Vulkan® Barrier 详解

Vulkan® 的障碍物系统很独特，它不仅要求您提供正在转换的资源，还需要指定源和目标管线阶段。这允许对转换执行时间进行更精细地控制。然而，如果您只使用简单的方法，可能会浪费大量性能，因此今天我们将详细探讨 vkCmdPipelineBarrier。

管线概述

众所周知，GPU 是一个高度管线的设备。命令从*顶部*进入，然后顶点和片段着色等各个阶段按顺序执行。最后，当执行完成时，命令在管线的*底部*完成。

这在 Vulkan® 中通过 VK_PIPELINE_STAGE 枚举来暴露，该枚举定义为：

• TOP_OF_PIPE_BIT
• DRAW_INDIRECT_BIT
• VERTEX_INPUT_BIT
• VERTEX_SHADER_BIT
• TESSELLATION_CONTROL_SHADER_BIT
• TESSELLATION_EVALUATION_SHADER_BIT
• GEOMETRY_SHADER_BIT
• FRAGMENT_SHADER_BIT
• EARLY_FRAGMENT_TESTS_BIT
• LATE_FRAGMENT_TESTS_BIT
• COLOR_ATTACHMENT_OUTPUT_BIT
• TRANSFER_BIT
• COMPUTE_SHADER_BIT
• BOTTOM_OF_PIPE_BIT

请注意，此枚举不一定代表命令的执行顺序——有些阶段可能会合并，有些阶段可能会缺失，但总的来说，这些是命令将要经历的管线阶段。

还有三个伪阶段，它们结合了多个阶段或处理特殊访问：

• HOST_BIT
• ALL_GRAPHICS_BIT
• ALL_COMMANDS_BIT

出于本文的考虑，我们将讨论 TOP_OF_PIPE_BIT 和 BOTTOM_OF_PIPE_BIT 之间的列表。那么，在障碍物的上下文中，*源*和*目标*是什么意思？您可以将其视为“生产者”和“消费者”阶段——源是生产者，目标阶段是消费者。通过指定源和目标阶段，您告诉驱动程序在转换可以执行之前需要完成哪些操作，以及哪些操作必须尚未开始。

示例 1：一个慢速障碍物，将管线底部指定为源阶段，将管线顶部指定为目标阶段。

我们先来看最简单的情况，即一个障碍物，将 BOTTOM_OF_PIPE_BIT 指定为源阶段，将 TOP_OF_PIPE_BIT 指定为目标阶段（示例 1）。此代码的源代码大致如下：

vkCmdPipelineBarrier(
    commandBuffer,
    VK_PIPELINE_STAGE_BOTTOM_OF_PIPE_BIT, // source stage
    VK_PIPELINE_STAGE_TOP_OF_PIPE_BIT,    // destination stage
    /* remaining parameters omitted */);

此转换表示 GPU 上当前处于活动状态的所有命令都需要完成，然后执行转换，并且在转换完成之前，任何命令都不能开始。此障碍物将等待所有操作完成并阻止任何后续工作启动。这通常不是理想的，因为它引入了不必要的管线气泡。

示例 2：允许所有绿色管线阶段执行的最优障碍物。

想象一下您有一个顶点着色器，它还通过 imageStore 存储数据，并且一个计算着色器想要使用它。在这种情况下，您不希望等待后续的片段着色器完成，因为这可能需要很长时间。您真的希望计算着色器一旦顶点着色器完成就尽快开始。表达此目的的方法是将源阶段（生产者）设置为 VERTEX_SHADER_BIT，并将目标阶段（消费者）设置为 COMPUTE_SHADER_BIT（示例 2）。

vkCmdPipelineBarrier(
    commandBuffer,
    VK_PIPELINE_VERTEX_SHADER_BIT,     // source stage
    VK_PIPELINE_COMPUTE_SHADER_BIT,    // destination stage
    /* remaining parameters omitted */);

如果您写入渲染目标并在片段着色器中读取它，那么阶段将是 VK_PIPELINE_STAGE_COLOR_ATTACHMENT_OUTPUT_BIT 作为源，VK_PIPELINE_STAGE_FRAGMENT_SHADER_BIT 作为目标——这对于 G-Buffer 渲染来说很典型。对于阴影贴图，源将是 VK_PIPELINE_STAGE_LATE_FRAGMENT_TESTS_BIT。另一个典型的例子是复制数据——您通过复制产生数据，因此源阶段将设置为 VK_PIPELINE_STAGE_TRANSFER_BIT，目标设置为您需要它的阶段。对于顶点缓冲区，这将是例如 VK_PIPELINE_STAGE_VERTEX_INPUT_BIT。

总的来说，您应该尽量最大化“未阻塞”阶段的数量，即早期生成数据，晚期等待使用。从生产者方面来看，向管线底部移动总是安全的，因为您将等待越来越多的阶段完成，但这不会提高性能。同样，如果您想在目标方面感到安全，您会向上移动到管线顶部——但这会阻止更多阶段运行，因此也应该避免。

最后一点说明：如前所述，硬件可能不具备所有内部阶段，或者可能无法在指定的阶段进行信号或等待。在这些情况下，驱动程序可以自由地将您的源阶段移至管线底部，将目标阶段移至管线顶部。但这取决于实现，您不必为此担心——您的目标应该是尽可能“紧密”地设置阶段，并最小化被阻塞的阶段数量。