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Vulkan 验证层

Vulkan 验证层，Vulkan API的设计核心是尽量最小化驱动程序的额外开销，所谓额外开销更多的是指向渲染以外的运算。其中一个具体的表现就是默认条件下，Vulkan API的错误检查的支持非常有限。即使遍历不正确的值或者将需要的参数传递为空指针，也不会有明确的处理逻辑，并且直接导致崩溃或者未定义的异常行为。之所以这样，是因为Vulkan要求每一个步骤定义都非常明确，导致很容易造成小错误，例如使用新的GPU功能，但是忘记了逻辑设备创建时请求它。

什么是验证层

但是，这并不意味着这些检查不能添加到具体的API中。Vulkan推出了一个优化的系统，这个系统称之为Validation layers。Validation layers是可选组件，可以挂载到Vulkan函数中调用，以回调其他的操作。Validation layers的常见操作情景有:

  • 根据规范检查参数数值，最终确认是否存与预期不符的情况
  • 跟踪对象的创建和销毁，以查找是否存在资源的泄漏
  • 跟踪线程的调用链，确认线程执行过程中的安全性
  • 将每次函数调用所使用的参数记录到标准的输出中，进行初步的Vulkan概要分析

以下示例代码是一个函数中应用Validation layers的具体实现:

VkResult vkCreateInstance(
    const VkInstanceCreateInfo* pCreateInfo,
    const VkAllocationCallbacks* pAllocator,
    VkInstance* instance) {

    if (pCreateInfo == nullptr || instance == nullptr) {
        log("Null pointer passed to required parameter!");
        return VK_ERROR_INITIALIZATION_FAILED;
    }

    return real_vkCreateInstance(pCreateInfo, pAllocator, instance);
}

这些Validation layers可以随意的堆叠到Vulkan驱动程序中，如果有必要，你甚至可以包含所有的debug功能。可以简单的开启Validation layers的debug版本，并在release版本中完全禁止，从而为您提供理想的两个版本。

Vulkan没有内置任何Validation layers，但是LunarG Vulkan SDK提供了一系列layers用于检测常规的错误异常。他们是完全OpenSource的，所以你可以根据你需要的检测需求应用具体的Validation layers。使用Validation layers是最佳的方式避免你的应用程序在发生未知的行为时收到影响，甚至中断。

Vulkan只能使用已经安装到系统上下文的Validation layers。例如，LunarG Validation layers仅在安装了Vulkan SDK的PC上可用。

在之前的Vulkan版本中有两种不同类型的Validation layers，分别应用于 instance 和 device specific。这个设计理念希望instance层只会验证与全局Vulkan对象(例如Instance)有关的调用，而device specific层只是验证与特定GPU相关的调用。device specific层已经被废弃，这意味着instance层的Validation layers将应用所有的Vulkan调用。出于兼容性的考虑，规范文档仍然建议在device specific层开启Validation layers，这在某些情景下是有必要的。我们将在logic device层指定与instance相同的Validation layers,稍后会看到。

使用验证层

在本节中，我们将介绍如何启用Vulkan SDK提供的标准诊断层。就像扩展一样，需要通过指定具体名称来开启validation layers。SDK通过请求VK_LAYER_LUNARG_standard_validaction层，来隐式的开启有所关于诊断layers，从而避免明确的指定所有的明确的诊断层。

首先在程序中添加两个配置变量来指定要启用的layers以及是否开启它们。我们选择基于程序是否在调试模式下进行编译。NDEBUG是C++标准宏定义，代表“不调试”。

const int WIDTH = 800;
const int HEIGHT = 600;

const std::vector<const char*> validationLayers = {
    "VK_LAYER_LUNARG_standard_validation"
};

#ifdef NDEBUG
    const bool enableValidationLayers = false;
#else
    const bool enableValidationLayers = true;
#endif

我们将添加一个新的函数checkValidationLayerSupport,检测所有请求的layers是否可用。首先使用vkEnumerateInstanceLayerProperties函数列出所有可用的层。其用法与vkEnumerateInstanceExtensionProperties相同，在Instance小节中讨论过。

bool checkValidationLayerSupport() {
    uint32_t layerCount;
    vkEnumerateInstanceLayerProperties(&layerCount, nullptr);

    std::vector<VkLayerProperties> availableLayers(layerCount);
    vkEnumerateInstanceLayerProperties(&layerCount, availableLayers.data());

    return false;
}

接下来检查validationLayers中的所有layer是否存在于availableLayers列表中。我们需要使用strcmp引入。

for (const char* layerName : validationLayers) {
    bool layerFound = false;

    for (const auto& layerProperties : availableLayers) {
        if (strcmp(layerName, layerProperties.layerName) == 0) {
            layerFound = true;
            break;
        }
    }

    if (!layerFound) {
        return false;
    }
}

return true;

现在我们在createInstance函数中使用:

void createInstance() {
    if (enableValidationLayers && !checkValidationLayerSupport()) {
        throw std::runtime_error("validation layers requested, but not available!");
    }

    ...
}

现在以调试模式运行程序，并确保不会发生错误。如果发生错误，请确保正确安装Vulkan SDK。如果没有或者几乎没有layers上报，建议使用最新的SDK，或者到LunarG官方寻求帮助,需要注册帐号。

最终，修改VkInstanceCreateInfo结构体，填充当前上下文已经开启的validation layers名称集合。

if (enableValidationLayers) {
    createInfo.enabledLayerCount = static_cast<uint32_t>(validationLayers.size());
    createInfo.ppEnabledLayerNames = validationLayers.data();
} else {
    createInfo.enabledLayerCount = 0;
}

如果检查成功，vkCreateInstance不会返回VK_ERROR_LAYER_NOT_PRESENT错误，请确保程序运行正确无误。

消息回调

比较遗憾的是单纯开启validation layers是没有任何帮助的，因为到现在没有任何途径将诊断信息回传给应用程序。要接受消息，我们必须设置回调，需要VK_EXT_debug_report扩展。

我们新增一个getRequiredExtensions函数，该函数将基于是否开启validation layers返回需要的扩展列表。

std::vector<const char*> getRequiredExtensions() {
    std::vector<const char*> extensions;

    unsigned int glfwExtensionCount = 0;
    const char** glfwExtensions;
    glfwExtensions = glfwGetRequiredInstanceExtensions(&glfwExtensionCount);

    for (unsigned int i = 0; i < glfwExtensionCount; i++) {
        extensions.push_back(glfwExtensions[i]);
    }

    if (enableValidationLayers) {
        extensions.push_back(VK_EXT_DEBUG_REPORT_EXTENSION_NAME);
    }

    return extensions;
}

GLFW的扩展总是需要的，而debug report扩展是根据编译条件添加。与此同时我们使用VK_EXT_DEBUG_REPORT_EXTENSION_NAME宏定义，它等价字面值 “VK_EXT_debug_report”，使用宏定义避免了硬编码。

我们在createInstance函数中调用:

auto extensions = getRequiredExtensions();
createInfo.enabledExtensionCount = static_cast<uint32_t>(extensions.size());
createInfo.ppEnabledExtensionNames = extensions.data();

运行程序确保没有收到VK_ERROR_EXTENSION_NOT_PRESENT错误信息，我们不需要去验证扩展是否存在，因为它会被有效的validation layers引擎的验证。

现在让我们看一下callback函数的样子，添加一个静态函数debugCallback,并使用PFN_vkDebugReportCallbackEXT 原型进行修饰。VKAPI_ATTR和VKAPI_CALL确保了正确的函数签名，从而被Vulkan调用。

static VKAPI_ATTR VkBool32 VKAPI_CALL debugCallback(
    VkDebugReportFlagsEXT flags,
    VkDebugReportObjectTypeEXT objType,
    uint64_t obj,
    size_t location,
    int32_t code,
    const char* layerPrefix,
    const char* msg,
    void* userData) {

    std::cerr << "validation layer: " << msg << std::endl;

    return VK_FALSE;
}

函数的第一个参数指定了消息的类型，它可以通过一下任意标志位组合:
Vulkan Validation layers

objType参数描述作为消息主题的对象的类型，比如一个obj是VkPhysicalDevice，那么objType就是VK_DEBUG_REPORT_OBJECT_TYPE_DEVICE_EXT。这样做被允许是因为Vulkan的内部句柄都被定义为uint64_t。msg参数包含指向消息的指针。最后，有一个userData参数可将自定义的数据进行回调。

回调返回一个布尔值，表明触发validation layer消息的Vulkan调用是否应被中止。如果返回true，则调用将以VK_ERROR_VALIDATION_FAILED_EXT错误中止。这通常用于测试validation layers本身，所以我们总是返回VK_FALSE。

现在需要告知Vulkan关于定义的回调函数。也许你会比较惊讶，即使是debug 回调也需要一个明确的创建和销毁句柄的管理工作。添加一个类成员存储回调句柄，在instance下。

VkDebugReportCallbackEXT callback;

现在添加一个函数setupDebugCallback,该函数会在initVulkan函数 调用createInstance之后调用。

void initVulkan() {
    createInstance();
    setupDebugCallback();
}

void setupDebugCallback() {
    if (!enableValidationLayers) return;

}

现在我们填充有关回调的结构体详细信息:

VkDebugReportCallbackCreateInfoEXT createInfo = {};
createInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_DEBUG_REPORT_CALLBACK_CREATE_INFO_EXT;
createInfo.flags = - VK_DEBUG_REPORT_ERROR_BIT_EXT | - VK_DEBUG_REPORT_WARNING_BIT_EXT;
createInfo.pfnCallback = debugCallback;

标志位允许过滤掉你不希望的消息。pfnCallback字段描述了回调函数的指针。在这里可以有选择的传递一个pUserData指针，最为回调的自定义数据结构使用，比如可以传递HelloTriangleApplication类的指针。

该结构体应该传递给vkCreateDebugReportCallbackEXT函数创建VkDebugReportCallbackEXT对象。不幸的是，因为这个功能是一个扩展功能，它不会被自动加载。所以必须使用vkGetInstanceProcAddr查找函数地址。我们将在后台创建代理函数。在HelloTriangleApplication类定义之上添加它。

VkResult CreateDebugReportCallbackEXT(VkInstance instance, const VkDebugReportCallbackCreateInfoEXT* pCreateInfo, const VkAllocationCallbacks* pAllocator, VkDebugReportCallbackEXT* pCallback) {
    auto func = (PFN_vkCreateDebugReportCallbackEXT) vkGetInstanceProcAddr(instance, "vkCreateDebugReportCallbackEXT");
    if (func != nullptr) {
        return func(instance, pCreateInfo, pAllocator, pCallback);
    } else {
        return VK_ERROR_EXTENSION_NOT_PRESENT;
    }
}

如果函数无法加载，则vkGetInstanceProcAddr函数返回nullptr。如果非nullptr，就可以调用此函数来创建扩展对象:

if (CreateDebugReportCallbackEXT(instance, &createInfo, nullptr, &callback) != VK_SUCCESS) {
    throw std::runtime_error("failed to set up debug callback!");
}

倒数第二个参数仍然是分配器回调指针，我们仍然设置为nullptr。debug回调与Vulkan instance和layers相对应，所以需要明确指定第一个参数。现在运行程序，关闭窗口，你会在命令行看到提示信息:
validation layer: Debug Report callbacks not removed before DestroyInstance
现在Vulkan已经在程序中发现了一个错误!需要通过调用vkDestroyDebugReportCallbackEXT清理VkDebugReportCallbackEXT对象。与vkCreateDebugReportCallbackEXT类似，该函数需要显性的加载。在CreateDebugReportCallbackEXT下创建另一个代理函数。

void DestroyDebugReportCallbackEXT(VkInstance instance, VkDebugReportCallbackEXT callback, const VkAllocationCallbacks* pAllocator) {
    auto func = (PFN_vkDestroyDebugReportCallbackEXT) vkGetInstanceProcAddr(instance, "vkDestroyDebugReportCallbackEXT");
    if (func != nullptr) {
        func(instance, callback, pAllocator);
    }
}

该函数定义为类静态函数或者外部函数，我们在cleanup函数中进行调用:

void cleanup() {
    DestroyDebugReportCallbackEXT(instance, callback, nullptr);
    vkDestroyInstance(instance, nullptr);

    glfwDestroyWindow(window);

    glfwTerminate();
}

再次运行程序，会看到错误信息已经消失。如果要查看哪个调用触发了一条消息，可以向消息回调添加断点，并查看堆栈调用链。

配置

Validation layers的行为可以有更多的设置，不仅仅是VkDebugReportCallbackCreateInfoEXT结构中指定的标志位信息。浏览Vulkan SDK的Config目录。找到vk_layer_settings.txt文件，里面有说明如何配置layers。

要为自己的应用程序配置layers，请将文件赋值到项目的Debug和Release目录，然后按照说明设置需要的功能特性。除此之外，本教程将使用默认的设置。

源代码

// validation_layers.cpp
#define GLFW_INCLUDE_VULKAN
#include <GLFW/glfw3.h>

#include <iostream>
#include <stdexcept>
#include <vector>
#include <cstring>
#include <cstdlib>

const int WIDTH = 800;
const int HEIGHT = 600;

const std::vector<const char*> validationLayers = {
    "VK_LAYER_KHRONOS_validation"
};

#ifdef NDEBUG
const bool enableValidationLayers = false;
#else
const bool enableValidationLayers = true;
#endif

VkResult CreateDebugUtilsMessengerEXT(VkInstance instance, const VkDebugUtilsMessengerCreateInfoEXT* pCreateInfo, const VkAllocationCallbacks* pAllocator, VkDebugUtilsMessengerEXT* pDebugMessenger) {
    auto func = (PFN_vkCreateDebugUtilsMessengerEXT) vkGetInstanceProcAddr(instance, "vkCreateDebugUtilsMessengerEXT");
    if (func != nullptr) {
        return func(instance, pCreateInfo, pAllocator, pDebugMessenger);
    } else {
        return VK_ERROR_EXTENSION_NOT_PRESENT;
    }
}

void DestroyDebugUtilsMessengerEXT(VkInstance instance, VkDebugUtilsMessengerEXT debugMessenger, const VkAllocationCallbacks* pAllocator) {
    auto func = (PFN_vkDestroyDebugUtilsMessengerEXT) vkGetInstanceProcAddr(instance, "vkDestroyDebugUtilsMessengerEXT");
    if (func != nullptr) {
        func(instance, debugMessenger, pAllocator);
    }
}

class HelloTriangleApplication {
public:
    void run() {
        initWindow();
        initVulkan();
        mainLoop();
        cleanup();
    }

private:
    GLFWwindow* window;

    VkInstance instance;
    VkDebugUtilsMessengerEXT debugMessenger;

    void initWindow() {
        glfwInit();

        glfwWindowHint(GLFW_CLIENT_API, GLFW_NO_API);
        glfwWindowHint(GLFW_RESIZABLE, GLFW_FALSE);

        window = glfwCreateWindow(WIDTH, HEIGHT, "Vulkan", nullptr, nullptr);
    }

    void initVulkan() {
        createInstance();
        setupDebugMessenger();
    }

    void mainLoop() {
        while (!glfwWindowShouldClose(window)) {
            glfwPollEvents();
        }
    }

    void cleanup() {
        if (enableValidationLayers) {
            DestroyDebugUtilsMessengerEXT(instance, debugMessenger, nullptr);
        }

        vkDestroyInstance(instance, nullptr);

        glfwDestroyWindow(window);

        glfwTerminate();
    }

    void createInstance() {
        if (enableValidationLayers && !checkValidationLayerSupport()) {
            throw std::runtime_error("validation layers requested, but not available!");
        }

        VkApplicationInfo appInfo = {};
        appInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_APPLICATION_INFO;
        appInfo.pApplicationName = "Hello Triangle";
        appInfo.applicationVersion = VK_MAKE_VERSION(1, 0, 0);
        appInfo.pEngineName = "No Engine";
        appInfo.engineVersion = VK_MAKE_VERSION(1, 0, 0);
        appInfo.apiVersion = VK_API_VERSION_1_0;

        VkInstanceCreateInfo createInfo = {};
        createInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_INSTANCE_CREATE_INFO;
        createInfo.pApplicationInfo = &appInfo;

        auto extensions = getRequiredExtensions();
        createInfo.enabledExtensionCount = static_cast<uint32_t>(extensions.size());
        createInfo.ppEnabledExtensionNames = extensions.data();

        VkDebugUtilsMessengerCreateInfoEXT debugCreateInfo;
        if (enableValidationLayers) {
            createInfo.enabledLayerCount = static_cast<uint32_t>(validationLayers.size());
            createInfo.ppEnabledLayerNames = validationLayers.data();

            populateDebugMessengerCreateInfo(debugCreateInfo);
            createInfo.pNext = (VkDebugUtilsMessengerCreateInfoEXT*) &debugCreateInfo;
        } else {
            createInfo.enabledLayerCount = 0;

            createInfo.pNext = nullptr;
        }

        if (vkCreateInstance(&createInfo, nullptr, &instance) != VK_SUCCESS) {
            throw std::runtime_error("failed to create instance!");
        }
    }

    void populateDebugMessengerCreateInfo(VkDebugUtilsMessengerCreateInfoEXT& createInfo) {
        createInfo = {};
        createInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_DEBUG_UTILS_MESSENGER_CREATE_INFO_EXT;
        createInfo.messageSeverity = VK_DEBUG_UTILS_MESSAGE_SEVERITY_VERBOSE_BIT_EXT | VK_DEBUG_UTILS_MESSAGE_SEVERITY_WARNING_BIT_EXT | VK_DEBUG_UTILS_MESSAGE_SEVERITY_ERROR_BIT_EXT;
        createInfo.messageType = VK_DEBUG_UTILS_MESSAGE_TYPE_GENERAL_BIT_EXT | VK_DEBUG_UTILS_MESSAGE_TYPE_VALIDATION_BIT_EXT | VK_DEBUG_UTILS_MESSAGE_TYPE_PERFORMANCE_BIT_EXT;
        createInfo.pfnUserCallback = debugCallback;
    }

    void setupDebugMessenger() {
        if (!enableValidationLayers) return;

        VkDebugUtilsMessengerCreateInfoEXT createInfo;
        populateDebugMessengerCreateInfo(createInfo);

        if (CreateDebugUtilsMessengerEXT(instance, &createInfo, nullptr, &debugMessenger) != VK_SUCCESS) {
            throw std::runtime_error("failed to set up debug messenger!");
        }
    }

    std::vector<const char*> getRequiredExtensions() {
        uint32_t glfwExtensionCount = 0;
        const char** glfwExtensions;
        glfwExtensions = glfwGetRequiredInstanceExtensions(&glfwExtensionCount);

        std::vector<const char*> extensions(glfwExtensions, glfwExtensions + glfwExtensionCount);

        if (enableValidationLayers) {
            extensions.push_back(VK_EXT_DEBUG_UTILS_EXTENSION_NAME);
        }

        return extensions;
    }

    bool checkValidationLayerSupport() {
        uint32_t layerCount;
        vkEnumerateInstanceLayerProperties(&layerCount, nullptr);

        std::vector<VkLayerProperties> availableLayers(layerCount);
        vkEnumerateInstanceLayerProperties(&layerCount, availableLayers.data());

        for (const char* layerName : validationLayers) {
            bool layerFound = false;

            for (const auto& layerProperties : availableLayers) {
                if (strcmp(layerName, layerProperties.layerName) == 0) {
                    layerFound = true;
                    break;
                }
            }

            if (!layerFound) {
                return false;
            }
        }

        return true;
    }

    static VKAPI_ATTR VkBool32 VKAPI_CALL debugCallback(VkDebugUtilsMessageSeverityFlagBitsEXT messageSeverity, VkDebugUtilsMessageTypeFlagsEXT messageType, const VkDebugUtilsMessengerCallbackDataEXT* pCallbackData, void* pUserData) {
        std::cerr << "validation layer: " << pCallbackData->pMessage << std::endl;

        return VK_FALSE;
    }
};

int main() {
    HelloTriangleApplication app;

    try {
        app.run();
    } catch (const std::exception& e) {
        std::cerr << e.what() << std::endl;
        return EXIT_FAILURE;
    }

    return EXIT_SUCCESS;
}

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