前言
这里是一篇Metal新手教程，先定个小目标：把绘制一张图片到屏幕上。
Metal系列教程的代码地址；
OpenGL ES系列教程在这里；
你的star和fork是我的源动力，你的意见能让我走得更远。
正文
核心思路
通过MetalKit，尽量简单地实现把一张图片绘制到屏幕，核心的内容包括：设置渲染管道、设置顶点和纹理缓存、简单的shader理解。
效果展示
具体步骤
1、新建MTKView
// 初始化 MTKView
self.mtkView = [[MTKView alloc] initWithFrame:self.view.bounds];
self.mtkView.device = MTLCreateSystemDefaultDevice(); // 获取默认的device
self.view = self.mtkView;
self.mtkView.delegate = self;
self.viewportSize = (vector_uint2){self.mtkView.drawableSize.width, self.mtkView.drawableSize.height};
MTKView是MetalKit提供的一个View，用来显示Metal的绘制；
MTLDevice代表GPU设备，提供创建缓存、纹理等的接口；
2、设置渲染管道
// 设置渲染管道
-(void)setupPipeline {
id<MTLLibrary> defaultLibrary = [self.mtkView.device newDefaultLibrary]; // .metal
id<MTLFunction> vertexFunction = [defaultLibrary newFunctionWithName:@"vertexShader"]; // 顶点shader，vertexShader是函数名
id<MTLFunction> fragmentFunction = [defaultLibrary newFunctionWithName:@"samplingShader"]; // 片元shader，samplingShader是函数名
MTLRenderPipelineDescriptor *pipelineStateDescriptor = [[MTLRenderPipelineDescriptor alloc] init];
pipelineStateDescriptor.vertexFunction = vertexFunction;
pipelineStateDescriptor.fragmentFunction = fragmentFunction;
pipelineStateDescriptor.colorAttachments[0].pixelFormat = self.mtkView.colorPixelFormat;
self.pipelineState = [self.mtkView.device newRenderPipelineStateWithDescriptor:pipelineStateDescriptor
error:NULL]; // 创建图形渲染管道，耗性能操作不宜频繁调用
self.commandQueue = [self.mtkView.device newCommandQueue]; // CommandQueue是渲染指令队列，保证渲染指令有序地提交到GPU
}
MTLRenderPipelineDescriptor是渲染管道的描述符，可以设置顶点处理函数、片元处理函数、输出颜色格式等；
[device newCommandQueue]创建的是指令队列，用来存放渲染的指令；
3、设置顶点数据
- (void)setupVertex {
static const LYVertex quadVertices[] =
{ // 顶点坐标，分别是x、y、z、w； 纹理坐标，x、y；
{ { 0.5, -0.5, 0.0, 1.0 }, { 1.f, 1.f } },
{ { -0.5, -0.5, 0.0, 1.0 }, { 0.f, 1.f } },
{ { -0.5, 0.5, 0.0, 1.0 }, { 0.f, 0.f } },
{ { 0.5, -0.5, 0.0, 1.0 }, { 1.f, 1.f } },
{ { -0.5, 0.5, 0.0, 1.0 }, { 0.f, 0.f } },
{ { 0.5, 0.5, 0.0, 1.0 }, { 1.f, 0.f } },
};
self.vertices = [self.mtkView.device newBufferWithBytes:quadVertices
length:sizeof(quadVertices)
options:MTLResourceStorageModeShared]; // 创建顶点缓存
self.numVertices = sizeof(quadVertices) / sizeof(LYVertex); // 顶点个数
}
顶点数据里包括顶点坐标，metal的世界坐标系与OpenGL ES一致，范围是[-1, 1]，故而点(0, 0)是在屏幕的正中间；
顶点数据里还包括纹理坐标，纹理坐标系的取值范围是[0, 1]，原点是在左下角；
[device newBufferWithBytes:quadVertices..]创建的是顶点缓存，类似OpenGL ES的glGenBuffer创建的缓存。
4、设置纹理数据
- (void)setupTexture {
UIImage *image = [UIImage imageNamed:@"abc"];
// 纹理描述符
MTLTextureDescriptor *textureDescriptor = [[MTLTextureDescriptor alloc] init];
textureDescriptor.pixelFormat = MTLPixelFormatRGBA8Unorm;
textureDescriptor.width = image.size.width;
textureDescriptor.height = image.size.height;
self.texture = [self.mtkView.device newTextureWithDescriptor:textureDescriptor]; // 创建纹理
MTLRegion region = {{ 0, 0, 0 }, {image.size.width, image.size.height, 1}}; // 纹理上传的范围
Byte *imageBytes = [self loadImage:image];
if (imageBytes) { // UIImage的数据需要转成二进制才能上传，且不用jpg、png的NSData
[self.texture replaceRegion:region
mipmapLevel:0
withBytes:imageBytes
bytesPerRow:4 * image.size.width];
free(imageBytes); // 需要释放资源
imageBytes = NULL;
}
}
MTLTextureDescriptor是纹理数据的描述符，可以设置像素颜色格式、图像宽高等，用于创建纹理；
纹理创建完毕后，需要用-replaceRegion: mipmapLevel:withBytes:bytesPerRow:接口上传纹理数据；
MTLRegion类似UIKit的frame，用于表明纹理数据的存放区域；
5、具体渲染过程
- (void)drawInMTKView:(MTKView *)view {
// 每次渲染都要单独创建一个CommandBuffer
id<MTLCommandBuffer> commandBuffer = [self.commandQueue commandBuffer];
MTLRenderPassDescriptor *renderPassDescriptor = view.currentRenderPassDescriptor;
// MTLRenderPassDescriptor描述一系列attachments的值，类似GL的FrameBuffer；同时也用来创建MTLRenderCommandEncoder
if(renderPassDescriptor != nil)
{
renderPassDescriptor.colorAttachments[0].clearColor = MTLClearColorMake(0.0, 0.5, 0.5, 1.0f); // 设置默认颜色
id<MTLRenderCommandEncoder> renderEncoder = [commandBuffer renderCommandEncoderWithDescriptor:renderPassDescriptor]; //编码绘制指令的Encoder
[renderEncoder setViewport:(MTLViewport){0.0, 0.0, self.viewportSize.x, self.viewportSize.y, -1.0, 1.0 }]; // 设置显示区域
[renderEncoder setRenderPipelineState:self.pipelineState]; // 设置渲染管道，以保证顶点和片元两个shader会被调用
[renderEncoder setVertexBuffer:self.vertices
offset:0
atIndex:0]; // 设置顶点缓存
[renderEncoder setFragmentTexture:self.texture
atIndex:0]; // 设置纹理
[renderEncoder drawPrimitives:MTLPrimitiveTypeTriangle
vertexStart:0
vertexCount:self.numVertices]; // 绘制
[renderEncoder endEncoding]; // 结束
[commandBuffer presentDrawable:view.currentDrawable]; // 显示
}
[commandBuffer commit]; // 提交；
}
drawInMTKView:方法是MetalKit每帧的渲染回调，可以在内部做渲染的处理；
绘制的第一步是从commandQueue里面创建commandBuffer，commandQueue是整个app绘制的队列，而commandBuffer存放每次渲染的指令，commandQueue内部存在着多个commandBuffer。
整个绘制的过程与OpenGL ES一致，先设置窗口大小，然后设置顶点数据和纹理，最后绘制两个三角形。
CommandQueue、CommandBuffer和CommandEncoder的关系如下：
6、Shader处理
typedef struct
{
float4 clipSpacePosition [[position]]; // position的修饰符表示这个是顶点
float2 textureCoordinate; // 纹理坐标，会做插值处理
} RasterizerData;
vertex RasterizerData // 返回给片元着色器的结构体
vertexShader(uint vertexID [[ vertex_id ]], // vertex_id是顶点shader每次处理的index，用于定位当前的顶点
constant LYVertex *vertexArray [[ buffer(0) ]]) { // buffer表明是缓存数据，0是索引
RasterizerData out;
out.clipSpacePosition = vertexArray[vertexID].position;
out.textureCoordinate = vertexArray[vertexID].textureCoordinate;
return out;
}
fragment float4
samplingShader(RasterizerData input [[stage_in]], // stage_in表示这个数据来自光栅化。（光栅化是顶点处理之后的步骤，业务层无法修改）
texture2d<half> colorTexture [[ texture(0) ]]) // texture表明是纹理数据，0是索引
{
constexpr sampler textureSampler (mag_filter::linear,
min_filter::linear); // sampler是采样器
half4 colorSample = colorTexture.sample(textureSampler, input.textureCoordinate); // 得到纹理对应位置的颜色
return float4(colorSample);
}
Shader如上。与OpenGL ES的shader相比，最明显是输入的参数可以用结构体，返回的参数也可以用结构体；
LYVertex是shader和Objective-C公用的结构体，RasterizerData是顶点Shader返回再传给片元Shader的结构体；
Shader的语法与C++类似，参数名前面的是类型，后面的[[ ]]是描述符。
总结
Metal和OpenGL一样，需要有一定的图形学基础，才能理解具体的含义。
本文为了降低上手的门槛，简化掉一些逻辑，增加很多注释，同时保留最核心的几个步骤以便理解。
这里可以下载demo代码。
