// 9.表示已该编码器生成的命令都已完成,并且从NTLCommandBuffer中分离
[renderEncoder endEncoding];
// 10.一旦框架缓冲区完成，使用当前可绘制的进度表
[commandBuffer presentDrawable:view.currentDrawable];
}
// 11.最后,在这里完成渲染并将命令缓冲区推送到GPU
[commandBuffer commit];
}
4、metal文件实现
metal文件的存在，就如同GLSL着色语言，主要的区别在于，metal将着色器定义成了函数的概念。我们需要在metal文件中实现顶点函数、片元函数。
#include <metal_stdlib>
using namespace metal;
#import "JDShaderType.h"
// 顶点着色器输出和片段着色器输入
// 结构体
typedef struct
{
//处理空间的顶点信息
float4 clipSpacePosition [[position]];
//颜色
float4 color;
} RasterizerData;
//顶点着色函数
vertex RasterizerData
vertexShader(uint vertexID [[vertex_id]],
constant CCVertex *vertices [[buffer(CCVertexInputIndexVertices)]],
constant vector_uint2 *viewportSizePointer [[buffer(CCVertexInputIndexViewportSize)]])
{
/*
处理顶点数据:
1) 执行坐标系转换,将生成的顶点剪辑空间写入到返回值中.
2) 将顶点颜色值传递给返回值
*/
//定义out
RasterizerData out;
//初始化输出剪辑空间位置
out.clipSpacePosition = vertices[vertexID].position;
//把我们输入的颜色直接赋值给输出颜色. 这个值将于构成三角形的顶点的其他颜色值插值,从而为我们片段着色器中的每个片段生成颜色值.
out.color = vertices[vertexID].color;
//完成! 将结构体传递到管道中下一个阶段:
return out;
}
//当顶点函数执行3次,三角形的每个顶点执行一次后,则执行管道中的下一个阶段.栅格化/光栅化.
// 片元函数
//[[stage_in]],片元着色函数使用的单个片元输入数据是由顶点着色函数输出.然后经过光栅化生成的.单个片元输入函数数据可以使用"[[stage_in]]"属性修饰符.
//一个顶点着色函数可以读取单个顶点的输入数据,这些输入数据存储于参数传递的缓存中,使用顶点和实例ID在这些缓存中寻址.读取到单个顶点的数据.另外,单个顶点输入数据也可以通过使用"[[stage_in]]"属性修饰符的产生传递给顶点着色函数.
//被stage_in 修饰的结构体的成员不能是如下这些.Packed vectors 紧密填充类型向量,matrices 矩阵,structs 结构体,references or pointers to type 某类型的引用或指针. arrays,vectors,matrices 标量,向量,矩阵数组.
fragment float4 fragmentShader(RasterizerData in [[stage_in]])
{
//返回输入的片元颜色
return in.color;
}
