Vulkan加载器接口架构

此文翻译于 https://github.com/KhronosGroup/Vulkan-LoaderAndValidationLayers/blob/master/loader/LoaderAndLayerInterface.md

Overview

Vulkan is a layered architecture, made up of the following elements:

The general concepts in this document are applicable to the loaders available for Windows, Linux and Android based systems.

Who Should Read This Document

这份文档主要的目标读者是Vulkan应用开发者，驱动和layer开发者，然而本文的信息对于想要深入了解Vulkan运行时 lib的人都是有帮助的。

The Loader

应用程序处于加载器的一端，是加载器直接的上层。应用程序中加载器的另外一侧是ICD，它控制了vulkan兼容的硬件。需要谨记的一点是Vulkan兼容的硬件可以基于图形的、基于计算的，或者二者兼有。在应用程序和ICD之间，加载器可以插入多个可选的 layers，这些layer各自提供了某些功能。

加载器负责和各种layers打交道，并负责支持多GPU及驱动程序。任何Vulkan函数最终都会访问到各个模块：加载器、layers和ICDs。加载器肩负把Vulkan函数转发到合适layers和ICDs的重责。Vulkan对象模型允许加载器想调用链中插入layers，以便layers可以在ICD被调用之前处理Vulkan函数。

此文档旨在提供在这些概念之间必需的接口的概览。

Goals of the Loader

加载器设计之初衷如下：

在用户的计算机系统上支持多个Vulkan兼容的ICD，且互相之间不影响。
支持Vulkan 层，它是可选的模块，可以被应用程序、用户或者系统设定所启用。
Impact the overall performance of a Vulkan application in the lowest possible fashion.

Layers

Layers是增强Vulkan系统可选的组件。它们可以在已有的Vulkan函数从应用程序到硬件之间进行拦截、求值，甚至修改。 Layers通过libraries来实现，可以通过多种不同的方式被启用（包括应用程序的请求），在CreateInstance的时候被载入。每一个layer可以选择hook（拦截）任何Vulkan函数，终造成vulkan函数被忽略或者增强。一个layer可以不拦截任何Vulkan函数。它可以选择拦截任何已知的的函数，或者可以选择只拦截一个函数。

layers能带来的特性案例可以包括如下几个：

验证API的使用
增强Vulkan API的跟踪和调试能力
给应用程序的surfaces覆盖追加的内容

因为layers是可选的，你可以选择启用layers来调试你的应用程序，但是在发布产品的时候关闭任何layer。

Installable Client Drivers

Vulkan允许多个 Installable Client Drivers (ICDs) 的一个系统中共存，每一个支持一个或者多个物理设备（通过 VkPhysicalDevice 对象表示）。加载器负责查找系统上可用的Vulkan ICDs。当给出一组可用的ICDs，加载器可以遍历所有可用的物理设备，并把这些信息返回给应用程序。

Instance Versus Device

在此文档中你可能一直看到一个非常重要的概念。很多函数，拓展和Vulkan中其他的东西都被分为两类：

Instance-related Objects
Device-related Objects

Instance-related Objects

一个Vulkan实例是一个高层次的构造，用来提供Vulkan系统层次的信息或者功能。和instance直接相关的Vulkan对象有：

VkInstance
VkPhysicalDevice

一个instance函数的定义是任何把Instance列表的其中一个作为第一个参数，或者没有参数的函数。一些Vulkan Instance函数有：

vkEnumerateInstanceExtensionProperties
vkEnumeratePhysicalDevices
vkCreateInstance
vkDestroyInstance

你可以使用vkGetInstanceProcAddr查询Vulkan实例函数。vkGetInstanceProcAddr 可以被用来查询设备或者实例的入口函数（包括核心入口函数）。返回的函数指针对实例以及在该实例下创建的对象（包括所有的l VkDevice 对象）来说是有效的。

同样，一个实例拓展是拓展了Vulkan语言的一系列实例函数。这些将在后续小节中讨论。

Device-related Objects

一个Vulkan设备，从另外一方面讲，是一个用来关联函数和用户系统上特定物理设备的逻辑标识符。与设备直接关联的Vulkan数据结构有：

VkDevice
VkQueue
VkCommandBuffer
Any dispatchable object that is a child of a one of the above.

一个设备函数是任何把设备对象作为第一个参数的函数。一些设备函数有：

vkQueueSubmit
vkBeginCommandBuffer
vkCreateEvent

你可以使用 vkGetInstanceProcAddr 或vkGetDeviceProcAddr 来查询Vulkan设备函数。如果你选择使用vkGetInstanceProcAddr，它将在调用链上有附加的层，这将些许降低程序性能。然而，返回的函数指针可以用在以后创建的任何设备上，只要它关联到同一个Vulkan实例上。如果你使用 vkGetDeviceProcAddr，调用链将针对特定设备被优化，但是它将只能在查询到该函数的设备上使用。还有，不像 vkGetInstanceProcAddr，vkGetDeviceProcAddr 只能用于核心的Vulkan设备函数，或者设备拓展函数。

最佳解决方案是使用vkGetInstanceProcAddr来查询实例拓展函数，使用vkGetDeviceProcAddr来查询设备拓展函数。参考Best Application Performance Setup 以获取更多信息。

和Instance拓展一样，一个设备拓展是一系列的拓展了Vulkan语言的Vulkan设备函数。你可以在本文档后面有更多的了解。

Dispatch Tables and Call Chains

Vulkan使用对象模型来控制特定动作/操作的生命周期。被操作的对象一般都作为Vulkan调用的第一个参数，而且是一个可分发对象（参看Vulkan规范 2.3节对象模型）。在底层，可分发对象的handle是一个指向数据结构的指针，数据结构反过来包含了一个由加载器维护的分发表。这个转发表包含了能够获取到这个对象的Vulkan函数的指针。

加载器维护了两种类型的分发表：

Instance转发表
在vkCreateInstance调用中加载器创建的
设备转发表
在vkCreateDevice调用中加载器创建的

在此时，应用程序或者系统可以指定可选的将被包括的layers。加载器将初始化指定的layers，来为每一个Vulkan函数创建一个调用链，转发表的每一条将指向该调用链的第一个元素。故，加载器为每一个被创建的 VkInstance 建立了instance调用链，为每一个被创建的VkDevice 建立了设备调用链。

当应用程序调用一个Vulkan函数，通常这将先访问加载器的trampoline 函数。这些trampoline 函数很小、简短，能跳转到给定对象的分发表的某一条。另外，对于在instance调用链的函数，加载器有额外的函数，称为 terminator，它在所有即将启用的layers把合适的信息存放到可选的ICDs之后被调用。

Instance Call Chain Example

例如，如下的图展示了vkCreateInstance的调用链发生了什么。在初始化链之后，加载器将调用第一层的vkCreateInstance，它将再次调用加载器，这个函数将调用每一个ICD的vkCreateInstance 并保存运行结果。这允许调用链中每一个被启用的层都能基于VkInstanceCreateInfo数据结构建立自己所需的信息。

这也强调出来加载器在使用instance调用链时必须管理好各种复杂性。如下所示，加载器的 terminator 必须在可见的多个ICD中收集或发送分类信息。这表示加载器必须获知实例层的各个拓展，以便更好的分类。

Device Call Chain Example

设备调用链是在vkCreateDevice 调用中创建的，通常较为简单，因为他们只和一个物理设备打交道，ICD也总是调用链的 terminator。