Vulkan 应用程序框架原型

Vulkan 应用程序框架原型上一节中,我们创建了一个正确配置、可运行的的Vulkan应用程序,并使用测试代码进行了测试。本节中我们从头开始,使用如下代码构建一个基于GLFWVulkan应用程序原型框架的雏形。

操作系统: Windows8.1
显卡:Nivida GTX965M
开发工具:Visual Studio 2017

总体结构

在上一节中,我们创建了一个正确配置、可运行的的Vulkan应用程序,并使用测试代码进行了测试。本节中我们从头开始,使用如下代码构建一个基于GLFW的Vulkan应用程序原型框架的雏形。

#include <vulkan/vulkan.h>

#include <iostream>
#include <stdexcept>
#include <functional>

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

private:
    void initVulkan() {

    }

    void mainLoop() {

    }

    void cleanup() {

    }
};

int main() {
    HelloTriangleApplication app;

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

    return EXIT_SUCCESS;
}

首先从LunarG SDK中添加Vulkan头文件,它提供了购机爱你Vulkan应用程序需要的函数、结构体、和枚举。我们包含stdexceptiostream头文件用于抛出异常信息,而functional头文件用于资源管理部分支持lambda表达式。

程序被封装到一个类中,该类结构将会存储Vulkan私有成员对象,并添加基本的函数来初始化他们。首先会从initVulkan函数开始调用。当一切准备好,我们进入主循环开始渲染帧。我们将会加入mainLoop函数包含loop循环调用,该循环调用直到GLFW窗体管理才会停止。当窗体关闭并且mainLoop返回时,我们需要释放我们已经申请过的任何资源,该清理逻辑在cleanup函数中去定义。

程序运行期间,如果发生了任何严重的错误异常,我们会抛出std::runtime_error 并注明异常描述信息,这个异常信息会被main函数捕获及打印提示。很快你将会遇到一个抛出error的例子,是关于Vulkan应用程序不支持某个必要的扩展功能。

基本上在之后的每一个小节中都会从initVulkan函数中增加一个新的Vulkan函数调用,增加的函数会产生Vulkan objects 并保存为类的私有成员,请记得在cleanup中进行资源的清理和释放。

资源管理

我们知道通过malloc分配的每一个内存快在使用完之后都需要free内存资源,每一个我们创建的Vulkan object不在使用时都需要明确的销毁。在C++中可以利用 完成auto资源管理,但是在本节中,选择明确编写所有的内存的分配和释放操作,其主要原因是`的设计理念就是明确每一步操作,清楚每一个对象的生命周期,避免可能存在的未知代码造成的异常。

当然在本节之后,我们可以通过重载std::shared_ptr来实现auto 资源管理。对于更大体量的Vulkan程序,建议遵循RAII的原则维护资源的管理。

Vulkan对象可以直接使用vkCreateXXX系函数创建,也可以通过具有vkAllocateXXX等功能的一个对象进行分配。确保每一个对象在不使用的时候调用vkDestroyXXXvkFreeXXX销毁、释放对应的资源。这些函数的参数通常因不同类型的对象而不同,但是他们共享一个参数:pAllocator。这是一个可选的参数,Vulkan允许我们自定义内存分配器。我们将在本教程忽略此参数,始终以nullptr作为参数。

整合GLFW

如果我们开发一些不需要基于屏幕显示的程序,那么纯粹的Vulkan本身可以完美的支持开发。但是如果创建一些让人兴奋的可视化的内容,我们就需要引入窗体系统GLFW,并将#include <vulkan/vulkan.h> 进行相应的替换。

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

在新版本的GLFW中已经提供了Vulkan相关的支持,详细的使用建议参阅官方资料。
Vulkan 应用程序框架原型
通过替换,将会使用GLFWVulkan的支持,并自动加载Vulkan的头文件。在run函数中添加一个initWindow函数调用,并确保在其他函数调用前优先调用。我们将会通过该函数完成GLFW的窗体初始化工作。

void run() {
    initWindow();
    initVulkan();
    mainLoop();
    cleanup();
}

private:
    void initWindow() {

    }

initWindow中的第一个调用是glfwInit(),它会初始化GLFW库。因为最初GLFW是为OpenGL创建上下文,所以在这里我们需要告诉它不要调用OpenGL相关的初始化操作。

glfwWindowHint(GLFW_CLIENT_API, GLFW_NO_API);

特别注意窗口大小的设置,稍后我们会调用,现在使用另一个窗口提示来仅用它。

glfwWindowHint(GLFW_RESIZABLE, GLFW_FALSE);

现在剩下的就是创建实际的窗体。添加一个GLFWwindow*窗体,私有类成员存储其引用并初始化窗体:

window = glfwCreateWindow(800, 600, "Vulkan", nullptr, nullptr);

前三个参数定义窗体的宽度、高度和Title。第四个参数允许制定一个监听器来打开窗体,最后一个参数与OpenGL有关,我们选择nullptr

使用常量代替硬编码宽度和高度,因为我们在后续的内容中会引用该数值多次。在HelloTriangleApplication类定义之上添加以下几行:

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

并替换窗体创建的代码语句为:

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

你现在应该有一个如下所示的initWindow函数:

void initWindow() {
    glfwInit();

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

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

保持程序运行,直到发生错误或者窗体关闭,我们需要向mainLoop函数添加事件循环,如下所示:

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

这段代码应该很容易看懂。它循环并检查GLFW事件,直到按下X按钮,或者关闭窗体。该循环结构稍后会调用渲染函数。

一旦窗体关闭,我们需要通过cleanup函数清理资源、结束GLFW本身。

void cleanup() {
    glfwDestroyWindow(window);

    glfwTerminate();
}

运行程序,我们应该会看到一个名为Vulkan的白色窗体,直到关闭窗体终止应用程序。
Vulkan 应用程序框架原型
ok,到现在我们已经完成了一个Vulkan程序的骨架原型,在下一节我们会创建第一个Vulkan Object!

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