Vulkan实例

RAII上下文初始化

vk::raii::Context 的作用是 初始化 Vulkan 的动态加载层(Loader)，自动加载全局函数指针，它是 RAII 封装的基础。

在C风格接口中，部分扩展函数需要通过加载函数获取函数指针，无法直接通过函数名调用。
而 vk::raii::Context 隐藏了这些加载操作，让我们可以直接调用相关类的成员函数。

我们必须初始化它，且只初始化一次
保证它的生命周期覆盖其他 Vulkan 组件
可以无参构造，不可 nullptr 构造（特殊）

根据上面的要求，我们可以将它作为成员变量，在创建类对象时自动构造并加载上下文：

private:
    /// class member
    GLFWwindow* m_window{ nullptr };
    vk::raii::Context m_context;

现在直接构建与运行程序，请保证程序不出错。

更加详细的 Loader 介绍可以参考 Vulkan-Guide [Loader] 文档。

创建实例

还需要创建一个实例来初始化 Vulkan 库，实例是您的应用程序和 Vulkan 库之间沟通的桥梁。

1. 创建成员变量和辅助函数

我们需要一个 vk::raii::Instance 对象管理 Vulkan 实例，通过辅助函数创建它：

/// class member
GLFWwindow* m_window{ nullptr };
vk::raii::Context m_context;
vk::raii::Instance m_instance{ nullptr };

void initVulkan() {
    createInstance();
}

void createInstance(){

}

之前提到大部分 raii 资源不支持无参构造，要使用 nullptr 初始化表示无资源。

2. 添加应用程序信息

然后添加应用程序信息结构体，它是可选的，但是填写它能够让驱动程序更好的进行优化。

void createInstance(){
    vk::ApplicationInfo applicationInfo( 
        "Hello Triangle",   // pApplicationName
        1,                  // applicationVersion
        "No Engine",        // pEngineName
        1,                  // engineVersion
        vk::makeApiVersion(0, 1, 4, 0)  // apiVersion
    );
}

前四个参数可以任意填写，最后一个参数是 API 版本号。具体值请参考你的 Vulkan SDK 版本，可以写的比 SDK 版本低、但不能更高。

注意到它并不是 RAII 的，因为这只是个配置信息、不含特殊资源。所以我们可以无参构造，然后直接修改成员变量，像这样：

vk::ApplicationInfo applicationInfo;
applicationInfo.pApplicationName = "xxxx";  // 可以直接修改成员变量
applicationInfo.setApplicationVersion(1);   // 也可以使用 setter 函数

setter 返回结构体对象本身，因此可以链式调用。

2. 配置基础创建信息

Vulkan 中资源的创建都依赖对应的 CreateInfo 结构体，我们必须先填写它。

vk::InstanceCreateInfo createInfo( 
    {},                 // vk::InstanceCreateFlags
    &applicationInfo    // vk::ApplicationInfo*
);

flags 参数是标志位，用于控制特殊行为，默认认初始化为空，大多时候无需修改。还有其他参数，但都提供了默认初始化，无需手动设置。

&applicationInfo 传入指针，需要注意生命周期：

CreateInfo仅用于提供配置信息。
CreateInfo在创建对应资源后就无用了。
只需要保证指针在创建对象时有效。

3. 创建实例

// 现在要求applicationInfo和createInfo还存在
m_instance = m_context.createInstance( createInfo );
// 现在不再需要createInfo和applicationInfo，可以销毁资源

创建实例失败会抛出 vk::SystemError 异常，而我们已在主函数捕获，无需在此处理。

实际创建方式有2种，构造函数和父对象成员函数。所以你还可以像这样创建：

m_instance = vk::raii::Instance( m_context, createInfo );

本文档统一使用成员函数创建子对象。

添加扩展以支持GLFW

Vulkan 是一个平台无关的 API，这意味着您需要一个扩展来处理窗口系统接口。

1. 获取所需扩展

GLFW 有一个方便的内置函数，可以返回它需要的扩展，我们可以将其传递给结构体

uint32_t glfwExtensionCount = 0;
const char **glfwExtensions = glfwGetRequiredInstanceExtensions(&glfwExtensionCount);
// 将参数包装成数组
std::vector<const char*> requiredExtensions( glfwExtensions, glfwExtensions + glfwExtensionCount );
// 使用特殊的setter，可以直接传入数组
createInfo.setPEnabledExtensionNames( requiredExtensions );

注意这里我们使用了 setPEnabledExtensionNames ，它一次性设置了2个参数，等于这样：

// 扩展的数量
createInfo.enabledExtensionCount = static_cast<uint32_t>(requiredExtensions.size());
// 扩展名数组首地址指针
createInfo.ppEnabledExtensionNames = requiredExtensions.data();

2. 特殊setter函数说明

由于数组类型传参时会隐式退化成指针，底层C风格接口都使用“开始指针+元素数量”的方式引用数组。 Vulkan-Hpp 需要调用底层C接口，所以这些配置信息采用相同的方式记录。

但 Vulkan-Hpp 提供了一些特殊的 setter 成员函数，它们通过 vk::ArrayProxyNoTemporaries 模板参数简化了数组参数的设置，这些函数能够自动处理数组参数：

接收任意连续容器（std::vector、std::array、原生数组）或初始化列表。
支持直接传入单个元素（自动包装为单元素数组）。
自动计算元素数量并设置指针，无需手动管理 ....Count 和 p....s。

实际上，每个成员变量还有自身的 setter ，他们和直接赋值是等效的。
为了方便区分，如果是单参数，本教程直接赋值而不用 setter 函数。

3. 测试与运行

现在尝试构建与运行项目，非MacOS不应该出现错误。

处理MacOS的错误

特征：err.code() 为 vk::Result::eErrorIncompatibleDriver

在使用 MoltenVK SDK 的 MacOS 上，可能抛出异常，因为 MacOS 在运行 Vulkan 时必须启用转换层扩展。

解决方案：

修改 CreateInfo
添加 vk::KHRPortabilityEnumerationExtensionName 扩展
添加 vk::InstanceCreateFlagBits::eEnumeratePortabilityKHR 标志位

通常代码可能如下所示

std::vector<const char*> requiredExtensions( glfwExtensions, glfwExtensions + glfwExtensionCount );
requiredExtensions.emplace_back(vk::KHRPortabilityEnumerationExtensionName);

createInfo.setPEnabledExtensionNames( requiredExtensions );
createInfo.flags |= vk::InstanceCreateFlagBits::eEnumeratePortabilityKHR;

现在重新尝试构建与运行项目，不应该出现错误。

检查扩展支持

创建实例时有扩展不支持会抛出异常，异常代码为 vk::Result::eErrorExtensionNotPresent 。

我们可以主动检查哪些扩展是支持的，使用 enumerateInstanceExtensionProperties 函数，会返回一个 std::vector ，表示支持的扩展类型列表。

每个 vk::ExtensionProperties 结构体包含扩展的名称和版本。我们可以用一个简单的 for 循环列出它们：

// std::vector<vk::ExtensionProperties>
const auto extensions = m_context.enumerateInstanceExtensionProperties();
std::cout << "available extensions:\n";
for (const auto& extension : extensions) {
    std::println("\t{}", std::string_view(extension.extensionName));
}

vulkan.hpp 已经附带了许多标准库头文件，比如 <string> 。本文档很可能省略这些头文件，但你仍然可以更安全的显式导入。

您可以将此代码添加到 createInstance 函数中，以查看支持的扩展列表，还可以尝试检查 GLFW 所需的扩展是否都在此列表中。

清理资源

CreateInfo和 ApplicationInfo 是简单结构，不含其他资源，自然析构即可。

C风格接口必须手动调用相关 Destroy 函数释放 VkInstance 等特殊资源。而我们使用了 vk::raii，不需要在 cleanup 中手动清理资源。

注意：

本文档依靠RAII的析构释放资源，将按照声明顺序反序析构。
建议保证析构时先析构子实例，再析构父实例。
由1+2，需要保证成员变量的声明顺序正确。

当你不确定成员变量声明顺序时，可以参考每章最下方的样例代码。

也可以使用 m_xxx = nullptr 显式清理资源，此时无需在意声明顺序。

在继续更复杂的步骤之前，是时候通过验证层来评估我们的程序了。

C++代码

C++代码差异

CMake代码