21.3完全异步的多线程模型

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## 21.3 完全异步的多线程模型当我沿用上一节的多线程模型继续往下开发时，遇到了一个无法解决的问题。为了性能，需要尽可能的将渲染任务设置为非阻塞的，非阻塞任务意味着我无法从渲染线程获得反馈。以创建VAO为例，主线程发出创建VAO非阻塞任务，然后我没办法使用它，因为想使用它就需要VAO的ID。这就是GPU资源管理问题。这让我想起了以前在游戏中写的资源异步加载，每个加载任务都会创建一个Handle与之对应，这种设计模式也可以照搬到多线程渲染。下面看下基于Handle的多线程同步模式。基于Handle的同步模型原理仍然以创建VAO为例，主线程发出创建VAO非阻塞任务时，先创建一个VAO Handle。

21.3 完全异步的多线程模型


CLion项目文件位于 samples\multithread_render\gpu_resource_handle

当我沿用上一节的多线程模型继续往下开发时，遇到了一个无法解决的问题。

为了性能，需要尽可能的将渲染任务设置为非阻塞的，非阻塞任务意味着我无法从渲染线程获得反馈。

以创建VAO为例，主线程发出创建VAO非阻塞任务，然后我没办法使用它，因为想使用它就需要VAO的ID。

这就是GPU资源管理问题。

这让我想起了以前在游戏中写的资源异步加载，每个加载任务都会创建一个Handle与之对应，这种设计模式也可以照搬到多线程渲染。

下面看下基于Handle的多线程同步模式。

1. 基于Handle的同步模型原理

仍然以创建VAO为例，主线程发出创建VAO非阻塞任务时，先创建一个VAO Handle。渲染线程创建VAO后，将Handle与VAO ID映射起来，存放到HashMap中。

主线程发出使用VAO非阻塞任务时，携带Handle作为参数。渲染线程拿到Handle，从HashMap找到对应的VAO ID，去使用。

2. 映射关系管理

我这里使用自增的Index来作为Handle，每一种GPU资源都分配单独的Index。


//file:gpu_resource_mapper.h

#ifndef UNTITLED_GPU_RESOURCE_MAPPER_H
#define UNTITLED_GPU_RESOURCE_MAPPER_H

#include <unordered_map>
#include <glad/gl.h>

/// GPU资源管理，负责管理GPU资源ID与其在引擎逻辑ID的映射关系。
class GPUResourceMapper {
public:
    /// 生成Shader程序句柄
    /// \return
    static unsigned int GenerateShaderProgramHandle(){
        return ++shader_program_index_;
    }

    /// 生成VAO句柄
    /// \return
    static unsigned int GenerateVAOHandle(){
        return ++vao_index_;
    }

    /// 映射Shader程序
    /// \param shader_program_handle
    /// \param shader_program_id
    static void MapShaderProgram(unsigned int shader_program_handle, GLuint shader_program_id){
        shader_program_map_[shader_program_handle] = shader_program_id;
    }

    /// 映射VAO
    /// \param vao_handle
    /// \param vao_id
    static void MapVAO(unsigned int vao_handle, GLuint vao_id){
        vao_map_[vao_handle] = vao_id;
    }

    /// 获取Shader程序
    /// \param shader_program_handle
    /// \return
    static GLuint GetShaderProgram(unsigned int shader_program_handle){
        return shader_program_map_[shader_program_handle];
    }

    /// 获取VAO
    /// \param vao_handle
    /// \return
    static GLuint GetVAO(unsigned int vao_handle){
        return vao_map_[vao_handle];
    }

private:
    static unsigned int shader_program_index_;//Shader程序索引
    static unsigned int vao_index_;//VAO索引

    static std::unordered_map<unsigned int, GLuint> shader_program_map_;//Shader程序映射表
    static std::unordered_map<unsigned int, GLuint> vao_map_;//VAO映射表
};


#endif //UNTITLED_GPU_RESOURCE_MAPPER_H

3. 生成Handle

对创建VAO任务结构进行改造，删除需要回传的参数，新增VAO句柄字段 vao_handle_。


//file:render_task_type.h line:53

/// 创建VAO任务
class RenderTaskCreateVAO: public RenderTaskBase{
public:
    RenderTaskCreateVAO(){
        render_command_=RenderCommand::CREATE_VAO;
    }
    ~RenderTaskCreateVAO(){}
public:
    unsigned int shader_program_handle_=0;//着色器程序句柄
    const void* positions_=nullptr;//顶点位置
    GLsizei   positions_stride_=0;//顶点数据大小
    const void* colors_=nullptr;//顶点颜色
    GLsizei   colors_stride_=0;//颜色数据大小
    unsigned int vao_handle_=0;//VAO句柄
};

在主线程创建VAO任务时，先生成VAO Handle，将其作为任务参数。


//file:main.cpp line:50

int main(void)
{
    ......

    //创建缓冲区任务
    vao_handle_=GPUResourceMapper::GenerateVAOHandle();
    RenderTaskProducer::ProduceRenderTaskCreateVAO(shader_program_handle_, kPositions, sizeof(glm::vec3), kColors,
                                                   sizeof(glm::vec4), vao_handle_);

    ......
}

4. Handle映射到GPU资源

渲染线程创建VAO之后，将VAO Handle映射到VAO ID。


//file:render_task_consumer.cpp line:92

/// 创建VAO
/// \param task_base
void RenderTaskConsumer::CreateVAO(RenderTaskBase* task_base){
    RenderTaskCreateVAO* task= dynamic_cast<RenderTaskCreateVAO*>(task_base);
    //从映射表中，获取Shader程序句柄
    GLuint shader_program= GPUResourceMapper::GetShaderProgram(task->shader_program_handle_);
    GLuint vbo_pos,vbo_color,vao;

    glGenVertexArrays(1, &vao);
    glGenBuffers(1, &vbo_pos);
    glGenBuffers(1, &vbo_color);

    GLint attribute_pos_location = glGetAttribLocation(shader_program, "a_pos");
    GLint attribute_col_location = glGetAttribLocation(shader_program, "a_color");

    glBindVertexArray(vao);
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vbo_pos);
    glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(kPositions), kPositions, GL_STATIC_DRAW);
    glVertexAttribPointer(attribute_pos_location, 3, GL_FLOAT, false, sizeof(glm::vec3), (void*)0);
    glEnableVertexAttribArray(attribute_pos_location);//启用顶点Shader属性(a_pos)，指定与顶点坐标数据进行关联

    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vbo_color);
    glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(kColors), kColors, GL_STATIC_DRAW);
    glVertexAttribPointer(attribute_col_location, 3, GL_FLOAT, false, sizeof(glm::vec4), (void*)0);
    glEnableVertexAttribArray(attribute_col_location);//启用顶点Shader属性(a_color)，指定与顶点颜色数据进行关联

    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0);
    glBindVertexArray(0);

    //将主线程中产生的VAO句柄 映射到 VAO
    GPUResourceMapper::MapVAO(task->vao_handle_,vao);
}

5. 使用Handle

当绘制三角形任务时，带上VAO Handle作为参数。


//file:main.cpp line:74

void Render(){
    //绘制任务
    RenderTaskProducer::ProduceRenderTaskDrawArray(shader_program_handle_, vao_handle_);
}

在渲染线程中，由VAO Handle找到VAO ID，然后再绑定进行绘制。


//file:render_task_consumer.cpp line:127

/// 绘制
/// \param task_base
/// \param projection
/// \param view
void RenderTaskConsumer::DrawArray(RenderTaskBase* task_base, glm::mat4& projection, glm::mat4& view){
    RenderTaskDrawArray* task= dynamic_cast<RenderTaskDrawArray*>(task_base);

    //从映射表中，获取Shader程序句柄
    GLuint shader_program= GPUResourceMapper::GetShaderProgram(task->shader_program_handle_);
    //从映射表中，获取VAO
    GLuint vao= GPUResourceMapper::GetVAO(task->vao_handle_);

    //指定Shader程序
    glUseProgram(shader_program);
    {
        glBindVertexArray(vao);

        //上传顶点数据并进行绘制
        glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 3);
    }
}

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