C++界面開發(fā)程序Qt使用教程：在Vulkan，Metal和Direct3D上運行Qt Quick-第2部分

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Qt是目前最先進、最完整的跨平臺C++開發(fā)工具。它不僅完全實現(xiàn)了一次編寫，所有平臺無差別運行，更提供了幾乎所有開發(fā)過程中需要用到的工具。如今，Qt已被運用于超過70個行業(yè)、數(shù)千家企業(yè)，支持數(shù)百萬設(shè)備及應(yīng)用。

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macOS上的Metal

在macOS 10.13或10.14設(shè)置QSG_RHI = 1（以及QSG_INFO = 1）并運行qt5-cinematic-experience 示例程序，可以看到如下的結(jié)果：

qt.scenegraph.general: Using QRhi with backend Metal
  graphics API debug/validation layers: 0
  QRhi profiling and debug markers: 0
qt.scenegraph.general: threaded render loop
qt.scenegraph.general: Using sg animation driver
qt.scenegraph.general: Animation Driver: using vsync: 16.67 ms
qt.rhi.general: Metal device: Intel(R) HD Graphics 615
qt.scenegraph.general: MSAA sample count for the swapchain is 1. Alpha channel requested = no.
qt.scenegraph.general: rhi texture atlas dimensions: 4096x2048
qt.rhi.general: got CAMetalLayer, size 2560x1440

Qt 6的目標，是默認使用目標平臺上主流的、支持最好的圖形API（同時也允許應(yīng)用程序選擇其他圖形API），在macOS上啟用QRhi的渲染方式后，系統(tǒng)會默認使用Metal來渲染Qt Quick。

類似于在QtGui、QPA，和其他一些平臺插件中添加Vulkan實例和Surface構(gòu)建Vulkan渲染后臺的方式，QRhi的Metal后臺依賴于Qt 5.12前后引入的cocoa平臺插件中的Metal的支持。帶QSurface::MetalSurface標志的QWindow將獲得一個NSView，NSView背后是一個CAMertalLayer。這就是QRhi的Metal后端架構(gòu)。（要使能QRhi的渲染路徑，并且QQuickWindow獲得正確的QSurface::SurfaceType標記值，才能正常運行）

有一個非常重要的特性，即能夠使用獨立的渲染線程運行Qt Quick。之前由于macOS 10.14中的NSOpenGLContext以及相關(guān)API中存在一個的多線程問題，Qt在macOS上禁用了獨立的OpenGL渲染線程，而把默認值改為“basic”。這導(dǎo)致Qt Quick動畫的平滑度有所降低。對于Metal，我們沒有(根據(jù)我們目前的認知)發(fā)現(xiàn)任何多線程的問題，因此我們又可以開啟獨立的渲染線程了。(通過設(shè)置QSG_RENDER_LOOP環(huán)境變量，可以改寫渲染線程的設(shè)置；這個變量可與QSG_RHI配合使用)

我們之前提到了RenderDoc，它可以調(diào)試Qt應(yīng)用程序的幀渲染，支持OpenGL、Vulkan以及Direct3D的運行態(tài)。對于Metal，可以使用XCode及其內(nèi)置的GPU幀快照器。

有一個實用方法可以用XCode快速打開待調(diào)試的Qt項目，在命令行執(zhí)行make xcodeproj && open *.xcodeproj（如果還沒有執(zhí)行qmake則可以執(zhí)行qmake -spec macx-xcode）。按下Cmd-R，然后會立即啟動調(diào)試器。在Qt開發(fā)期間我們會經(jīng)常這樣使用。為了防止Metal GPU獲取失敗，即使Qt Quick已經(jīng)設(shè)置為Metal渲染，還是要檢查 “Product ->Scheme->Edit scheme…”，并將GPU幀獲取獲改為Metal。

在XCode中調(diào)試構(gòu)建應(yīng)用程序時會啟用Metal驗證，這意味著當Metal API使用不當時，XCode將（理想情況下）返回提示性警告并中斷程序執(zhí)行。與其他平臺不同的是，如果不通過XCode進行調(diào)試，則無法啟用Metal API驗證。（與Vulkan和D3D不同，設(shè)置環(huán)境變量QSG_RHI_DEBUG_LAYER無效）

iOS上的Metal

iOS或者tvOS上是什么情況?

在編寫本文時，（iOS和tvOS的）平臺插件中缺少與Metal相關(guān)的管道，這也意味著QRhi的Metal后端還沒有在這些平臺上進行測試。這就是為什么Qt 5.14新特性頁面關(guān)于Qt Quick的部分只提到macOS。預(yù)計在不久的將來，可能5.15中，會增加相關(guān)的支持。

macOS上的Vulkan

如何通過MoltenVK使用Vulkan呢？

正如在第1部分中提到的，使用Vulkan發(fā)起渲染，然后依靠MoltenVK在運行時將API調(diào)用和SPIR-V著色器代碼轉(zhuǎn)換為Metal和Metal著色語言也是一種選擇。這需要一個支持Vulkan的Qt庫，這在Apple平臺上不是現(xiàn)成提供的。關(guān)鍵是使用configure參數(shù)-I來設(shè)置并確保可以在運行時使用環(huán)境變量QT_VULKAN_LIB并找到對應(yīng)的庫。

必須要注意，這個方式（在macOS上通過MoltenVK使用Vulkan）只是“盡我們能力”去支持。在Apple平臺上首要的渲染方式是通過Metal

使用QSG_RHI_BACKEND=vulkan (使用適當配置的Qt 5.14庫)運行演示應(yīng)用程序，結(jié)果如下:

qt.scenegraph.general: Using QRhi with backend Vulkan
  graphics API debug/validation layers: 0
  QRhi profiling and debug markers: 0
qt.scenegraph.general: threaded render loop
qt.scenegraph.general: Using sg animation driver
qt.scenegraph.general: Animation Driver: using vsync: 16.67 ms
qt.rhi.general: Physical device 0: 'Intel(R) UHD Graphics 630' 0.2.1835 (api 1.0.92 vendor 0x8086 device 0x3E9B type 1)
qt.rhi.general: using this physical device
qt.rhi.general: queue family 0: flags=0x7 count=1
qt.rhi.general: 17 device extensions available
qt.scenegraph.general: MSAA sample count for the swapchain is 1. Alpha channel requested = no.
qt.scenegraph.general: rhi texture atlas dimensions: 2048x1024
qt.rhi.general: Creating new swapchain of 2 buffers, size 1280x720, presentation mode 2

值得注意的是，我在macOS 10.13上運行時遇到了問題，在使用線程渲染循環(huán)時遇到了死鎖和崩潰。在升級到更新的（1.0.121）Vulkan SDK（其中包括MoltenVK）時導(dǎo)致了一系列新的問題，依然無法啟動應(yīng)用程序。在這里，在一個帶有10.14的Mac Mini和一個半新版本的Vulkan SDK / MoltenVK上，結(jié)果卻非常好，正如屏幕截圖所示。

Windows平臺

Windows是我們擁有最多選項的平臺。在4個主要的QRhi后端(Vulkan、Metal、D3D11、OpenGL)中，至少有三個可以在Windows上使用：Direct3D 11、Vulkan和OpenGL。

這就引出了一個顯而易見的問題:為什么只有3個而不是4個,Direct3D 12不就是第四個嗎?

目前還沒有D3D12的后臺。以后會增加它因為有這個計劃，但目前還沒有實施。回到我們的主題，需要注意一件事，在Qt 5.8中添加的實驗性質(zhì)的Qt Quick的D3D12直接渲染后端在Qt 6中被棄用了（因為我們會以一種全新的方式來解決多圖形API的問題）。

在Windows上設(shè)置QSG_RHI=1時的默認值是Direct3D 11。與往常一樣，如果需要Vulkan或OpenGL，則需要使用QSG_RHI_BACKEND進行修改。

qt.scenegraph.general: Using QRhi with backend D3D11
  graphics API debug/validation layers: 0
  QRhi profiling and debug markers: 0
qt.scenegraph.general: threaded render loop
qt.scenegraph.general: Using sg animation driver
qt.scenegraph.general: Animation Driver: using vsync: 16.67 ms
qt.rhi.general: DXGI 1.2 = true, FLIP_DISCARD swapchain supported = true
qt.rhi.general: Adapter 0: 'NVIDIA GeForce RTX 2060' (flags 0x0)
qt.rhi.general: using this adapter
qt.rhi.general: Adapter 1: 'Microsoft Basic Render Driver' (flags 0x2)
qt.scenegraph.general: MSAA sample count for the swapchain is 1
qt.scenegraph.general: rhi texture atlas dimensions: 2048x1024

需要注意的是，我們是基于Direct3D 11.1，而不是11.0。主要是因為我們需要VSSetConstantBuffers1（以及相關(guān)的PS和CS變量）。這應(yīng)該不會出現(xiàn)問題，除非想在沒有安裝平臺更新的純Windows 7上運行。說到Windows 7，需要注意，目前基于D3D11的渲染后臺在Qt 5.14的Windows 7上不能正常工作，因此在5.14的新特性頁面上只提到了Windows 10。這是以后需要補充的地方（但前提是Qt6仍然會支持Windows 7）。

要啟用Direct3D調(diào)試功能，請將環(huán)境變量QSG_RHI_DEBUG_LAYER設(shè)置為1。這也適用于Vulkan，只要調(diào)試功能可用（例如已安裝了Vulkan SDK）。Qt能方便地將消息定向到調(diào)試輸出（就好像它們是通過qDebug輸出的一樣）。

Vulkan和OpenGL能在Windows上正常工作，為了避免文章太長，這里就不附截圖了。

與Vulkan和Metal一樣，QRhi的OpenGL后端也是構(gòu)建在一些（但不是全部）現(xiàn)有的OpenGL類庫的平臺管道之上的，比如QOpenGLContext、QOpenGLFunctions，以及Windows平臺插件(WGL、EGL)中的底層管道。因此，原來直接運行在OpenGL上的Qt Quick應(yīng)用程序的所有內(nèi)容，在新的渲染平臺上都有。（比如desktop, ANGLE, Software三選一參數(shù)以及各種環(huán)境變量，如QT_OPENGL）

說到ANGLE，我們的期望在Qt6中把它從直接依賴庫中刪除。這需要進一步調(diào)查以完全確保我們不會失去對特殊用例的支持，但是現(xiàn)在的計劃是讓QRhi-based渲染路徑在Windows上支持Direct3D 11、OpenGL(通過WGL)和Vulkan，這就已經(jīng)能夠滿足應(yīng)用開發(fā)了。

這就是這篇文章的全部內(nèi)容。在第3部分中，我們將最終開始深入研究QRhi是什么以及如何處理著色器。

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