描述符池和集合

引言

上一章中的描述符集布局描述了可以绑定的描述符类型。在本章中，我们将为每个 VkBuffer 资源创建一个描述符集，以将其绑定到统一缓冲区描述符。

描述符池

描述符集不能直接创建，它们必须像命令缓冲区一样从池中分配。描述符集的等价物不出所料地称为描述符池。我们将编写一个新的函数 createDescriptorPool 来设置它。

void initVulkan() {
    ...
    createUniformBuffers();
    createDescriptorPool();
    ...
}

...

void createDescriptorPool() {

}

我们首先需要使用 VkDescriptorPoolSize 结构描述我们的描述符集将包含哪些描述符类型以及它们的数量。

VkDescriptorPoolSize poolSize{};
poolSize.type = VK_DESCRIPTOR_TYPE_UNIFORM_BUFFER;
poolSize.descriptorCount = static_cast<uint32_t>(MAX_FRAMES_IN_FLIGHT);

我们将为每一帧分配一个这些描述符。此池大小结构由主要的 VkDescriptorPoolCreateInfo 引用。

VkDescriptorPoolCreateInfo poolInfo{};
poolInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_DESCRIPTOR_POOL_CREATE_INFO;
poolInfo.poolSizeCount = 1;
poolInfo.pPoolSizes = &poolSize;

除了可用的单个描述符的最大数量外，我们还需要指定可以分配的最大描述符集数量。

poolInfo.maxSets = static_cast<uint32_t>(MAX_FRAMES_IN_FLIGHT);

该结构有一个可选标志，类似于命令池，用于确定是否可以释放单个描述符集：VK_DESCRIPTOR_POOL_CREATE_FREE_DESCRIPTOR_SET_BIT。我们创建描述符集后不会再对其进行操作，因此我们不需要此标志。您可以将 flags 保留为其默认值 0。

VkDescriptorPool descriptorPool;

...

if (vkCreateDescriptorPool(device, &poolInfo, nullptr, &descriptorPool) != VK_SUCCESS) {
    throw std::runtime_error("failed to create descriptor pool!");
}

添加一个新的类成员来存储描述符池的句柄，并调用 vkCreateDescriptorPool 来创建它。

描述符集

我们现在可以分配描述符集本身。为此添加一个 createDescriptorSets 函数

void initVulkan() {
    ...
    createDescriptorPool();
    createDescriptorSets();
    ...
}

...

void createDescriptorSets() {

}

描述符集分配使用 VkDescriptorSetAllocateInfo 结构描述。您需要指定要从中分配的描述符池、要分配的描述符集数量以及要基于它们的描述符集布局。

std::vector<VkDescriptorSetLayout> layouts(MAX_FRAMES_IN_FLIGHT, descriptorSetLayout);
VkDescriptorSetAllocateInfo allocInfo{};
allocInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_DESCRIPTOR_SET_ALLOCATE_INFO;
allocInfo.descriptorPool = descriptorPool;
allocInfo.descriptorSetCount = static_cast<uint32_t>(MAX_FRAMES_IN_FLIGHT);
allocInfo.pSetLayouts = layouts.data();

在我们的例子中，我们将为飞行中的每一帧创建一个描述符集，所有描述符集都具有相同的布局。不幸的是，我们确实需要布局的所有副本，因为下一个函数需要一个与集合数量匹配的数组。

添加一个类成员来保存描述符集句柄，并使用 vkAllocateDescriptorSets 分配它们。

VkDescriptorPool descriptorPool;
std::vector<VkDescriptorSet> descriptorSets;

...

descriptorSets.resize(MAX_FRAMES_IN_FLIGHT);
if (vkAllocateDescriptorSets(device, &allocInfo, descriptorSets.data()) != VK_SUCCESS) {
    throw std::runtime_error("failed to allocate descriptor sets!");
}

您不需要显式清理描述符集，因为它们会在描述符池销毁时自动释放。对 vkAllocateDescriptorSets 的调用将分配描述符集，每个描述符集都有一个统一缓冲区描述符。

void cleanup() {
    ...
    vkDestroyDescriptorPool(device, descriptorPool, nullptr);

    vkDestroyDescriptorSetLayout(device, descriptorSetLayout, nullptr);
    ...
}

现在已经分配了描述符集，但仍需要配置其中的描述符。我们现在将添加一个循环来填充每个描述符

for (size_t i = 0; i < MAX_FRAMES_IN_FLIGHT; i++) {

}

引用缓冲区的描述符（例如我们的统一缓冲区描述符）使用 VkDescriptorBufferInfo 结构进行配置。此结构指定缓冲区以及其中包含描述符数据的区域。

for (size_t i = 0; i < MAX_FRAMES_IN_FLIGHT; i++) {
    VkDescriptorBufferInfo bufferInfo{};
    bufferInfo.buffer = uniformBuffers[i];
    bufferInfo.offset = 0;
    bufferInfo.range = sizeof(UniformBufferObject);
}

如果您像我们在这种情况下一样覆盖整个缓冲区，那么也可以将 VK_WHOLE_SIZE 值用于范围。描述符的配置使用 vkUpdateDescriptorSets 函数更新，该函数接受 VkWriteDescriptorSet 结构的数组作为参数。

VkWriteDescriptorSet descriptorWrite{};
descriptorWrite.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_WRITE_DESCRIPTOR_SET;
descriptorWrite.dstSet = descriptorSets[i];
descriptorWrite.dstBinding = 0;
descriptorWrite.dstArrayElement = 0;

前两个字段指定要更新的描述符集和绑定。我们给统一缓冲区绑定索引 0。请记住，描述符可以是数组，因此我们还需要指定要更新的数组中的第一个索引。我们没有使用数组，因此索引只是 0。

descriptorWrite.descriptorType = VK_DESCRIPTOR_TYPE_UNIFORM_BUFFER;
descriptorWrite.descriptorCount = 1;

我们需要再次指定描述符的类型。可以在一个数组中一次更新多个描述符，从索引 dstArrayElement 开始。descriptorCount 字段指定要更新的数组元素的数量。

descriptorWrite.pBufferInfo = &bufferInfo;
descriptorWrite.pImageInfo = nullptr; // Optional
descriptorWrite.pTexelBufferView = nullptr; // Optional

最后一个字段引用一个包含 descriptorCount 结构的数组，该结构实际上配置了描述符。根据描述符的类型，您实际上需要使用这三个中的哪一个。pBufferInfo 字段用于引用缓冲区数据的描述符，pImageInfo 用于引用图像数据的描述符，pTexelBufferView 用于引用缓冲区视图的描述符。我们的描述符基于缓冲区，因此我们使用 pBufferInfo。

vkUpdateDescriptorSets(device, 1, &descriptorWrite, 0, nullptr);

使用 vkUpdateDescriptorSets 应用更新。它接受两种类型的数组作为参数：VkWriteDescriptorSet 数组和 VkCopyDescriptorSet 数组。后者可用于将描述符相互复制，正如其名称所示。

使用描述符集

我们现在需要更新 recordCommandBuffer 函数，以使用 vkCmdBindDescriptorSets 将每一帧的正确描述符集绑定到着色器中的描述符。这需要在 vkCmdDrawIndexed 调用之前完成

vkCmdBindDescriptorSets(commandBuffer, VK_PIPELINE_BIND_POINT_GRAPHICS, pipelineLayout, 0, 1, &descriptorSets[currentFrame], 0, nullptr);
vkCmdDrawIndexed(commandBuffer, static_cast<uint32_t>(indices.size()), 1, 0, 0, 0);

与顶点缓冲区和索引缓冲区不同，描述符集对于图形管线不是唯一的。因此，我们需要指定是否要将描述符集绑定到图形管线或计算管线。下一个参数是描述符所基于的布局。接下来的三个参数指定第一个描述符集的索引、要绑定的集合数量以及要绑定的集合数组。我们稍后会回到这一点。最后两个参数指定用于动态描述符的偏移量数组。我们将在以后的章节中介绍这些。

如果你现在运行你的程序，你会注意到不幸的是没有任何东西是可见的。问题在于，由于我们在投影矩阵中进行了 Y 翻转，顶点现在是以逆时针顺序而不是顺时针顺序绘制的。这会导致背面剔除生效，并阻止任何几何图形被绘制。转到 createGraphicsPipeline 函数，并修改 VkPipelineRasterizationStateCreateInfo 中的 frontFace 来纠正这个问题。

rasterizer.cullMode = VK_CULL_MODE_BACK_BIT;
rasterizer.frontFace = VK_FRONT_FACE_COUNTER_CLOCKWISE;

再次运行你的程序，你现在应该看到以下内容

spinning quad

矩形已经变成了一个正方形，因为投影矩阵现在纠正了宽高比。updateUniformBuffer 负责屏幕大小调整，所以我们不需要在 recreateSwapChain 中重新创建描述符集。

对齐要求

到目前为止，我们忽略了一件事，那就是 C++ 结构中的数据应该如何与着色器中的 uniform 定义匹配。在两者中使用相同的类型似乎是很明显的。

struct UniformBufferObject {
    glm::mat4 model;
    glm::mat4 view;
    glm::mat4 proj;
};

layout(binding = 0) uniform UniformBufferObject {
    mat4 model;
    mat4 view;
    mat4 proj;
} ubo;

然而，这并非全部。例如，尝试修改结构体和着色器，使其如下所示

struct UniformBufferObject {
    glm::vec2 foo;
    glm::mat4 model;
    glm::mat4 view;
    glm::mat4 proj;
};

layout(binding = 0) uniform UniformBufferObject {
    vec2 foo;
    mat4 model;
    mat4 view;
    mat4 proj;
} ubo;

重新编译你的着色器和程序并运行它，你会发现你到目前为止一直在使用的彩色正方形消失了！那是因为我们没有考虑到对齐要求。

Vulkan 希望你结构中的数据以一种特定的方式在内存中对齐，例如

  • 标量必须按 N 对齐（对于 32 位浮点数，N = 4 字节）。

  • 一个 vec2 必须按 2N 对齐（= 8 字节）

  • 一个 vec3 或 vec4 必须按 4N 对齐（= 16 字节）

  • 一个嵌套结构必须按其成员的基本对齐方式对齐，并向上舍入到 16 的倍数。

  • 一个 mat4 矩阵必须与一个 vec4 具有相同的对齐方式。

你可以在规范中找到完整的对齐要求列表。

我们最初的着色器只有三个 mat4 字段，已经满足了对齐要求。由于每个 mat4 的大小为 4 x 4 x 4 = 64 字节，model 的偏移量为 0，view 的偏移量为 64，proj 的偏移量为 128。所有这些都是 16 的倍数，这就是它能正常工作的原因。

新的结构体以一个 vec2 开头，它只有 8 个字节大小，因此会扰乱所有的偏移量。现在 model 的偏移量为 8，view 的偏移量为 72，proj 的偏移量为 136，它们都不是 16 的倍数。要解决这个问题，我们可以使用 C++11 中引入的 alignas 说明符

struct UniformBufferObject {
    glm::vec2 foo;
    alignas(16) glm::mat4 model;
    glm::mat4 view;
    glm::mat4 proj;
};

如果你现在编译并再次运行你的程序，你应该会看到着色器再次正确接收其矩阵值。

幸运的是，有一种方法可以让你大部分时候不必考虑这些对齐要求。我们可以在包含 GLM 之前定义 GLM_FORCE_DEFAULT_ALIGNED_GENTYPES

#define GLM_FORCE_DEFAULT_ALIGNED_GENTYPES
#include <glm/glm.hpp>

这将强制 GLM 使用一个已经为我们指定了对齐要求的 vec2 和 mat4 版本。如果你添加此定义，那么你可以删除 alignas 说明符，你的程序仍然可以工作。

不幸的是，如果你开始使用嵌套结构，这种方法可能会失效。考虑以下 C++ 代码中的定义

struct Foo {
    glm::vec2 v;
};

struct UniformBufferObject {
    Foo f1;
    Foo f2;
};

以及以下着色器定义

struct Foo {
    vec2 v;
};

layout(binding = 0) uniform UniformBufferObject {
    Foo f1;
    Foo f2;
} ubo;

在这种情况下，f2 的偏移量将为 8，而它应该有 16 的偏移量，因为它是一个嵌套结构。在这种情况下，你必须自己指定对齐方式

struct UniformBufferObject {
    Foo f1;
    alignas(16) Foo f2;
};

这些陷阱是始终明确指定对齐方式的一个好理由。这样，你就不会被对齐错误引起的奇怪症状所迷惑。

struct UniformBufferObject {
    alignas(16) glm::mat4 model;
    alignas(16) glm::mat4 view;
    alignas(16) glm::mat4 proj;
};

不要忘记在删除 foo 字段后重新编译你的着色器。

多个描述符集

正如一些结构体和函数调用所暗示的那样，实际上可以同时绑定多个描述符集。在创建管线布局时，你需要为每个描述符集指定一个描述符集布局。然后，着色器可以像这样引用特定的描述符集

layout(set = 0, binding = 0) uniform UniformBufferObject { ... }

你可以使用此功能将每个对象变化的描述符和共享的描述符放入单独的描述符集中。在这种情况下，你可以避免跨绘制调用重新绑定大多数描述符，这可能更有效。

在接下来的章节中，我们将基于我们刚刚学到的内容，向我们的场景添加纹理。

C++ 代码 / 顶点着色器 / 片段着色器