物理设备与队列族

在创建实例之后，我们需要查找并选择系统中合适的物理设备，这通常指显卡。 你可以选择任意数量的显卡并同时使用它们，但在本教程中，我们只使用第一张满足我们需求的显卡。

相关概念：Vulkan-Guide [Querying Properties, Extensions, Features ...]

选择物理设备

1. 成员变量与辅助函数

首先在 m_debugMessenger 下方添加一个成员变量管理物理设备句柄：

vk::raii::PhysicalDevice m_physicalDevice{ nullptr };

然后添加一个函数 selectPhysicalDevice，并在 initVulkan 函数中调用它：

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

void selectPhysicalDevice() {

}

2. 获取可用设备列表

void selectPhysicalDevice() {
    // std::vector<vk::raii::PhysicalDevice>
    const auto physicalDevices = m_instance.enumeratePhysicalDevices();
    if(physicalDevices.empty()){
        throw std::runtime_error("failed to find GPUs with Vulkan support!");
    }
}

你可能见过 vk::raii::PhysicalDevices 类型，它末尾多了个 s。
他实际上继承了 std::vector<vk::raii::PhysicalDevice> ，二者功能基本一致。

3. 设备适用性检查

现在我们需要评估每个设备，并检查它们是否适合满足要求。为此我们引入一个新函数：

bool isDeviceSuitable(const vk::raii::PhysicalDevice& physicalDevice) const {
    return true;
}

4. 选择第一个合适的设备

遍历并挑选一个满足的物理设备，如果没有就抛出异常：

void selectPhysicalDevice() {

    ......

    for (const auto& it : physicalDevices) {
        if (isDeviceSuitable(it)) {
            m_physicalDevice = it;
            break;
        }
    }
    if(m_physicalDevice == nullptr){
        throw std::runtime_error("failed to find a suitable GPU!");
    }
}

注意到 vk::raii::PhysicalDevice 可以直接拷贝赋值，这很特殊。 因为物理设备句柄实际由 vk::Instance 管理，所以 vk::raii::PhysicalDevice 销毁时没有调用任何 vkDestory 。

设备评估标准

1. 设备属性与特性查询

在 isDeviceSuitable 函数中，我们可以这样获取物理设备的属性：

vk::PhysicalDeviceProperties properties = physicalDevice.getProperties();
vk::PhysicalDeviceFeatures features = physicalDevice.getFeatures();

Properties 是 GPU 的基本属性，Features 则是 GPU 支持的可选功能。

• Properties : 基本设备属性，例如名称、类型和支持的 Vulkan 版本。
• Features : 可选功能（如纹理压缩、64 位浮点数和多视口渲染）的支持。

后者尤为重要，因为不同显卡的功能集可能不同，比如某些手机 GPU 可能不支持网格着色器。 即使某个 GPU Feature 可用，我们也需要在后续逻辑设备创建时显式启用它们，否则 Vulkan 认为你不会用到这些功能。

假设我们的应用程序需要支持几何着色器的独立显卡。那么可以这样写

bool isDeviceSuitable(const vk::raii::PhysicalDevice& physicalDevice) const {
    const auto properties = physicalDevice.getProperties();
    const auto features = physicalDevice.getFeatures();

    return features.geometryShader && 
        properties.deviceType == vk::PhysicalDeviceType::eDiscreteGpu;
}

2. 评分机制示例

你还可以创建自己的评分机制，然后挑选最好的显卡，像这样：

int rateDeviceSuitability(const vk::raii::PhysicalDevice& physicalDevice) const {
    const auto properties = physicalDevice.getProperties();
    const auto features = physicalDevice.getFeatures();

    // 必要性功能检查
    if (!features.geometryShader) {
        return 0;
    }

    int score = 0;
    // 独立显卡加分
    if (properties.deviceType == vk::PhysicalDeviceType::eDiscreteGpu) {
        score += 1000;
    }
    // 最大纹理尺寸影响图形质量加分
    score += properties.limits.maxImageDimension2D;

    return score;
}

注意！！

作为教程的开始部分，我们目前仅需要 Vulkan 支持，下面暂时使用这个最简单的判断函数：

bool isDeviceSuitable(const vk::raii::PhysicalDevice& physicalDevice) const {
    return true;
}

在下一节，我们将讨论第一个真正需要检查的功能。

队列族管理

Vulkan 中的几乎每个操作，从绘制到上传纹理，都需要将命令提交到队列。

队列有不同的类型，这些类型源自不同的队列族，并且每个队列族仅允许一些特定的命令。 例如，可能有一个队列族仅允许处理计算命令，或者一个队列族仅允许与内存传输相关的命令。

更详细的概念：Vulkan-Guide [Queues]

1. 队列查找函数

我们需要添加一个新函数 findQueueFamilies ，用于查找我们需要的所有队列族。

现在我们只打算查找支持图形命令的队列族，因此该函数可能如下所示：

uint32_t findQueueFamilies(const vk::raii::PhysicalDevice& physicalDevice) const {
    // 查找图像队列族
}

队列族的查找返回整数索引，由于我们后面需要找的队列不止一个，可以返回一个结构体：

struct QueueFamilyIndices {
    uint32_t graphicsFamily;
};

QueueFamilyIndices findQueueFamilies(const vk::raii::PhysicalDevice& physicalDevice) const {
    QueueFamilyIndices indices;
    // 查找图像队列族
    return indices;
}

2. 更好的队列存储

此函数可能找不到有用的队列族，但有时找不到也可以正常执行，比如我们希望使用具有专用传输队列族的设备，但不强制要求。

不应该使用魔术值来指示队列族的不存在，因为 uint32_t 的任何值都可能是有效的队列族索引，包括 0。 所以这里使用 C++17 的 std::optional<> 数据结构来区分值存在与不存在的情况，它可以这样使用：

std::optional<uint32_t> graphicsFamily;
std::cout << graphicsFamily.has_value() << std::endl; // 0 (false)

graphicsFamily = 0;
std::cout << graphicsFamily.has_value() << std::endl; // 1 (true)

于是我们可以将代码修改成这样：

......

#include <optional>

......

struct QueueFamilyIndices {
    std::optional<uint32_t> graphicsFamily;
};

QueueFamilyIndices findQueueFamilies(const vk::raii::PhysicalDevice& physicalDevice) const {
    QueueFamilyIndices indices;
    // Assign index to queue families that could be found
    return indices;
}

3. 实现队列族查找

我们现在可以开始实现 findQueueFamilies，使用 getQueueFamilyProperties 成员函数即可：

// std::vector<vk::QueueFamilyProperties>
const auto queueFamilies = physicalDevice.getQueueFamilyProperties();

vk::QueueFamilyProperties只包含基本信息，包括支持的操作类型以及该族可创建的队列数量，但在这里已经足够了。

我们需要找到至少一个支持 vk::QueueFlagBits::eGraphics 的队列族（即图形队列族）。

for (int i = 0; const auto& queueFamily : queueFamilies) {
    if (queueFamily.queueFlags & vk::QueueFlagBits::eGraphics) {
        indices.graphicsFamily = i;
    }

    ++i;
}

这里用到了C++20的初始化语句。

4. 改进设备适用性检查

现在可以在 isDeviceSuitable 函数中使用它作为检查，以确保设备具有我们需要的队列族：

bool isDeviceSuitable(const vk::raii::PhysicalDevice& physicalDevice) const {
    const auto indices = findQueueFamilies(physicalDevice);

    return indices.graphicsFamily.has_value();
}

为了更方便一点，我们可以在结构体中添加一个通用检查：

struct QueueFamilyIndices {
    std::optional<uint32_t> graphicsFamily;

    bool isComplete() const {
        return graphicsFamily.has_value();
    }
};

......

bool isDeviceSuitable(const vk::raii::PhysicalDevice& physicalDevice) const {
    const auto indices = findQueueFamilies(physicalDevice);

    return indices.isComplete();
}

我们现在可以使用它，在需要的时候从 findQueueFamilies 中提前退出：

for (int i = 0; const auto& queueFamily : queueFamilies) {
     ...

    if (indices.isComplete())  break;

    ++i;
}

为什么不直接赋值后就退出？因为我们后面还需查找其他队列族。

测试

现在构建与运行代码，虽然程序还是和之前一样的效果，但不应报错。

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C++代码

C++代码差异

CMake代码

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