Metal中文文档：设备和命令

演示如何访问GPU并和GPU交互

概述

Metal提供对用户设备上的图像处理单元（graphics processing unit，GPU）底层低开销的访问，有效地使用GPU获得优秀的应用程序。开发一个如此这搬优秀的Metal应用的关键是理解底层的软硬件交互。

在这个例子中，你将学会如何用Metal写一个应用程序，并学会发送简单的渲染指令到GPU。重点是，你将学会如何获得一个Metal设备(MTLDevice)，如何配置一个MetalKit view(MTKView), 创建并执行GPU命令，显示渲染内容。

Metal和MetalKit框架

这个例子使用了两个框架去实现内容渲染：Metal和MetalKit。 Metal提供了访问GPU的接口，而MetalKit提供常用的Metal工具，这些工具使得开发一个Metal应用变得更加简单。系统和框架无缝地结合在一起，让你可以集中精力于GPU程序（Metal code）。

MetaKit提供一个最有用的组件之一就是类MTKView，它是对类UIView或者类NSView的封装（注：UIView/NSView是不能直接用于Metal/OpenGLES的显示输出的，必须进行一些特殊配置），并且配置好了专用于Metal的Core Animation功能。MetalKit view自动配置并管理了一个持续的渲染循环（Rendering Loop），它在每一帧为你提供了一个2D的可显示的资源，也就是drawable（注：drawable是指view.currentDrawable，用于呈现Metal的输出，你才可以从屏幕看到渲染结果）。

笔记
你可以直接用Core Animation开发Metal app，它更容易、更快并且更加方便使用MetalKit。

分离（Separate）渲染循环

在开发一个Metal应用的时候分离你的渲染循环，把渲染循环放入一个独立的类中，这常常是很有用的。使用一个分离的类，你可以更好地管理你初始化Metal的配置代码和每一帧的Metal命令。这种架构是通过类AAPLRenderer实现的，用一个MetaKit view初始化AAPLRenderer对象，并把这个AAPLRenderer对象赋值为view的委托。

_renderer = [[AAPLRenderer alloc] initWithMetalKitView:_view];

if(!_renderer)
{
    NSLog(@"Renderer failed initialization");
    return;
}


_view.delegate = _renderer;

响应MTKView事件

对象实现了MTKViewDelegate的mtkView:drawableSizeWillChange:和drawInMTKView:方法，这些方法会通知你MetalKit view重置尺寸和绘制事件。

当窗口大小改变（macOS）或者重新布局，比如一个设备的方向改变了（iOS和tvOS）， MetalKit view会调用mtkView:drawableSizeWillChange:方法。如果需要，你可以响应view的新尺寸并且改变你的渲染分辨率（ViewPort）。

每当绘制新一帧的时候，drawInMTKView: method就会被调用，可以通过view的preferredFramesPerSecond 属性指定帧率（比如，60FPS）。这个回调通常作为开始执行你的渲染循环的主要事件（注：也就是一般就在这个回调函数里面编写每帧的渲染命令）。

Metal命令对象

一个MTLDevice对象代表一个GPU。通常，你调用MTLCreateSystemDefaultDevice()方法获得一个单一的MTLDevice对象，这个对象代表着设备上默认的GPU。一个设备对象提供关于GPU的信息，但是他的主要职能是创建其他和GPU交互的对象。

所有的应用要和GPU交互，第一个对象就是一个MTLCommandQueue对象。

_commandQueue = [_device newCommandQueue];

你使用一个MTLCommandQueue对象去创建和组织MTLCommandBuffer对象，确保他们以正确的序列发送到GPU。

在每一帧，创建一个新的MTLCommandBuffer对象，并且填充被GPU执行的命令。

id<MTLCommandBuffer> commandBuffer = [_commandQueue commandBuffer];

GPU的类型是很多的，每种类型GPU接收和解释命令的方式都不尽相同。

一个MTLCommandBuffer对象用于合并所有的命令，一起提交，但是在这之前，命令必须首先通过一个 MTLCommandEncoder对象以设备无关的方式编码。MTLCommandEncoder以及她的那些子类型之间是有少许不同的，每种类型都是用于在GPU上执行不同类型的任务。这个例子展示了MTLCommandEncoder的子类MTLRenderCommandEncoder 的用法，她将编码渲染命令到一个命令缓冲（创建她的命令缓冲）

这个例子使用了一个MTLRenderCommandEncoder对象去编码命令，渲染像素数据到MetalKit view的 drawable上。为了显示到MetalKit view，这个命令编码器必须明确关联到drawable。

要创建一个MTLRenderCommandEncoder对象，你必须首先创建一个MTLRenderPassDescriptor 对象。MTLRenderPassDescriptor是轻量级的，临时的，包含各种属性配置，使用MTLCommandBuffer 创建一个新的MTLRenderCommandEncoder对象。之后就不需要MTLRenderPassDescriptor对象了。

接着用图解法阐明Metal各个命令对象间的关系。概括如下: + 从命令队列创建命令缓冲 + 从命令缓冲创建命令编码器 + 提交并发送命令缓冲到GPU

Metal命令对象关系

准备一帧

每一帧都通过view的属性currentRenderPassDescriptor获取一个MTLRenderPassDescriptor对象。这个MTLRenderPassDescriptor对象已经预先配置好了各种属性，这些属性和view相关，有些属性则派生于view的drawable，她使得创建一个新的MTLRenderCommandEncoder对象变得容易和便利。

// Obtain a render pass descriptor, generated from the view's drawable
MTLRenderPassDescriptor *renderPassDescriptor = view.currentRenderPassDescriptor;

// If you've successfully obtained a render pass descriptor, you can render to
// the drawable; otherwise you skip any rendering this frame because you have no
// drawable to draw to
if(renderPassDescriptor != nil)
{
    id<MTLRenderCommandEncoder> renderEncoder = [commandBuffer renderCommandEncoderWithDescriptor:renderPassDescriptor];

命令编码进MTLRenderCommandEncoder对象，渲染到view的drawable。默认，创建一个 MTLRenderCommandEncoder对象时，会隐式编码进一个清理命令，GPU会在任何其他渲染命令之前执行她。在渲染循环的的一开始，就将drawable的像素更新为一个固定颜色。

Color color = [self makeFancyColor];
view.clearColor = MTLClearColorMake(color.red, color.green, color.blue, color.alpha);

完成一帧

中间，Metal应用多次调用MTLRenderCommandEncoder的方法，将渲染命令明确地编码进一个命令缓冲。当编码器完成的时候，命令缓冲还需要做最后两步：present和commit。因为GPU不直接绘制到屏幕，在完成执行渲染命令之前，她会阻止绘制像素到屏幕。你可以调用方法 presentDrawable:，去避免因为不完整的绘制造成一个糟糕的用户体验（注：看到绘制过程，闪屏），这个方法告诉Metal，在呈现到屏幕之前，先等待GPU完整渲染到drawable。

[commandBuffer presentDrawable:view.currentDrawable];

GPU不会马上执行命令。MTLRenderCommandEncoder或者MTLCommandBuffer的命令，都会在commit 方法被调用之后执行。当GPU开始执行的时候，这个drawable被清理为一个新的颜色。当GPU执行完毕的时候，渲染好的drawable被呈现到屏幕。

[commandBuffer commit];

下一步

在这个例子中，你学会了如何用Metal写一个应用，发送简单的渲染的命令到GPU。在你好，三角形这个例子中，你将学会如何在metal中渲染一个简单几何图形。

英文原文：Devices and Commands

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