谈谈跨平台图形API的抽象

重归混沌

发布于 2022-11-11 01:40:09

60100

代码可运行

文章被收录于专栏：重归混沌重归混沌

运行总次数：0

代码可运行

本来按3月份的计划，是先把王者荣耀基本模式抄完，并以此为基础来抽象出一套基于Lua的通用客户端框架，然后根据需求再慢慢优化。

但是，3月底GAMES系列又出了一个新课GAMES104，《现代游戏引擎：从入门到实践》。

这门课一下子燃爆了我的兴趣，于是我决定暂停客户端框架的开发计划。学完GAMES104之后再回来继续开发客户端框架。

经过这几年的观察。我发现由于算力的缘故，很多高级的技术总是选应用于端游，然后再过很多年。才被用于手游开发（有时甚至还需要各种Trick才能跑得起来）。所以，要想学习和体验最新的引擎技术，最好还是通过端游引擎。

我打算趁着这次GAMES104的课程，写一个自己的引擎。

这个引擎应该使用最新的技术和最新的硬件特性。

这个引擎的业务逻辑语言为Lua。从表现力上讲，Lua要比C和C++强不少，虽然性能会慢一点，但是因为是实验性质的引擎，开发快反而会更重要。

这个引擎应该是跨平台的。虽然我的主要目标是端游，但是我也希望像在手机算力允许的情况下，可以在手机上玩耍。

我花了一周时间把vulkan教程上的例子抄了一遍（画一一个三角形，我竟然抄了3天半 ^_^!)。

然后就开始根据GAMES104的视频课程实现引擎了。

虽然第一版引擎以Vulkan图形API为基础，但是我还是希望能先抽象的个差不多的RHI(Render Hardware Interface), 为未来支持Direct3D和Metal打下基础。

这对我来讲很难，因为我没有任何Direct3D和Metal的基础，连Vulkan也只有一个星期的经验。

我还是想试一下。

一个最容易想到的方案是，为所有图形API设计相同的接口和相同的导出结构，然后使用宏来切换平台,这也正是RHI的表面含义.

伪码如下：

//-----rhi/texture.h------
namespace rhi {
    gpu_handle texture_create();
    texture_destroy(gpu_handle handle);
}
//-----rhi/texture.cpp-------
#ifdef RHI_VULKAN
#include "vulkan/texture.cpp"
#elseif RHI_DIRECT3D
#include "direct3d/texture.cpp"
#elseif RHI_METAL
#include "metal/texture.cpp"
#endif
//-----render/texture2d.h
namespace render {
    class texture2d {
    public:
        texture2d() {
            gpu_texture = texture_create();
        }
        ~texture2d() {
            texture_destroy(gpu_texture);
        }
    private:
        gpu_handle gpu_texture;
        int width;
        int height;
    }
}COPY

但是这么做会有一些令人纠结的问题。

以texture2d为例，在Vulkan层面去使用texture时，部分情况是需要用到width和height，write_enable，filter_mode等属性，这时需要如何去获取这些属性。

这时有三种方案：

第一种方案：在调用rhi::texture_create()时把所有需要用到的参数都传递过去，然后Vulkan层在内部保存供后面使用。这样做有两个坏处：数据冗余严重、需要额外的代码来将texture2d和gpu_texture之间的属性进行同步。
第二种方案：在调用rhi::texture_create()时，直接把texture2d的this指针传递进去，Vulkan层在内部将gpu_texture和this进行绑定。Vulkan层在内部操作gpu_texture时可以通过这种绑定关系，查询到texture2d的指针，并读取相关设置信息。这么做同样也有坏处，首先是会产生循环引用，在render层textuer_2d引用了gpu_texture, 在vulkan层gpu_texture又引用了texture2d，然后是，因为rhi::texture_create的参数有了类型，那么就需要为每一种texture(textur2d, texture3d, cubemap)等添加一个texture_create/texture_destroy接口。
第三种方案：在第二种方案的基础上，可以通过去掉gpu_handle的存在，来切断循环引用。

伪码如下：

//-----rhi/texture.h------
namespace rhi {
    bool texture_create(texture2d *tex);
    void texture_destroy(texture2d *tex);
}
//-----rhi/texture.cpp-------
#ifdef RHI_VULKAN
#include "vulkan/texture.cpp"
#elseif RHI_DIRECT3D
#include "direct3d/texture.cpp"
#elseif RHI_METAL
#include "metal/texture.cpp"
#endif
//-----render/texture2d.h
namespace render {
    class texture2d {
    public:
        texture2d() {
            rhi::texture_create(this);
        }
        ~texture2d() {
            rhi::texture_destroy(this);
        }
    private:
        int width;
        int height;
    }
}COPY

当调用rhi::texture_create时，Vulkan层会创建一个texture的GPU资源，并这份GPU资源和texture2d指针进行绑定，但是这种绑定并不导出到外部接口使用。

后续操作某个GPU资源时，直接使用texture2d指针即可。

至于绑定方式，可以有多种多样，最简单直接方式就是使用unordered_map（显然性能并不会太高）。

第三种方案和第二种方案有一个通病，就是一个texture2d资源同时需要至少两个对象来表示，render层的texture2d和vulkan层的gpu_texture2d, 这会造成内存碎片问题。

花了2周时间反复重构了多次，都不太满意。

在重构过程中，我想到了一个全新的思路。

伪码如下：

//-----render/texture2d.h
namespace render {
    class texture2d {
    pubilc:
    static texture2d *create(int width, int height);
    static void destroy(texture2d *tex);
    protected:
        texture2d() {}
        ~texture2d() {}
    protected:
        gpu_handle gpu_texture;
        int width;
        int height;
    }
}

//-----vulkan/vk_texture2d.h
namespace vulkan {
    class vk_texture2d : public render::texture2d {
    public:
        vk_texture2d(int width, int height) : texture2d() {
            //todo some gpu create
        }
        ~vk_texture2d() {
            ~texture2d()
            //release some gpu resource
        }
    private:
        //some GPU-related resource
    }
}

//-----vulkan/vk_factory.h
namespace render {
    texture2d *texture2d::create(int width, int height) 
    {
        return new vk_texture2d(width, height);
    }
    void texture2d::destroy(texture2d *tex)
    {
        delete (vk_texture2d *)tex;
    }
}COPY