2024-07-16码农

一文对比了 Vulkan 和 OpenGL 的特点，重点介绍了 Vulkan 的优势体现在哪里，本文将接着介绍 Vulkan 的一些重要概念。

实例（Instance）

Vulkan 实例是 Vulkan API中的一个基本概念，它是连接 Vulkan 库和应用程序之间的桥梁，用于初始化Vulkan 库。 创建 Vulkan 实例涉及到向驱动程序提供应用程序的一些细节，如应用程序信息和引擎信息等。

在Vulkan中，实例（VkInstance）是存储所有每个应用状态的对象，应用程序必须在执行任何其他 Vulkan 操作之前创建一个 Vulkan 实例。

这个 类似于 OpenGL 的上下文概念 ，一个实例代表一整 Vulkan 环境（或上下文）。不同的 Vulkan环境能够获取到不同的 Vulkan 功能特性。

创建 VkInstance

Vulkan 编程中 ，创建一个 Vulkan 组件有一个固定的规则，首先需要设置一个创建组件信息的结构体 VkxxxCreateInfo，然后调用创建组件的 API VkCreatexxx 。

VkInstanceCreateInfo

typedefstructVkInstanceCreateInfo { VkStructureType sType; constvoid* pNext; VkInstanceCreateFlags flags; const VkApplicationInfo* pApplicationInfo; uint32_t enabledLayerCount; constchar* const* ppEnabledLayerNames; uint32_t enabledExtensionCount; constchar* const* ppEnabledExtensionNames; } VkInstanceCreateInfo;

sType 是该结构体的类型枚举值，必须是 VkStructureType::VK_STRUCTURE_TYPE_INSTANCE_CREATE_INFO 。

pNext 要么是 nullptr 要么指向其他结构体来扩展该结构体。

flags 是 VkInstanceCreateFlagBits 所表示的位域值，用于设置 VkInstance 的行为。

pApplicationInfo 要么是 nullptr，要么指向应用信息结构体，用于应用细节设置。

enabledLayerCount 激活的 layer 数量。

ppEnabledLayerNames 指向数量为 enabledLayerCount 的 layer 字符串数组，用于设置要激活的 layer。

enabledExtensionCount 激活 instance 扩展的数量。

ppEnabledExtensionNames 指向数量为 enabledExtensionCount 的扩展字符串数组，用于设置要激活的 instance 扩展。

重点讲下 VkApplicationInfo、Layer 和 Extension 。

VkApplicationInfo

VkApplicationInfo appInfo = { .sType = VK_STRUCTURE_TYPE_APPLICATION_INFO, .pNext = nullptr, .pApplicationName = "my_vulkan_app", .applicationVersion = VK_MAKE_VERSION(1, 0, 0), .pEngineName = "vulkan_tutorial", .engineVersion = VK_MAKE_VERSION(1, 0, 0), .apiVersion = VK_MAKE_VERSION(1, 0, 0), };

sType 是该结构体的类型枚举值，必须是 VkStructureType::VK_STRUCTURE_TYPE_APPLICATION_INFO 。

pNext 要么是 NULL 要么指向其他结构体来扩展该结构体。

pApplicationName 要么是 NULL 要么指向一个以空字符为结尾的 UTF-8 字符串，用于表示用户自定义应用名称。

applicationVersion 一个无符号整型，用于用户自定义应用版本。

pEngineName 要么是 nullptr 要么指向一个以空字符为结尾的 UTF-8 字符串，用于表示用户自定义引擎名称。

engineVersion 一个无符号整型，用于用户自定义引擎版本。

apiVersion 是应用打算使用的 Vulkan 的最高核心版本，并且忽略 apiVersion 的 patch 版本 。

其中 pApplicationName 、 applicationVersion 、 pEngineName 和 engineVersion 这几个值随便设置，甚至可以不设置，赋为空都可以，这些参数不影响实例的创建。

而 apiVersion 参数是最为重要的核心参数，当创建实例时，该参数用于指定此实例环境中 Vulkan 的核心版本。

如果你 Vulkan 版本设置错了，可能没法使用一些特性。

Vulkan API 的最新版本是 1.3，目前 Vulkan 有 4 个版本：

Vulkan 1.0 主要提供光栅化图形和并行计算的功能。对应 VK_API_VERSION_1_0 。

Vulkan 1.1 主要为 Vulkan 1.0 不完善的地方进行补全。对应 VK_API_VERSION_1_1 。

Vulkan 1.2 主要提供硬件光追的功能。对应 VK_API_VERSION_1_2 。

Vulkan 1.3 主要提供动态光栅化图形的功能。对应 VK_API_VERSION_1_3 。

每个 Vulkan 新版本的发布不单单提供基本功能，还会提供一系列扩展功能，并且会将之前版本中的一些扩展功能提升囊括至核心版本中。

Layer

Vulkan 的 Layer（层）是一种重要的机制，允许开发者在 Vulkan API 的核心功能上插入额外的功能和工具。

Layer 主要的特点是模块化，可以根据需要加载和卸载，开发者可以选择在应用程序初始化时启用哪些层。

常用作正确性验证检查。 比如你添加了验证层 VK_LAYER_KHRONOS_validation ，如果在执行阶段发生了使用错误， Layer 会输出错误信息，帮助开发者定位错误。

目前 Vulkan 支持的层如下：

VK_LAYER_KHRON OS_validation Vulkan API 验证和错误检查。

VK_LAYER_LUNARG_gfxreconstruct 使用 GFXReconstruct 捕获应用的 Vulkan 指令。

VK_LAYER_LUNARG_api_dump 输出调用的 API 和传入的参数。

VK_LAYER_KHRONOS_profiles 帮助测试硬件的性能，而不需要物理接触每个设备。该层将会覆盖从 GPU 查询到的数据。

VK_LAYER_LUNARG_monitor 在应用界面的标题处显示帧率。

VK_LAYER_LUNARG_screenshot 将显示的画面帧输出到一个图片文件中。

VK_LAYER_KHRONOS_synchronization2 使用系统实现的 VK_KHR_synchronization2 扩展，而不是驱动实现的。

VK_LAYER_KHRONOS_shader_object 使用系统实现的 VK_EXT_shader_object 扩展，而不是驱动实现的。

可以通过 vkEnumerateInstanceLayerProperties函数获取系统中 Vulkan 支持的 Layer ：

uint32_t layer_property_count = 0; vkEnumerateInstanceLayerProperties(&layer_property_count, nullptr); std::vector<VkLayerProperties> layer_properties(layer_property_count); vkEnumerateInstanceLayerProperties(&layer_property_count, layer_properties.data());

思考：vkEnumerateInstanceLayerProperties 这个函数为什么调用了 2 次？
其中 VkLayerProperties 定义如下：

// 由 VK_VERSION_1_0 提供 typedefstructVkLayerProperties { char layerName[VK_MAX_EXTENSION_NAME_SIZE]; uint32_t specVersion; uint32_t implementationVersion; char description[VK_MAX_DESCRIPTION_SIZE]; } VkLayerProperties;

Extension

Vulkan Extensions（扩展）是对 Vulkan API 的功能扩展，它们允许硬件制造商、平台开发者和第三方提供额外的功能和特性，这些功能和特性不包含在核心 Vulkan 规范中。

在 Vulkan 中有两类扩展：

Instance 扩展与使用哪一个 GPU 设备无关，与 Vulkan 环境有关。 VkInstanceCreateInfo 中的 enabledExtensionCount 和 ppEnabledExtensionNames 就是用于配置此类 Instance 扩展。

Device 扩展与使用哪一个 GPU 设备有关。不同厂家的 GPU 设备会支持不同的设备扩展。这将会在之后的章节展开。

VkInstance 支持的实例扩展可以通过 vkEnumerateInstanceExtensionProperties 函数获取：

// 由 VK_VERSION_1_0 提供 VkResult vkEnumerateInstanceExtensionProperties( constchar* pLayerName, uint32_t* pPropertyCount, VkExtensionProperties* pProperties);

要想获取全部的扩展，该函数的调用与 vkEnumerateInstanceLayerProperties(...) 类似，调用两遍，第一遍 pProperties 为 nullptr ，第二遍为有效值即可：

uint32_t extension_property_count = 0; vkEnumerateInstanceExtensionProperties(nullptr, &extension_property_count, nullptr); std::vector<VkExtensionProperties> extension_properties(extension_property_count); vkEnumerateInstanceExtensionProperties(nullptr, &extension_property_count, extension_properties.data());

其中 VkExtensionProperties 定义如下：

// 由 VK_VERSION_1_0 提供 typedefstructVkExtensionProperties { char extensionName[VK_MAX_EXTENSION_NAME_SIZE];//扩展名称 uint32_t specVersion;//版本 } VkExtensionProperties;

有一些实例扩展我们需要重点关注一下

VK_KHR_surface 代表窗口通用平面扩展。

VK_{vender}_{platform}_surface 代表各个平台各自的窗口平面（各自平台适配到通用平面）。

比如

VK_KHR_win32_surface 为 Windows 平台，供应商为 Khronos 。

VK_OHOS_surface 为 OpenHarmony 平台，供应商为华为。

VK_KHR_android_surface 为 Android 平台，供应商为 Khronos 。

VK_KHR_[wayland/xcb/xlib]_surface 为 Linux 平台（其中 [wayland/xcb/xlib] 表示三者其一），供应商为 Khronos 。

创建 Instance 示例：

VkInstance instance = nullptr; std::vector<constchar*> instance_extensions; instance_extensions.push_back("VK_KHR_surface"); instance_extensions.push_back("VK_KHR_android_surface");//Android //如果是 WIndow 平台使用 VK_KHR_win32_surface std::vector<constchar *> instance_layers; instance_layers.push_back("VK_LAYER_KHRONOS_validation");//添加验证层 VkApplicationInfo appInfo = { .sType = VK_STRUCTURE_TYPE_APPLICATION_INFO, .pNext = nullptr, .pApplicationName = "my_vulkan_app", .applicationVersion = VK_MAKE_VERSION(1, 0, 0), .pEngineName = "example", .engineVersion = VK_MAKE_VERSION(1, 0, 0), .apiVersion = VK_MAKE_VERSION(1, 0, 0), }; VkInstanceCreateInfo instanceCreateInfo{ .sType = VK_STRUCTURE_TYPE_INSTANCE_CREATE_INFO, .pNext = nullptr, .pApplicationInfo = appInfo, .enabledLayerCount = static_cast<uint32_t>(instance_layers.size()), .ppEnabledLayerNames = instance_layers.data(), .enabledExtensionCount = static_cast<uint32_t>(instance_extensions.size()), .ppEnabledExtensionNames = instance_extensions.data(), }; VkResult result = vkCreateInstance(&instanceCreateInfo, nullptr, &instance); if (result != VK_SUCCESS) { //VkInstance 创建失败 } // 开启 Vulkan 编程 ... vkDestroyInstance(instance, nullptr);//通过 vkDestroyInstance 函数销毁 instance