vulkan是什么

vulkan是一款跨平臺的2d和3d圖形應用程序接口，2015年由khronos在gdc發布。本質上是amd mantle的后續版本，繼承了amd mantle強大的低開銷架構，讓開發者可以方便全面的獲得gpu和多核cpu的性能、功能和效率。

與opengl相比，vulkan支持深度硬件控制，可以大大降低高負載繪圖任務中cpu的開銷。同時其對多核cpu的支持更加完善，更適合從高端工作站到pc平臺再到移動平臺的多核策略。

vulkan因其高性能、低成本而廣受歡迎。雖然上市時間不長，但是支持vulkan的游戲和應用很多，比如doom dota2 飛車—無極限。

1.1 vulkan概述

在介紹具體的開發技術之前，本節先介紹vulkan的歷史傳承和一些技術特點，同時對vulkan和其他圖形應用界面(opengl、directx、metal等)做一個簡單的比較。).比較后介紹一下目前支持vulkan的游戲，具體內容如下。

1 . 1 . 1 vulkan簡介

在了解vulkan的具體知識之前，我們有必要先了解一下市場上主流的3d圖形應用界面。目前各種平臺上主流的三維圖形api有opengl、opengl es、directx、metal、vulkan，各自的應用領域和特點如下。

opengl應用廣泛，支持多種操作系統平臺(如windows、unix、linux、macos等)。).基于它開發的應用程序可以方便、低成本地在不同的操作系統平臺之間移植。它可以用來開發游戲和工業應用。

opengl es是專門為移動嵌入式平臺設計的，實際上是opengl的裁剪版。去掉了opengl中很多不必要的特性，優化了對性能和電源有限的移動嵌入式平臺的支持。

directx是微軟的專有技術，主要用于開發windows下的游戲，在這個領域占有非常高的比例。比較新版本是directx 12，大大優化了對多核cpu的支持，但只支持windows 10。

金屬是蘋果的專有技術，只能在macos和ios下使用。應用領域相對狹窄，目前基于它的應用相對較少。

vulkan和opengl一樣，是跨平臺的3d圖形應用界面，支持windows 7、windows 8.1、windows 10、linux、android等平臺。

vulkan比較早被稱為下一代opengl，項目名稱是glnext。它的設計考慮了統一平臺的開發，所以不像opengl和opengl es，根據硬件性能和電源區分不同版本，但是工作站、pc、移動嵌入式平臺等等是完全一致的。這對廣大開發者來說是一個很大的好處。

2016年2月16日，khronos組織發布了vulkan的第一個版本。從此，數字圖形技術行業產生了一個全新的圖形應用程序接口，可以真正意義上與directx 12和metal抗衡。截止到2016年4月，google在android n的第二個開發預覽版中正式加入了對vulkan的支持，vulkan的主要特性如下。

vulkan提供了更低的運行開銷、更直接的gpu控制和更低的cpu負載。它通過批處理的方式有效降低了cpu的負載，將cpu從額外的操作和渲染中解放出來執行其他任務。

與過去針對cpu單核設計的opengl相比，vulkan原生支持多線程和并發處理，可以更好地與采用多核策略的cpu配合工作。directx 12、metal等廠商專有的新一代圖形應用程序接口也提供多線程并發支持，可見這是行業內的一大趨勢。

在著色器方面，vulkan不再指定類似opengl的著色器編程語言(opengl指定glsl著色器編程語言)，而是采用一種稱為spir-v(標準可移植中間表示)的二進制中間層格式。這樣，開發vulkan著色器時，開發者可以選擇自己喜歡的著色器編程語言，比如glsl、hlsl等。然后使用著色器專用編譯器將著色器源代碼編譯成spir-v格式，可以在vulkan中使用，大大提高了靈活性。

vulkan以統一的方式管理計算任務和圖形渲染任務，而不使用單獨的計算和圖形應用程序接口來連接。

與opengl的狀態機不同，它會在運行任務時自動檢查各種錯誤(無法關閉)。為了追求更高的執行效率，vulkan將各種錯誤檢查設計為可插拔模式。開發人員可以在開發調試時打開所需的錯誤檢查項，發布時關閉錯誤檢查項，以達到更好的性能。

vulkan在架構層面提供了多輪渲染的支持，使得更高效地實現延遲渲染成為可能，極大地提高了特定場景下的渲染效率。

vulkan本身就深刻深刻，其革命性的設計遠遠不止于此。讀者可以在這本書的腳步中逐漸深入地了解vulkan的方方面面。

1.1.2支持vulkan的游戲概述

通過簡要介紹，讀者已經基本了解了vulkan相對于傳統圖形應用程序界面的諸多優勢。由于vulkan的這些突出特點，市面上的幾款知名游戲都開始使用vulkan。但是由于vulkan誕生不久，使用vulkan的游戲數量并不是很大。接下來我們簡單介紹幾款使用vulkan的游戲。

刀塔

作為一部深受玩家歡迎的大作，dota 2早在2016年就發布了補丁支持vulkan。圖1-1是原dota 2的游戲場景，圖1-2是在vulkan支持下運行的dota 2的游戲場景。

圖1-1原版dota 2游戲場景

圖1-2 vulkan支持的dota 2游戲場景

解釋

對比圖1-1和圖1-2可以看出，vulkan支持的dota 2比原來的dota 2場景更加生動細膩。在游戲的實際對比測試中，可以感覺到vulkan支持的dota 2運行更流暢，可以觀察到cpu利用率更低，體現了vulkan降低cpu開銷的特點。

飛車

通過對比dota 2使用vulkan前后的場景，觀察了vulkan在三維圖形處理方面的進展。接下來我們將展示電子藝界開發的賽車比賽游戲速度需求：無限，進一步體驗vulkan的3d圖形處理能力，如圖1-3和圖1-4所示。

圖1-3速度需求：無限場景1

圖1-4速度需求：無限場景2

解釋

可以看出，vulkan api渲染的以上兩個速度需求：無限游戲場景的光影效果極其逼真，煙霧和運動模糊效果非常真實。

夢想聯盟足球

在介紹完以上兩個游戲dota 2和需要速度之后，我還要介紹一下first touch開發的運動游戲——夢幻聯盟足球。游戲自發布以來，受到玩家的好評，現在vulkan版本已經發布，效果分別如圖1-5和1-6所示。

圖1-5夢幻聯賽足球場景1

圖1-6夢幻聯賽足球場景2

通過觀察上述游戲屏幕，我們可以欣賞到vulkan在三維圖形處理能力上的提升。在前面的內容中，已經多次提到vulkan的一個優點是可以大大降低渲染時的cpu開銷，這將直接影響游戲運行和畫面的流暢度。相關機構都站在vulkan這邊。

表面上有很多測試。

比如貝塞斯達和英偉達早在2016年就進行了相關測試，測試結果顯示使用directx 11以1080p分辨率運行毀滅戰士4，平均幀率在55-60之間。之后用vulkan做同樣的渲染工作，整個游戲幀率提升到120以上?？梢妚ulkan在降低cpu開銷和渲染圖形方面是有效的。

本書系統介紹了下一代opengl規范vulkan，揭示了vulkan的獨特性。這本書的主要內容包括：內存和資源、隊列和命令、數據移動、圖像顯示、著色器和管道、圖形管道對象、繪制命令、幾何處理、片段處理、同步、數據回讀和多渲染通道。