OpenGL ES 共享上下文实现多线程渲染

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OpenGL ES 共享上下文时，可以共享哪些资源？

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OpenGL ES 共享上下文实现多线程渲染

EGL 概念回顾

EGL 是 OpenGL ES 和本地窗口系统（Native Window System）之间的通信接口，它的主要作用：

  • 与设备的原生窗口系统通信；
  • 查询绘图表面的可用类型和配置；
  • 创建绘图表面；
  • 在OpenGL ES 和其他图形渲染API之间同步渲染；
  • 管理纹理贴图等渲染资源。

OpenGL ES 的平台无关性正是借助 EGL 实现的，EGL 屏蔽了不同平台的差异（Apple 提供了自己的 EGL API 的 iOS 实现，自称 EAGL）。

本地窗口相关的 API 提供了访问本地窗口系统的接口，而 EGL 可以创建渲染表面 EGLSurface ，同时提供了图形渲染上下文 EGLContext，用来进行状态管理，接下来 OpenGL ES 就可以在这个渲染表面上绘制。

egl、opengles 和设备之间的关系

图片中：

  • Display(EGLDisplay) 是对实际显示设备的抽象；
  • Surface（EGLSurface）是对用来存储图像的内存区域 FrameBuffer 的抽象，包括 Color Buffer（颜色缓冲区）， Stencil Buffer（模板缓冲区） ，Depth Buffer（深度缓冲区）；
  • Context (EGLContext) 存储 OpenGL ES 绘图的一些状态信息；

在 Android 平台上开发 OpenGL ES 应用时，类 GLSurfaceView 已经为我们提供了对 Display , Surface , Context 的管理，即 GLSurfaceView 内部实现了对 EGL 的封装，可以很方便地利用接口 GLSurfaceView.Renderer 的实现，使用 OpenGL ES API 进行渲染绘制，很大程度上提升了 OpenGLES 开发的便利性。

当然我们也可以自己实现对 EGL 的封装，本文就是在 Native 层对 EGL 进行封装，不借助于 GLSurfaceView ，实现图片后台渲染，利用 GPU 完成对图像的高效处理。

关于 EGL 更详细的使用结束，可以参考系列文章中的 OpenGL ES 3.0 开发（六）：EGL

共享上下文时可以共享哪些资源

共享上下文时，可以跨线程共享哪些资源？这个是本文要讲的重点。

为了照顾一些读者大人的耐心，这里直接说结论。

可以共享的资源：

  • 纹理；
  • shader；
  • program 着色器程序；
  • buffer 类对象，如 VBO、 EBO、 RBO 等 。

不可以共享的资源：

  • FBO 帧缓冲区对象（不属于 buffer 类）；
  • VAO 顶点数组对象（不属于 buffer 类）。

这里解释下，在不可以共享的资源中，FBO 和 VAO 属于资源管理型对象，FBO 负责管理几种缓冲区，本身不占用资源，VAO 负责管理 VBO 或 EBO ，本身也不占用资源。

结论说完了，将在下一节进行结论验证，我们将在主渲染线程之外开辟一个新的渲染线程，然后将主渲染线程生成的纹理、 program 等资源分享给新的渲染线程使用。

共享上下文多线程渲染

绘图1.png

本小节将在主渲染线程之外通过共享 EGLContext 的方式开辟一个新的离屏渲染线程，之后将主渲染线程生成的纹理、 program 、VBO 资源分享给新的渲染线程使用，最后将保存（新渲染线程）渲染结果的纹理返回给主线程进行上屏渲染。

共享上下文

在 EGL_VERSION_1_4 （Android 5.0）版本，在当前渲染线程直接调用 eglGetCurrentContext 就可以直接获取到上下文对象 EGLContext 。

C++ ，Java 层均有对应获取上下文对象的 API 实现：

//Java
EGL14.eglGetCurrentContext();

//C++
#include "egl.h"
eglGetCurrentContext();

我们在新线程中使用 EGL 创建渲染环境时，通过主渲染线程获取的 sharedContext 来创建新线程的上下文对象。

EGLContext context = eglCreateContext(mEGLDisplay, config,
                                              sharedContext, attrib2_list);

由于我们在新线程要渲染到屏幕外的区域，需要创建 PbufferSurface 。

EGLSurface eglSurface = eglCreatePbufferSurface(mEGLDisplay, mEGLConfig, surfaceAttribs);

国际惯例，我们将 EGL 的操作都封装到一个类 EglCore 中方便使用，具体代码可以参考文末的项目。

多线程渲染

类比 Android Java 层的 Looper 类，我们在 C++ 实现 Looper 用于创建新线程并管理线程中的消息。

class Looper {

public:
    Looper();
    Looper&operator=(const Looper& ) = delete;
    Looper(Looper&) = delete;
    virtual ~Looper();

    void postMessage(int what, bool flush = false);
    void postMessage(int what, void *obj, bool flush = false);
    void postMessage(int what, int arg1, int arg2, bool flush = false);
    void postMessage(int what, int arg1, int arg2, void *obj, bool flush = false);

    void quit();

    virtual void handleMessage(LooperMessage *msg);

private:
    void addMessage(LooperMessage *msg, bool flush);

    static void *trampoline(void *p);

    void loop(void);

    LooperMessage *head;
    pthread_t worker;
    sem_t headWriteProtect;
    sem_t headDataAvailable;
    bool running;

};

在 GLRenderLooper 类中分别定义 OnSurfaceCreated、 OnSurfaceChanged、 OnDrawFrame 用于处理对应的事件。

enum {
    MSG_SurfaceCreated,
    MSG_SurfaceChanged,
    MSG_DrawFrame,
    MSG_SurfaceDestroyed,
};

class GLRenderLooper : public Looper {
public:
    GLRenderLooper();
    virtual ~GLRenderLooper();

    static GLRenderLooper* GetInstance();
    static void ReleaseInstance();

private:
    virtual void handleMessage(LooperMessage *msg);

    void OnSurfaceCreated();
    void OnSurfaceChanged(int w, int h);
    void OnDrawFrame();
    void OnSurfaceDestroyed();

    bool CreateFrameBufferObj();

private:
    static mutex m_Mutex;
    static GLRenderLooper* m_Instance;

    GLEnv *m_GLEnv;
    EglCore *m_EglCore = nullptr;
    OffscreenSurface *m_OffscreenSurface = nullptr;
    GLuint m_VaoId;
    GLuint m_FboTextureId;
    GLuint m_FboId;
};

在函数 GLRenderLooper::OnSurfaceCreated 中，利用 sharedContext 创建 OpenGL 渲染环境。

void GLRenderLooper::OnSurfaceCreated() {

	//利用 sharedContext 创建 OpenGL 离屏渲染环境
    m_EglCore = new EglCore(m_GLEnv->sharedCtx, FLAG_RECORDABLE);
    SizeF imgSizeF = m_GLEnv->imgSize;
    m_OffscreenSurface = new OffscreenSurface(m_EglCore, imgSizeF.width, imgSizeF.height);
    m_OffscreenSurface->makeCurrent();

    glGenVertexArrays(1, &m_VaoId);
    glBindVertexArray(m_VaoId);

    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, m_GLEnv->vboIds[0]);
    glEnableVertexAttribArray(0);
    glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 3 * sizeof(GLfloat), (const void *)0);
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, GL_NONE);

    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, m_GLEnv->vboIds[1]);
    glEnableVertexAttribArray(1);
    glVertexAttribPointer(1, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, 2 * sizeof(GLfloat), (const void *)0);
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, GL_NONE);

    glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, m_GLEnv->vboIds[2]);
    GO_CHECK_GL_ERROR();
    glBindVertexArray(GL_NONE);

    if (!CreateFrameBufferObj())
    {
        LOGCATE("GLRenderLooper::OnSurfaceCreated CreateFrameBufferObj fail");
    }
}

GLRenderLooper::OnDrawFrame 函数中，绘制完成注意交换缓冲区，然后将保存绘制结果的纹理，通过回调函数传递给主线程进行上屏渲染。

void GLRenderLooper::OnDrawFrame() {
    LOGCATE("GLRenderLooper::OnDrawFrame");
    SizeF imgSizeF = m_GLEnv->imgSize;

    glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, m_FboId);
    glViewport(0, 0, imgSizeF.width, imgSizeF.height);
    glUseProgram(m_GLEnv->program);
    glBindVertexArray(m_VaoId);
    glActiveTexture(GL_TEXTURE0);
    glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, m_GLEnv->inputTexId);
    GLUtils::setInt(m_GLEnv->program, "s_TextureMap", 0);
    float offset = (sin(m_FrameIndex * MATH_PI / 80) + 1.0f) / 2.0f;
    GLUtils::setFloat(m_GLEnv->program, "u_Offset", offset);
    glDrawElements(GL_TRIANGLES, 6, GL_UNSIGNED_SHORT, (const void *)0);
    glBindVertexArray(0);
    glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, 0);
	
	//注意交换缓冲区
    m_OffscreenSurface->swapBuffers();
    glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, 0);

	//将保存绘制结果的纹理 m_FboTextureId 传递给主线程进行上屏渲染	
    m_GLEnv->renderDone(m_GLEnv->callbackCtx, m_FboTextureId);
    m_FrameIndex++;
}

回到渲染主线程，Init 时将主渲染生成的纹理、 program 、VBO 资源以及 EGLContext 传递给新线程。

m_GLEnv.sharedCtx     = eglGetCurrentContext();
m_GLEnv.program       = m_FboProgramObj;
m_GLEnv.inputTexId    = m_ImageTextureId;
m_GLEnv.vboIds[0]     = m_VboIds[0];
m_GLEnv.vboIds[1]     = m_VboIds[2];
m_GLEnv.vboIds[2]     = m_VboIds[3];
m_GLEnv.imgSize       = imgSize;
m_GLEnv.renderDone    = OnAsyncRenderDone;//主线程回调函数
m_GLEnv.callbackCtx   = this;

//将共享的资源发送给新线程
GLRenderLooper::GetInstance()->postMessage(MSG_SurfaceCreated, &m_GLEnv);

GLRenderLooper::GetInstance()->postMessage(MSG_SurfaceChanged, m_RenderImage.width, m_RenderImage.height);

主线程渲染时，首先向新线程发送渲染指令，然后等待其渲染结束，新线程渲染结束后会调用 OnAsyncRenderDone 函数通知主线程进行上屏渲染。

void SharedEGLContextSample::Draw(int screenW, int screenH)
{
	{
		//向新线程发送渲染指令，然后等待其渲染结束
		unique_lock<mutex> lock(m_Mutex);
		GLRenderLooper::GetInstance()->postMessage(MSG_DrawFrame);
		m_Cond.wait(lock);
	}

	//主线程进行上屏渲染
	glViewport(0, 0, screenW, screenH);
	glUseProgram(m_ProgramObj);
	GO_CHECK_GL_ERROR();
	glBindVertexArray(m_VaoId);
	glActiveTexture(GL_TEXTURE0);
	glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, m_FboTextureId);
	GLUtils::setInt(m_ProgramObj, "s_TextureMap", 0);
	GO_CHECK_GL_ERROR();
	glDrawElements(GL_TRIANGLES, 6, GL_UNSIGNED_SHORT, (const void *)0);
	GO_CHECK_GL_ERROR();
	glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, GL_NONE);
	glBindVertexArray(GL_NONE);

}

void SharedEGLContextSample::OnAsyncRenderDone(void *callback, int fboTexId) {
	//新线程渲染结束后会调用 OnAsyncRenderDone 函数通知主线程进行上屏渲染
	SharedEGLContextSample *ctx = static_cast<SharedEGLContextSample *>(callback);
	unique_lock<mutex> lock(ctx->m_Mutex);
	ctx->m_FboTextureId = fboTexId;
	ctx->m_Cond.notify_all();
}

最后需要注意的是：多线程渲染要确保纹理等共享资源不会被同时访问，否则会导致渲染出错。

完整代码参考下面项目，选择 Multi-Thread Render：

https://github.com/githubhaohao/NDK_OpenGLES_3_0

技术交流

技术交流/获取源码可以添加我的微信：Byte-Flow

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