Vulkan-性能及精细化

Vulkan是新一代的图形显示API。也有业界称之为“下一代的OpenGL”，不言而喻人们也总喜欢拿Vulkan和OpenGL（已经经历了20年之久的非常成熟的当代图形API的大成者）作对比以突出其在某些场景下的优势。

Vulkan--API设计哲学

• Explicit（明确、透明）：GPU Driver做更少的事情，把更多的控制权交给开发

• Streamlined（精简）：更快的性能，更低的开销，更少的延

• Portable（可移植）：Cloud, desktop, console, mobile and embedde

• Extensible （可扩展）：支持新功能的扩展，推动行业技术进

再用一句话概括下，Vulkan是下一代高性能及精细化控制的开放的跨平台的图形API。下面我们也会围绕这句总结展开来说。

开放

Vulkan是由Khronos Group组织发布的跨平台图像渲染引擎，该组织还发布了诸如OpenGL、OpenGL ES、WebGL等图形API。Vulkan脱胎于Mantle，其包含部分Mantle组件；Mantle是面向3D游戏的新一代图形渲染 API， 可以让开发人员直接操作GPU的底层硬件，从而提高硬件利用率和游戏性能。 但遗憾的是因为AMD行业影响力不足， Mantle并没有成为全行业的标准。

然而微软参考AMD Mantle的思路开发了DirectX 12， 苹果则提出了Metal。2015年Khronos从AMD接过Mantle并孵化出后来的Vulkan，并推动Vulkan的大力发展。Vulkan的开发者来自图形领域的各行各业，有GPU厂商，有系统厂商，有游戏引擎厂商

 

跨平台

Vulkan的开发者来自图形领域的各行各业，有GPU厂商，有系统厂商，有游戏引擎厂，所以与生俱来的属性就是跨平台，以全行业的统一标准为终极目标。其支持桌面、移动设备、游戏主机、嵌入式等等。

精细化控制

传统的图形API，驱动是个大包大揽的角色，驱动程序会跟踪对象状态，会帮你做API验证，内存管理，线程管理等大部分工作。驱动帮开发者隐藏了很多底层细节，当然这样对开发者来说是个福音，因为以开发者的视角看这样操作起来简单，不需要考虑太多底层的实现及错误处理。驱动甚至在api调用出错的时候都能帮助处理，保证应用正常运行。但是为了实现这些，驱动会浪费更多的性能，应用程序经过调试并且正确运行时，会消耗宝贵的CPU性能，在一些复杂场景和极致的性能体验场景下，这种问题会指数倍的放大而且开发者会很沮丧，因为他们能缓解这种局面的能力并不多，有时候也会非常复杂，因为驱动在不同平台和厂商下实现是不一样的。

Vulkan为了解决这个问题，提供了更显示的API，更精细化的GPU底层控制逻辑，并将驱动视为一个应用和GPU之间的桥梁，帮忙做数据通信及指令传递。Vulkan将状态跟踪、同步和内存管理交给了应用程序开发人员，甚至不包括执行期的错误检查层。一旦API使用出错，应用就会出现crash。没人帮应用兜底，所有事情都交由应用打理。驱动层干的事情少了，隐藏的 bug 也就少了。

Vulkan让程序有更多的权限和责任自主的处理调度和优化，而不依赖于驱动尝试在后台的优化。但对于开发者其使用的复杂度也就变高了，并且在一定程度上稳定性降了。

虽然这种方式无疑增加了API使用的复杂度和困难度，但换来的是性能上巨大的提升。单单是在驱动中去掉API验证，就把性能提升了9倍。

性能

多线程

Vulkan基于Queue的API设计对多线程非常友好，同时也提供了多种Synchronization的方法。常见的并行方法有两种，第一种是在CPU端并行的更新Buffer中的数据。这里要注意的是，多线程的情况下更新资源要保证安全。第二种是并行的方式带来的性能提升更加显著，尤其是在渲染非常复杂的场景。

第一种如果你的程序渲染的非常高效，同时在CPU端需要处理好几帧的数据，所以程序可以用Round Robin的方法更新并且使用这些资源。这个时候要保证安全的更新资源。Vulkan的Event可以被插入在Command Buffer中，在使用指定资源的调用后面可以更高效的保正资源的安全性。

第二种并行的方式带来的性能提升更加显著，尤其是在渲染非常复杂的场景下，这也是Vulkan相比传统API提升最显著的地方，那就是并行的在不同线程上生成场景不同部分的渲染任务，并且生成自己的Command Buffer，不用任何线程间的Synchronization。最后，不同的线程可以将Command Buffer的Handle传给主线程然后由主线程将它们写入Queue中，也可以直接写入子线程中的per-thread Queue递交给GPU。给开发者提供了充分发挥CPU多核多线程的优势。在复杂场景下，性能的提升非常可观！

不过Queue的任务递交时间并不是完全可以忽略的，所以这里还是建议将Command传给主线程一起递交。这样的模式达到了计算资源利用的最大化，多个CPU核都参与了场景的渲染，并且有大量的渲染任务同时递交给GPU最大化了GPU的吞吐量。

预编译shader

驱动层不提供前端 shader 编译器。仅仅支持标准可移植中间表示二进制代码（SPIR-V），可支持AOT和运行时。既提高了执行 Shaders 的效率又添加了将来着色语言的灵活性。Vulkan也可以使用离线的shader

移动平台的支持进展

Android 7.0 添加了对 Vulkan 的支持， Q 开始将使用 vulkan 进行默认的 UI 渲染。

Flutter框架的底层图形库Skia是支持Vulcan的，Fuchsia谷歌的新一代跨平台系统也支持。