Metal介绍
Metal是苹果在2018年推出用于取代在苹果端的业务的图形编程接口，在2018年之前使用的是基于OpenGL ES 封装的GLKit，通过Metal相关API直接操作GPU，能最大限度的利用GPU能力。
特点
Metal具有以下特点
- 低CPU开销
- 最佳GPU性能，即metal 能在GPU上发挥最大的性能
- 最大限度的提高CPU/GPU 的并发性
- 有效的资源管理
图形管道 graphics pipelines
Metal中图形管道与OpenGL ES是一致的，并没有什么差别，如图所示
- 通过CPU将顶点数据传递到顶点着色器
- 顶点着色器将处理好的顶点进行图元装配
- 然后进行光栅化，得到每个像素点的颜色值
- 然后将颜色传入片元着色器进行处理
- 最后将数据存储到帧缓存区，并显示到屏幕上
Metal的使用建议
苹果对metal的使用有以下几点建议：
Separate Your Rendering Loop分开渲染循环：不希望将渲染的处理放到VC中，希望将渲染循环封装在一个单独的类中Respond to View Events响应视图的事件，即MTKViewDelegate协议，也需要放在自定义的渲染循环中Metal Command Objects创建一个命令对象，即创建执行命令的GPU设备、MTLCommandQueue命令队列以及驱动GPU的MTCommandBuffer渲染缓存区
Metal命令对象之间的关系
metal命令对象之间的关系如下图所示
- 命令缓存区（command buffer）是从命令队列（command queue）创建的
- 命令编码器（command encoder）将命令编码到命令缓存区中
- 提交命令缓存区并将其发送到GPU
- GPU执行命令并将结果呈现为可绘制
下面介绍Metal的相关API
Metal API
MTKView
在MetalKit中提供了一个视图类MTKView，类似于GLKit中GLKView，它是NSView（macOS中的视图类）或者UIView（iOS、tvOS中的视图类）的子类。用于处理metal绘制并显示到屏幕过程中的细节。
所以在使用metal时，首先需要先创建MTKView对象，有两种创建方式
- 直接修改storyboard中view的类
- 使用init创建
MTLDevice
由于metal是操作GPU的，所以需要获取GPU使用权限，即拿到GPU对象，Metal中提供了MTLDevice协议表示GPU接口，在iOS中一般是通过默认的方式MTLCreateSystemDefaultDevice()获取GPU
_view.device = MTLCreateSystemDefaultDevice();
metal的使用必须使用真机，且必须是6s及以上的机型
如果设备不支持mental，将会返回空
如果想使用多个MTLDevice实例，或者从一个MTLDevice切换到另一个，则需要为每个MTLDevice创建单独的一组对象
MTLDevice协议表示可以执行命令的GPU，提供了如下功能
- 创建新的命令队列
- 从内存分配缓冲区
- 创建纹理
- 查询设备功能
官方文档-The Device Object Represents a GPU
MTLCommandQueue
在获取了GPU后，还需要一个渲染队列，即命令队列Command Queue类型是MTLCommandQueue，该队列是与GPU交互的第一个对象，队列中存储的是将要渲染的命令MTLCommandBuffer。
队列的获取需要通过MTLDevice对象获取，且每个命令队列的生命周期很长，因此commandQueue可以重复使用，而不是频繁创建和销毁。
_commandQueue = [_device newCommandQueue];
在绘制之前，首先需要配置好MTKView、MTLDevice以及MTLCommandQueue后，其次是准备渲染到屏幕上的数据，即准备缓存数据MTLCommandBuffer，例如顶点数据等。
简单的渲染流程就是
- 先通过
MTLCommandBuffer创建渲染缓存区， - 其次通过
MTLRenderPassDescriptor创建渲染描述符， - 然后再通过创建的渲染缓存区和渲染描述符创建命令编辑器
MTLRenderCommandEncoder进行编码 - 最后是结束编码，提交渲染命令，在完成渲染后，将命令缓存区提交至GPU
MTLCommandBuffer
命令缓存区 Command Buffer主要是用于存储编码的命令，其生命周期是知道缓存区被提交到GPU执行为止，单个的命令缓存区可以包含不同的编码命令，主要取决于用于构建它的编码器的类型和数量。
命令缓存区的创建可以通过调用MTLCommandQueue的commandBuffer方法。且command buffer对象的提交只能提交至创建它的MTLCommandQueue对象中
commandBuffer在未提交命令缓存区之前，是不会开始执行的，提交后，命令缓存区将按其入队的顺序执行，commandBuffer的提交方式有以下两种，不同的提交方式表示不同的执行顺醋
enqueue：顺序执行，enqueue方法在命令队列中为命令缓存区保留一个位置，此时并未提交命令缓存区，当最终提交命令缓存区后，按照命令队列的顺序依次执行commit：插队尽快执行，如果前面有commit还是需要排队等着
MTLRenderCommandEncoder
MTLRenderCommandEncoder表示单个渲染过程中相关联的渲染状态和渲染命令，有以下功能：
指定图形资源，例如缓存区和纹理对象，其中包含顶点、片元、纹理图片数据- 指定一个
MTLRenderPipelineState对象，表示编译的渲染状态，包含顶点着色器和片元着色器的编译&链接情况 指定固定功能，包括视口、三角形填充模式、剪刀矩形、深度、模板测试以及其他值- 绘制3D图元
其中在创建commandEncoder之前，需要县创建渲染描述符MTLRenderPassDescriptor，渲染描述符通过MTKView的currentRenderPassDescriptor获取
MTLRenderPassDescriptor *renderPassDescriptor = view.currentRenderPassDescriptor;
然后通过commandBuffer结合渲染描述符创建命令编辑器
id<MTLRenderCommandEncoder> renderEncoder = [commandBuffer renderCommandEncoderWithDescriptor:renderPassDescriptor];
通过苹果官方文档-MTLRenderCommandEncoder，着重说下使用渲染命令编码器执行渲染的过程
- 通过调用
MTLCommandBuffer对象的makeRenderCommandEncoder（descriptor :)方法来创建MTLRenderCommandEncoder对象。 - 调用
setRenderPipelineState（_ :)方法以指定MTLRenderPipelineState，该状态定义图形渲染管道的状态，包括顶点和片段函数。 - 指定用于顶点和片元函数输入和输出的资源，并在对应的参数中设置每个资源的位置（即索引），即将顶点数据等通过commandEncoder调用
setVertexBytes:length:atIndex:函数传递到metal文件的顶点着色器和片元着色器函数 - 指定其他的固定功能状态，例如通过commandEncoder调用
setViewport:函数设置视口大小等 - 绘制图形
- 调用
endEncoding（）方法以终止渲染命令编码器。
参考链接
-
Metal苹果官方使用链接
Metal Best Practices Guide
Metal Programming Guide -
Metal中常用的API
MTKView -
Metal中的常用协议
MTLDevice
MTLCommandQueue
MTLCommandBuffer
MTLCommandEncoder -
Metal案例（苹果官方提供）
Metal Sample Code