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前言

很多做视频和图像的，相信对这个框架都不是很陌生，它渲染高级3D图形，并使用GPU执行数据并行计算。接下来的几篇我们就详细的解析这个框架。感兴趣的看下面几篇文章。
1. Metal框架详细解析（一）—— 基本概览
2. Metal框架详细解析（二） —— 器件和命令（一）
3. Metal框架详细解析（三） —— 渲染简单的2D三角形（一）
4. Metal框架详细解析（四） —— 关于GPU Family 4（一）
5. Metal框架详细解析（五） —— 关于GPU Family 4之关于Imageblocks（二）
6. Metal框架详细解析（六） —— 关于GPU Family 4之关于Tile Shading（三）
7. Metal框架详细解析（七） —— 关于GPU Family 4之关于光栅顺序组（四）
8. Metal框架详细解析（八） —— 关于GPU Family 4之关于增强的MSAA和Imageblock采样覆盖控制（五）
9. Metal框架详细解析（九） —— 关于GPU Family 4之关于线程组共享（六）
10. Metal框架详细解析（十） —— 基本组件（一）
11. Metal框架详细解析（十一） —— 基本组件之器件选择 - 图形渲染的器件选择（二）
12. Metal框架详细解析（十二） —— 基本组件之器件选择 - 计算处理的设备选择（三）
13. Metal框架详细解析（十三） —— 计算处理（一）
14. Metal框架详细解析（十四） —— 计算处理之你好，计算（二）
15. Metal框架详细解析（十五） —— 计算处理之关于线程和线程组（三）
16. Metal框架详细解析（十六） —— 计算处理之计算线程组和网格大小（四）
17. Metal框架详细解析（十七） —— 工具、分析和调试（一）
18. Metal框架详细解析（十八） —— 工具、分析和调试之Metal GPU Capture（二）
19. Metal框架详细解析（十九） —— 工具、分析和调试之GPU活动监视器（三）
20. Metal框架详细解析（二十） —— 工具、分析和调试之关于Metal着色语言文件名扩展名、使用Metal的命令行工具构建库和标记Metal对象和命令（四）
21. Metal框架详细解析（二十一） —— 基本课程之基本缓冲区（一）
22. Metal框架详细解析（二十二） —— 基本课程之基本纹理（二）
23. Metal框架详细解析（二十三） —— 基本课程之CPU和GPU同步（三）
24. Metal框架详细解析（二十四） —— 基本课程之参数缓冲 - 基本参数缓冲（四）
25. Metal框架详细解析（二十五） —— 基本课程之参数缓冲 - 带有数组和资源堆的参数缓冲区（五）
26. Metal框架详细解析（二十六） —— 基本课程之参数缓冲 - 具有GPU编码的参数缓冲区（六）
27. Metal框架详细解析（二十七） —— 高级技术之图层选择的反射（一）
28. Metal框架详细解析（二十八） —— 高级技术之使用专用函数的LOD（一）
29. Metal框架详细解析（二十九） —— 高级技术之具有参数缓冲区的动态地形（一）
30. Metal框架详细解析（三十） —— 延迟照明（一）
31. Metal框架详细解析（三十一） —— 在视图中混合Metal和OpenGL渲染（一）
32. Metal框架详细解析（三十二） —— Metal渲染管道教程（一）
33. Metal框架详细解析（三十三） —— Metal渲染管道教程（二）
34. Metal框架详细解析（三十四） —— Hello Metal！ 一个简单的三角形的实现（一）
35. Metal框架详细解析（三十五） —— Hello Metal！ 一个简单的三角形的实现（二）
36. Metal框架详细解析（三十六） —— Metal编程指南之概览（一）
37. Metal框架详细解析（三十七） —— Metal编程指南之基本Metal概念（二）
38. Metal框架详细解析（三十八） —— Metal编程指南之命令组织和执行模型（三）
39. Metal框架详细解析（三十九） —— Metal编程指南之资源对象：缓冲区和纹理（四）

Functions and Libraries - 函数和库

本章介绍如何创建MTLFunction对象作为Metal着色器或计算函数的引用，以及如何使用MTLLibrary对象组织和访问函数。

MTLFunction Represents a Shader or Compute Function - MTLFunction表示着色器或计算函数

MTLFunction对象表示以Metal着色语言编写并在GPU上作为图形或计算管道的一部分执行的单个函数。有关Metal shading language的详细信息，请参阅Metal Shading Language Guide。

要在Metal运行时和使用Metal着色语言编写的图形或计算函数之间传递数据或状态，可以为纹理，缓冲区和采样器分配参数索引。参数索引标识Metal运行时和Metal着色代码正在引用哪个纹理，缓冲区或采样器。

对于渲染过程，您可以指定MTLFunction对象以用作MTLRenderPipelineDescriptor对象中的顶点或片段着色器，如 Creating a Render Pipeline State中所述。对于计算传递，在为目标设备创建MTLComputePipelineState对象时指定MTLFunction对象，如Specify a Compute State and Resources for a Compute Command Encoder中所述。

A Library Is a Repository of Functions - 库是函数的仓库

MTLLibrary对象表示一个或多个MTLFunction对象的存储库。 单个MTLFunction对象表示使用着色语言编写的一个Metal函数。 在Metal着色语言源代码中，任何使用Metal函数限定符（vertex, fragment, or kernel）的函数都可以由库中的MTLFunction对象表示。 没有这些函数限定符之一的Metal函数不能由MTLFunction对象直接表示，尽管它可以由着色器中的另一个函数调用。

可以从以下任一来源创建库中的MTLFunction对象：

• 在应用程序构建过程中编译为二进制库格式的Metal着色语言代码。
• 包含Metal着色语言源代码的文本字符串，由应用程序在运行时编译。

1. Creating a Library from Compiled Code - 从编译代码创建库

为了获得最佳性能，请在Xcode的应用程序构建过程中将Metal着色语言源代码编译到库文件中，这样可以避免在应用程序运行时编译函数源的成本。 要从库二进制文件创建MTLLibrary对象，请调用以下MTLDevice方法之一：

• newDefaultLibrary检索为主包构建的库，该库包含应用程序Xcode项目中的所有着色器和计算函数。
• newLibraryWithFile:error:获取库文件的路径并返回包含存储在该库文件中的所有函数的MTLLibrary对象。
• newLibraryWithData:error:获取包含库中函数代码的二进制blob，并返回MTLLibrary对象。

有关在构建过程中编译Metal着色语言源代码的更多信息，请参阅Creating Libraries During the App Build Process。

2. Creating a Library from Source Code - 从源代码创建库

要从可能包含多个函数的Metal着色语言源代码字符串创建MTLLibrary，请调用以下MTLDevice方法之一。 这些方法在创建库时编译源代码。 要指定要使用的编译器选项，请在MTLCompileOptions对象中设置属性。

• newLibraryWithSource:options:error:从输入字符串同步编译源代码以创建MTLFunction对象，然后返回包含它们的MTLLibrary对象。
• newLibraryWithSource:options:completionHandler:异步编译输入字符串中的源代码以创建MTLFunction对象，然后返回包含它们的MTLLibrary对象。 completionHandler是在完成对象创建时调用的代码块。

3. Getting a Function from a Library - 从库中获取函数

MTLLibrary的newFunctionWithName:方法返回具有所请求名称的MTLFunction对象。 如果在库中找不到使用Metal着色语言函数限定符的函数的名称，则newFunctionWithName：返回nil。

Listing 4-1使用MTLDevice的newLibraryWithFile：error：方法通过其完整路径名定位库文件，并使用其内容创建具有一个或多个MTLFunction对象的MTLLibrary对象。 加载文件时的任何错误都会返回error。 然后MTLLibrary的newFunctionWithName：方法创建一个MTLFunction对象，该对象表示源代码中名为my_func的函数。 返回的函数对象myFunc现在可以在应用程序中使用

Listing 4-1  Accessing a Function from a Library

NSError *errors;
id <MTLLibrary> library = [device newLibraryWithFile:@"myarchive.metallib"
                          error:&errors];
id <MTLFunction> myFunc = [library newFunctionWithName:@"my_func"];

Determining Function Details at Runtime - 在运行时确定函数详细信息

由于MTLFunction对象的实际内容是由可能在创建MTLFunction对象之前编译的图形着色器或计算函数定义的，因此其源代码可能无法直接用于应用程序。您可以在运行时查询以下MTLFunction属性：

• name，包含函数名称的字符串。
• functionType，指示函数是声明为顶点，片段还是计算函数。
• vertexAttributes，一个MTLVertexAttribute对象数组，描述顶点属性数据在内存中的组织方式以及如何将其映射到顶点函数参数。有关更多详细信息，请参阅Vertex Descriptor for Data Organization。

MTLFunction不提供对函数参数的访问。可以在创建管道状态期间获得显示着色器或计算函数参数的细节的反射对象（MTLRenderPipelineReflection或MTLComputePipelineReflection，具体取决于命令编码器的类型）。有关创建管道状态和反射对象的详细信息，请参阅Creating a Render Pipeline State或Creating a Compute Pipeline State。如果不使用反射数据，请避免获取反射数据。

反射对象包含命令编码器支持的每种函数类型的MTLArgument对象数组。对于MTLComputeCommandEncoder，MTLComputePipelineReflection在arguments属性中有一个MTLArgument对象数组，对应于其计算函数的参数。对于MTLRenderCommandEncoder，MTLRenderPipelineReflection有两个属性，vertexArguments和fragmentArguments，它们分别对应于顶点函数参数和片段函数参数。

并非函数的所有参数都存在于反射对象中。反射对象仅包含具有关联资源的参数，但不包含使用[[stage_in]]限定符或内置[[vertex_id]]或[[attribute_id]]限定符声明的参数。

Listing 4-2显示了如何获取反射对象（在此示例中为MTLComputePipelineReflection），然后在其arguments属性中迭代MTLArgument对象。

Listing 4-2  Iteration Through Function Arguments

MTLComputePipelineReflection* reflection;
id <MTLComputePipelineState> computePS = [device
              newComputePipelineStateWithFunction:func
              options:MTLPipelineOptionArgumentInfo
              reflection:&reflection error:&error];
for (MTLArgument *arg in reflection.arguments) {
    //  process each MTLArgument
}

MTLArgument属性显示着色语言函数的参数的详细信息。

• name属性只是参数的名称。
• active是一个布尔值，指示是否可以忽略该参数。
• index是其对应参数表中从零开始的位置。例如，对于[[buffer（2）]]，index为2。
• access描述任何访问限制，例如，读取或写入访问限定符。
• type由着色语言限定符指示，例如[[buffer（n）]]，[[texture（n）]]，[[sampler（n）]]或[[threadgroup（n）]]。

type确定哪些其他MTLArgument属性是相关的。

• 如果type是MTLArgumentTypeTexture，则textureType属性指示整体纹理类型（例如着色语言中的texture1d_array，texture2d_ms和texturecube类型），textureDataType属性指示组件数据类型（例如half，float，int或uint） ）。
• 如果type是MTLArgumentTypeThreadgroupMemory，则threadgroupMemoryAlignment和threadgroupMemoryDataSize属性是相关的。
• 如果type是MTLArgumentTypeBuffer，则bufferAlignment, bufferDataSize, bufferDataType和bufferStructType属性是相关的。

如果buffer参数是结构体（即bufferDataType是MTLDataTypeStruct），则bufferStructType属性包含表示结构的MTLStructType，而bufferDataSize包含结构的大小（以字节为单位）。如果buffer参数是一个数组（或指向数组的指针），则bufferDataType指示元素的数据类型，bufferDataSize包含一个数组元素的大小（以字节为单位）。

Listing 4-3深入研究MTLStructType对象，以检查struct成员的详细信息，每个结构成员由MTLStructMember对象表示。结构成员可以是简单类型，数组或嵌套结构。如果成员是嵌套结构，则调用MTLStructMember的structType方法以获取表示结构的MTLStructType对象，然后递归深入分析以进行分析。如果该成员是数组，请使用MTLStructMember的arrayType方法获取表示它的MTLArrayType。然后检查它的MTLArrayType的elementType属性。如果elementType是MTLDataTypeStruct，则调用elementStructType方法以获取结构并继续深入查看其成员。如果elementType是MTLDataTypeArray，则调用elementArrayType方法以获取子数组并进一步分析它。

Listing 4-3  Processing a Struct Argument

MTLStructType *structObj = [arg.bufferStructType];
for (MTLStructMember *member in structObj.members) {
    //  process each MTLStructMember
    if (member.dataType == MTLDataTypeStruct) {
       MTLStructType *nestedStruct = member.structType;
       // recursively drill down into the nested struct
    }
    else if (member.dataType == MTLDataTypeArray) {
       MTLStructType *memberArray = member.arrayType;
       // examine the elementType and drill down, if necessary
    }
    else {
       // member is neither struct nor array
       // analyze it; no need to drill down further
    }
}

后记

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