1. Introducation

图形 API 是一套预定义的函数、数据结构、协议和工具的集合。它是连接应用程序和图形硬件的桥梁。

图形 API 规定了应用程序如何向 GPU 发出命令，以及 GPU 需要提供哪些功能。基于这份相同的协议， GPU 制造商和应用程序的开发者开发的产品就能兼容。

如果没有图形 API，那么意味着开发者不得不为每一款特定的 GPU 编写机器码，这是难以想象的。

通常，图形 API 通过管理以下内容，协同完成从数据到图像的转换：

  1. 资源

    • 资源指所有需要送入 GPU 处理的数据，包括几何数据（顶点、索引）、纹理、着色器程序等
    • 图形 API 提供接口，让应用程序在 GPU 上创建、填充、销毁这些资源，并管理它们在 GPU 内存中的分配与布局

  2. 着色器

    • 着色器是运行在GPU上的微型程序，是渲染管线的可编程核心
    • 图形 API 提供专用的着色器语言，并负责将开发者编写的着色器代码编译成 GPU 能理解的二进制格式，最终链接成一个完整的着色器程序供管线使用

  3. 渲染管线与状态机

    • 渲染管线是一个固定的、可配置的流水线，定义了从顶点数据到像素的处理步骤

    • 图形 API 允许开发者配置流水线。包括绑定着色器、设置固定功能状态（如深度测试、混合模式）、绑定资源（如纹理）等。这些配置构成了一个状态机，现代图形 API 往往要求开发者将大部分管线状态预先打包成一个管线状态对象，以提升效率

      广义状态机：其后续输出依赖于之前设置的上下文（状态），都可以被视为状态机。

      传统图形 API 如 OpenGL 等是一种单一的、全局的、隐式管理的巨型状态机，易用但危险，开销较大。

      而现代图形 API 如 Vulkan 将状态打散、显式化，分离成多个离散的、可预编译的状态对象（如 VkPipeline ）

  4. 命令提交与同步

    • 命名提交是 CPU 向 GPU 发送绘制指令的过程，由于 CPU 和 GPU 是独立、异步工作的，必须妥善处理它们之间的协同。
    • 图形 API 主要提供两种机制处理命令提交与同步：
      • 命令缓冲区：让 GPU 提前将一系列绘制命令录制到缓冲区中（可在多个线程上并发录制），然后高效地一次性提交给 GPU 执行
      • 同步对象：提供栅栏、信号量等工具，确保 GPU 不会在 CPU 完成数据写入前就开始读取，或者不会在上一帧完成渲染前就开始下一帧的渲染，防止数据竞争和视觉错误

传统的图形 API 如 OpenGL，DirectX11 等秉承高抽象、易用的设计哲学，在减轻开发者负担的同时也带来了不可预测的性能开销。

而现代图形 API 如 Vulkan，DirectX12，Metal，WebGPU 等要求开发者必须显式声明和管理一切，使得 CPU 的开销变得可预测。

 

2. Physical Device

在现代图形 API 中，Physical Device（物理设备）指的是图形处理器硬件——显卡。

传统图形 API 高度抽象化，由驱动程序管理底层细节（内存，同步，多 GPU 等）。而现代图形 API 将控制权交还给开发者，为了实现这一点，首先需要暴露硬件本身，Physical Device 就是这个这个暴露的接口，开发者可以查询物理设备的信息，如支持特性、资源限制等。

当查询一个 Physical Device 时，主要获取以下几类关键信息：

  1. 属性与标识：

    • 设备名称（如 “NVIDIA GeForce RTX 4080”）、供应商ID（Vendor ID)、设备ID
    • API 版本、驱动程序版本
    • 设备类型：集成显卡（INTEGRATED_GPU）、独立显卡（DISCRETE_GPU）、虚拟GPU还是CPU

  2. 功能特性

    • 图形管线特性：支持哪些着色器阶段、顶点/实现属性上限等
    • 计算能力：支持的计算着色器工作组大小等
    • 可选功能：API 核心规范只保证一个最低标准，所有的高级功能（如几何着色器，曲面细分，条件渲染，片段存储读写，光线追踪，网格着色器）都以特性或者拓展的形式给出，开发者需要显式查询并启用特定的功能
    • 纹理/缓冲区格式支持：哪些像素格式可用于渲染、采样或存储

  3. 队列家族（Queue Families）

    • 队列家族揭示了 GPU 内部的并行执行架构，一个物理设备包含多个队列家族，每个家族专精于不同类型的工作负载（图形绘制，通用计算，异步数据传输，视频编解码）
    • 查询结果包括：
      • 每个家族支持的操作类型（GRAPHICS, COMPUTE, TRANSFER, SPARSE_BINDING等）
      • 每个家族可用的队列数量，这决定了可并行提交的任务流数量
      • 每个家族是否支持与特定的显示表面进行呈现操作（Presentation）
    • 正确的队列选择是并行渲染、计算与传输重叠的关键

  4. 内存属性

    物理设备将内存组织为内存堆和内存类型：

    • 内存堆：代表物理内存池（如独立的显存、共享的系统内存）。查询会提供每个堆的大小和标志

    • 内存类型：存在于堆中，是具有特定属性组合的逻辑划分，如：

      • DEVICE_LOCAL_BIT：设备本地，访问速度最快，适合纹理和顶点缓冲区

      • HOST_VISIBLE_BIT：主机（CPU）可见，适合频繁更新的动态数据。

      • HOST_COHERENT_BIT：CPU与GPU缓存自动保持一致，简化操作但可能牺牲性能。

      • HOST_CACHED_BIT：主机端缓存，适合CPU随机读取的数据

    • 根据资源访问模式选择正确的内存类型（如将常变数据放在HOST_VISIBLE内存中，将静态纹理放在DEVICE_LOCAL内存中）是应遵循的性能优化原则

  5. 格式支持

    查询特定纹理或缓冲区格式，对于给定的像素格式（如 VK_FORMAT_R8G8B8A8_UNORM）检查其支持的特性：

    • SAMPLED_IMAGE：能否在着色器中采样。

    • STORAGE_IMAGE：能否在计算着色器中作为存储图像读写。

    • COLOR_ATTACHMENT：能否作为渲染目标。

    • BLEND：在作为渲染目标时是否支持混合

  6. 交换链支持

    此支持并非核心 API 的一部分，而是通过扩展实现。

    • 确认设备支持所需的窗口系统集成拓展（如 VK_KHR_swapchain）
    • 查询设备与特定窗口表面的兼容性，包括
      • 支持的表面格式（像素格式，色彩空间）
      • 可用的呈现模式（立即模式、垂直同步 FIFO、无撕裂的 MAILBOX 等）
      • 表面能力（最小/最大图像数量、当前交换链图像分辨率范围等）

  7. 高级架构特性

    • 多GPU支持：设备组（device groups）和链接设备（linked devices）的能力，用于协同多个GPU
    • 管线缓存：通过 pipelineCacheUUID 实现跨进程的管线缓存，加速管线创建
    • 稀疏内存：支持稀疏纹理和缓冲区，允许部分 residency 和动态映射，适用于流式加载大型纹理
    • 保守光栅化（Conservative Rasterization）、光栅顺序视图（Rasterization Order View）等高级渲染特性
    • 子组（Subgroup）操作：支持Wave操作，对计算着色器优化至关重要
    • 性能查询：支持时间戳和性能查询，用于性能分析

 

3. Logical Device