【Vulkan 入门系列】创建逻辑设备和图形、呈现队列，显示尺寸更改（三）

非典型程序猿
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在选择要使用的物理设备后，我们需要设置一个逻辑设备来与它交互。逻辑设备的创建过程类似于实例的创建过程，并描述了我们想要使用的功能。我们还需要指定要创建哪些队列，现在我们已经查询了哪些队列族可用。接下来设置调试信使，最后再来确定 Surface 的宽高来完成这一节的内容。

一、创建逻辑设备和图形、呈现队列

该函数用于创建 Vulkan 的逻辑设备（Logical Device） 并获取其图形队列和呈现队列句柄。逻辑设备是物理设备的抽象接口，负责管理资源分配和操作执行；队列则是向 GPU 提交指令的通道。

void HelloVK::createLogicalDeviceAndQueue() {
  QueueFamilyIndices indices = findQueueFamilies(physicalDevice);
  std::vector<VkDeviceQueueCreateInfo> queueCreateInfos;
  std::set<uint32_t> uniqueQueueFamilies = {indices.graphicsFamily.value(),
                                            indices.presentFamily.value()};
  float queuePriority = 1.0f;
  for (uint32_t queueFamily : uniqueQueueFamilies) {
    VkDeviceQueueCreateInfo queueCreateInfo{};
    queueCreateInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_DEVICE_QUEUE_CREATE_INFO;
    queueCreateInfo.queueFamilyIndex = queueFamily;
    queueCreateInfo.queueCount = 1;
    queueCreateInfo.pQueuePriorities = &queuePriority;
    queueCreateInfos.push_back(queueCreateInfo);
  }

  VkPhysicalDeviceFeatures deviceFeatures{};

  VkDeviceCreateInfo createInfo{};
  createInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_DEVICE_CREATE_INFO;
  createInfo.queueCreateInfoCount =
      static_cast<uint32_t>(queueCreateInfos.size());
  createInfo.pQueueCreateInfos = queueCreateInfos.data();
  createInfo.pEnabledFeatures = &deviceFeatures;
  createInfo.enabledExtensionCount =
      static_cast<uint32_t>(deviceExtensions.size());
  createInfo.ppEnabledExtensionNames = deviceExtensions.data();
  if (enableValidationLayers) {
    createInfo.enabledLayerCount =
        static_cast<uint32_t>(validationLayers.size());
    createInfo.ppEnabledLayerNames = validationLayers.data();
  } else {
    createInfo.enabledLayerCount = 0;
  }

  VK_CHECK(vkCreateDevice(physicalDevice, &createInfo, nullptr, &device));

  vkGetDeviceQueue(device, indices.graphicsFamily.value(), 0, &graphicsQueue);
  vkGetDeviceQueue(device, indices.presentFamily.value(), 0, &presentQueue);
}

1.1 获取队列族索引

通过 findQueueFamilies 函数获取物理设备支持的图形队列族和呈现队列族的索引。

QueueFamilyIndices indices = findQueueFamilies(physicalDevice);

indices 包含两个成员：

  • graphicsFamily：图形队列族索引（用于渲染指令）
  • presentFamily：呈现队列族索引（用于显示到窗口）

1.2 去重队列族

去重队列族索引。

std::set<uint32_t> uniqueQueueFamilies = {
    indices.graphicsFamily.value(), 
    indices.presentFamily.value()
};

使用 std::set 自动去重，例如：

  • 若 graphicsFamily=1, presentFamily=1 → uniqueQueueFamilies={1}
  • 若 graphicsFamily=0, presentFamily=1 → uniqueQueueFamilies={0,1}

1.3 配置队列创建信息

为每个唯一队列族生成一个队列配置结构体，后续用于设备创建。

float queuePriority = 1.0f;
for (uint32_t queueFamily : uniqueQueueFamilies) {
  VkDeviceQueueCreateInfo queueCreateInfo{};
  queueCreateInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_DEVICE_QUEUE_CREATE_INFO;
  queueCreateInfo.queueFamilyIndex = queueFamily; // 队列族索引
  queueCreateInfo.queueCount = 1;                 // 创建1个队列
  queueCreateInfo.pQueuePriorities = &queuePriority; // 队列优先级（0.0~1.0）
  queueCreateInfos.push_back(queueCreateInfo);
}
  • queueCount：从该队列族中创建的队列数量（通常每个族只需1个队列）。
  • pQueuePriorities：队列优先级（影响 GPU 调度，1.0 表示最高优先级）。

1.4 配置设备特性

启用物理设备的硬件特性（如几何着色器、宽线条支持等）。此处未启用任何特性（空结构体），表示仅依赖默认功能。

VkPhysicalDeviceFeatures deviceFeatures{};

1.5 配置逻辑设备创建信息

VkDeviceCreateInfo createInfo{};
createInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_DEVICE_CREATE_INFO;
createInfo.queueCreateInfoCount = static_cast<uint32_t>(queueCreateInfos.size());
createInfo.pQueueCreateInfos = queueCreateInfos.data(); // 队列配置
createInfo.pEnabledFeatures = &deviceFeatures;          // 设备特性
createInfo.enabledExtensionCount = static_cast<uint32_t>(deviceExtensions.size());
createInfo.ppEnabledExtensionNames = deviceExtensions.data(); // 扩展（如交换链）
// 处理验证层
if (enableValidationLayers) {
  createInfo.enabledLayerCount =  static_cast<uint32_t>(validationLayers.size());
  createInfo.ppEnabledLayerNames = validationLayers.data();
} else {
  createInfo.enabledLayerCount = 0;
}
  • ppEnabledExtensionNames：包含 VK_KHR_SWAPCHAIN_EXTENSION_NAME（交换链扩展）。
  • ppEnabledLayerNames：仅调试时启用验证层，发布时关闭以提升性能。

1.6 创建逻辑设备

VK_CHECK(vkCreateDevice(physicalDevice, &createInfo, nullptr, &device));
  • physicalDevice：之前选择的物理设备。
  • &createInfo：配置信息结构体。
  • nullptr：自定义内存分配器（通常无需指定）。
  • &device：输出逻辑设备句柄。

1.7 获取队列句柄

每个队列族可以创建多个队列。

  • 图形队列用于提交渲染命令。
  • 呈现队列用于提交图像到窗口。
vkGetDeviceQueue(device, indices.graphicsFamily.value(), 0, &graphicsQueue);
vkGetDeviceQueue(device, indices.presentFamily.value(), 0, &presentQueue);
  • device：已创建的逻辑设备。
  • queueFamilyIndex：队列族索引（来自 indices）。
  • queueIndex：队列索引（同一队列族中第几个队列，此处为 0）。
  • &graphicsQueue/&presentQueue：输出队列句柄。

1.8 关键概念

1. 逻辑设备 vs 物理设备

物理设备：硬件抽象。 逻辑设备：基于物理设备的软件接口，管理资源（缓冲区、纹理等）。

2. 队列族（Queue Families）

每个队列族支持特定类型的操作（图形、计算、传输等）。同一队列族的队列共享相同能力，但可独立提交指令。

3. 设备扩展（Device Extensions）

  • 必需扩展（如 VK_KHR_swapchain）：启用交换链功能以实现画面呈现。
  • 可选扩展（如 VK_NV_ray_tracing）：启用光线追踪等高级功能。
flowchart LR
    选择物理设备 --> 配置队列 --> 设置特性 --> 创建逻辑设备 --> 获取队列句柄

二、设置调试信使

用于在 Vulkan 中创建调试信使（Debug Messenger），用于接收并处理来自验证层（Validation Layers）的调试信息（如错误、警告、性能提示等）。调试信使是 Vulkan 调试工具链的核心组件，通过回调函数将消息传递到用户自定义的处理逻辑中。

void HelloVK::initVulkan() {
  createInstance();
  createSurface();
  pickPhysicalDevice();
  createLogicalDeviceAndQueue();
  setupDebugMessenger();
  ...
}

static VkResult CreateDebugUtilsMessengerEXT(
    VkInstance instance, const VkDebugUtilsMessengerCreateInfoEXT *pCreateInfo,
    const VkAllocationCallbacks *pAllocator,
    VkDebugUtilsMessengerEXT *pDebugMessenger) {
  auto func = (PFN_vkCreateDebugUtilsMessengerEXT)vkGetInstanceProcAddr(
      instance, "vkCreateDebugUtilsMessengerEXT");
  if (func != nullptr) {
    return func(instance, pCreateInfo, pAllocator, pDebugMessenger);
  } else {
    return VK_ERROR_EXTENSION_NOT_PRESENT;
  }
}

void HelloVK::setupDebugMessenger() {
  if (!enableValidationLayers) {
    return;
  }

  VkDebugUtilsMessengerCreateInfoEXT createInfo{};
  populateDebugMessengerCreateInfo(createInfo);

  VK_CHECK(CreateDebugUtilsMessengerEXT(instance, &createInfo, nullptr,
                                        &debugMessenger));
}

2.1 CreateDebugUtilsMessengerEXT 函数

  1. 动态加载扩展函数

vkGetInstanceProcAddr：Vulkan 核心函数，用于根据名称动态获取扩展函数的指针。

  • instance：已创建的 Vulkan 实例。
  • "vkCreateDebugUtilsMessengerEXT"：目标扩展函数名称。

PFN_vkCreateDebugUtilsMessengerEXT：函数指针类型，匹配 vkCreateDebugUtilsMessengerEXT 的签名。

  1. 检查函数有效性

如果 func 非空，可以安全调用该函数创建调试信使。如果 func 为空，表示扩展未启用或不受支持，返回 VK_ERROR_EXTENSION_NOT_PRESENT。

  1. 为何需要动态加载？

Vulkan 扩展函数（如 vkCreateDebugUtilsMessengerEXT）不在核心 API 中。直接链接会导致未实现扩展时程序崩溃，动态加载允许运行时安全检查。

2.2 setupDebugMessenger 方法

  1. enableValidationLayers 是用户控制的标志，仅在调试时启用验证层。若未启用验证层，跳过调试信使的创建以节省资源。
  2. 填充 VkDebugUtilsMessengerCreateInfoEXT 结构体。
  3. 调用 CreateDebugUtilsMessengerEXT 函数创建调试信使。

VkDebugUtilsMessengerCreateInfoEXT 结构体

typedef struct VkDebugUtilsMessengerCreateInfoEXT {
  VkStructureType                  sType;                 // 结构体类型
  const void*                      pNext;                 // 扩展链指针
  VkDebugUtilsMessengerCreateFlagsEXT flags;              // 保留字段（通常为 0）
  VkDebugUtilsMessageSeverityFlagsEXT messageSeverity;    // 消息严重性过滤
  VkDebugUtilsMessageTypeFlagsEXT    messageType;         // 消息类型过滤
  PFN_vkDebugUtilsMessengerCallbackEXT pfnUserCallback;   // 回调函数
  void*                            pUserData;             // 用户自定义数据
} VkDebugUtilsMessengerCreateInfoEXT;

三、显示尺寸更改

主要解决设备屏幕物理旋转（如手机横竖屏切换）导致的 Surface 尺寸方向不一致的问题，确保后续渲染流程使用正确的宽高比例。

void HelloVK::initVulkan() {
  createInstance();
  createSurface();
  pickPhysicalDevice();
  createLogicalDeviceAndQueue();
  setupDebugMessenger();
  establishDisplaySizeIdentity();
  ...
}

void HelloVK::establishDisplaySizeIdentity() {
  VkSurfaceCapabilitiesKHR capabilities;
  vkGetPhysicalDeviceSurfaceCapabilitiesKHR(physicalDevice, surface,
                                            &capabilities);

  uint32_t width = capabilities.currentExtent.width;
  uint32_t height = capabilities.currentExtent.height;
  if (capabilities.currentTransform & VK_SURFACE_TRANSFORM_ROTATE_90_BIT_KHR ||
      capabilities.currentTransform & VK_SURFACE_TRANSFORM_ROTATE_270_BIT_KHR) {
    // Swap to get identity width and height
    capabilities.currentExtent.height = width;
    capabilities.currentExtent.width = height;
  }

  displaySizeIdentity = capabilities.currentExtent;
}

3.1 获取 Surface 能力

VkSurfaceCapabilitiesKHR capabilities;
vkGetPhysicalDeviceSurfaceCapabilitiesKHR(physicalDevice, surface, &capabilities);

vkGetPhysicalDeviceSurfaceCapabilitiesKHR：Vulkan API，查询物理设备与 Surface 相关的能力属性，包括：

  • currentExtent：Surface 的当前像素尺寸（宽高）。
  • currentTransform：Surface 当前的几何变换（如旋转、镜像）。

3.2 提取原始宽高

记录 Surface 的原始尺寸。例如，手机竖屏时可能为 1080x1920，横屏时为 1920x1080。

uint32_t width = capabilities.currentExtent.width;
uint32_t height = capabilities.currentExtent.height;

3.3 检测旋转变换

如果 Surface 应用了 90 度或 270 度的旋转，交换宽高值。

if (capabilities.currentTransform & VK_SURFACE_TRANSFORM_ROTATE_90_BIT_KHR ||
    capabilities.currentTransform & VK_SURFACE_TRANSFORM_ROTATE_270_BIT_KHR) {
  capabilities.currentExtent.height = width;
  capabilities.currentExtent.width = height;
}

Surface 变换（Surface Transform）

表示 Surface 在物理显示设备上的几何变换（如旋转、镜像）。

常见值：

  • VK_SURFACE_TRANSFORM_IDENTITY_BIT_KHR：无旋转，逻辑尺寸=物理尺寸。
  • VK_SURFACE_TRANSFORM_ROTATE_90_BIT_KHR：顺时针旋转 90 度。
  • VK_SURFACE_TRANSFORM_ROTATE_180_BIT_KHR：顺旋转 180 度。
  • VK_SURFACE_TRANSFORM_ROTATE_270_BIT_KHR：顺时针旋转 270 度（等效逆时针 90 度）。

3.4 保存尺寸

displaySizeIdentity：存储修正后的宽高，供后续渲染流程（如交换链创建、视口设置）使用。

displaySizeIdentity = capabilities.currentExtent;
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