再谈vbo

2024-02-14 19:19:34

我们之前都是通过glNamedBufferData初始化buffer object，初始化的意思是为buffer object开辟显存空间，并填充数据：

GLfloat position[] =
{
    -1.0f, -1.0f,
    0.0f, 1.0f,
    1.0f,  -1.0f,
};
GLuint vbo = 0;
glCreateBuffers(1, &vbo);
glNamedBufferData(vbo, sizeof(position), position, GL_STATIC_DRAW);

...
drawTriangle();

glNamedBufferData一个比较方便的地方就是，如果我们在drawTriangle()完成之后还想再绘制一个方形，可以复用这个vbo。

...		//after drawing triangle
GLfloat position[] =
{
    -0.5f, 0.5f,
    -0.5f, -0.5f,
     0.5f,  0.5f,
     0.5f, -0.5f,
};

glNamedBufferData(vbo, 8 * sizeof(GLfloat), position, GL_STATIC_DRAW);	//只能等drawTriangle完成之后才能执行

...
drawRect();

一个buffer object可以复用很多次，但是不推荐这么做。因为这样会降低GPU的并行力度，起码我们可以推断：glNamedBufferData(vbo, 8 * sizeof(GLfloat), position, GL_STATIC_DRAW)要等待drawTriangle()完成之后才能执行。有经验的OpenGL程序员都会创建两个VBO完成这两次render操作。

但是我想表达的是：对于同一个buffer object，可以多次调用glNamedBufferData为它重新分配空间和指定usage。

那有没有一种API，一旦初始化完buffer object之后，其size和usage就不得发生改变呢？有，它就是我们今天要讲的glNamedBufferStorage。

glNamedBufferStorage

先看一下这个命令的原型：

void glNamedBufferStorage(GLuint buffer,
 	GLsizeiptr size,
 	const void *data,
 	GLbitfield flags);

前三个参数与glNamedBufferData相同，最后一个参数是以位组合来表达此buffer的usage，它的值可能是以下标识位组合：

  • GL_DYNAMIC_STORAGE_BIT
  • GL_MAP_READ_BIT
  • GL_MAP_WRITE_BIT
  • GL_MAP_PERSISTENT_BIT
  • GL_MAP_COHERENT_BIT

我不会去机械的罗列出这些标识位的意思，因为那样会很无趣。我的理念是用到哪个东西，再讲哪个东西。

首先，再次明确一下，官方的说法是：一旦用glNamedBufferStorage为buffer object分配好空间并指定usage flag之后，该buffer object的size和usage flag就不能再发生改变，不过数据的内容倒是可以改变。

在我看来，这句话说的实在是太轻了，因为哪怕是这样代码：

//以相同的参数调用glNamedBufferStorage两次
glNamedBufferStorage(vbo, sizeof(trianglePosition), trianglePosition, 0);
glNamedBufferStorage(vbo, sizeof(trianglePosition), trianglePosition, 0);

OpenGL都会抱怨产生了一个错误：Cannot modify immutable buffer。

哇，您还不如和我说对于同一个buffer object，只能调用一次glNamedBufferStorage呢。不过这样的严格限制，带来的好处是：比起glNamedBufferData，glNamedBufferStorage能够带来更好的性能。而且glNamedBufferStorage的usage flag参数更加现代化，准确的判断usage flag参数，对于性能的优化以及程序的正确执行都至关重要。比如你调用了glNamedBufferStorage为某个buffer object开辟了空间并初始化了其中的数据，之后你再也不想对这个buffer object进行读取或者写入，那么就可以把usage flag设置为0，这将带来最好的性能优化。

但是如果我们还想修改这个buffer object中的数据，或者是想把buffer object中的数据读取至内存，该怎么办呢？

读取buffer中的数据

在把buffer object的usage设置为0的情况下，我们可以调用glNamedBufferSubData来读取buffer中的数据：

glNamedBufferStorage(vbo, sizeof(trianglePosition), trianglePosition, 0);	//最后一个参数设置为0
...
glGetNamedBufferSubData(vbo, 0, 9*sizeof(GLfloat), positionPointer);

这样，vbo中的数据就会从显存映射到positionPointer指向的内存空间。

不过这里还是有一个小细节：调用glNamedBufferStorage之后，OpenGL告诉我这个buffer object的usage hint是GL_STATIC_DRAW，然后我们在某个时机再调用glGetNamedBufferSubData之后，OpenGL就会告诉我这个buffer object的usage hint是GL_DYNAMIC_DRAW。我们都知道GL_STATIC_DRAW是要比GL_DYNAMIC_DRAW的性能更好。

向buffer中写入数据

我们可以调用glNamedBufferSubData来向buffer object中写入数据：

glNamedBufferSubData(vbo, 0, 9*sizeof(GLfloat), newTrianglePoints);

不过，初始化buffer object的时候，要把usage设置为GL_DYNAMIC_STORAGE_BIT

glNamedBufferStorage(vbo, sizeof(trianglePosition), trianglePosition, GL_DYNAMIC_STORAGE_BIT);

而且，与"读取buffer中的数据"中得到的结论一致：调用glNamedBufferSubData之后，OpenGL也会告诉我buffer object的usage hint是GL_DYNAMIC_DRAW。

所以各位同学，哥哥奉劝你们：使用glNamedBufferStorage初始化buffer object空间之后，尽量就不要再对buffer object进行读写了吧。

我尝试过把usage设置为0，然后向buffer写入数据：

glNamedBufferStorage(vbo, sizeof(trianglePosition), trianglePosition, 0);
...
glNamedBufferSubData(vbo, 0, 9*sizeof(GLfloat), newTrianglePoints);

OpenGL又告诉我发生了一个错误： Buffer contents cannot be modified because the buffer was created without the GL_DYNAMIC_STORAGE_BIT set。虽然尽可能精简usage flag是一个好习惯，不过前提还是要保证程序的正确性。

另外，虽然glNamedBufferSubData看起来与glNamedBufferData有点像，但是它们确实不是同一类API。

glNamedBufferData和glNamedBufferStorage算是同一类API，而glNamedBufferSubData是配合glNamedBufferStorage使用的。

glMapNamedBufferRange

在早期的OpenGL，我们可以使用glMapBuffer和glUnmapBuffer来读写buffer object的数据。modern OpenGL有更为高级的API来做这件事：

void *glMapNamedBufferRange(GLuint buffer,
 	GLintptr offset,
 	GLsizeiptr length,
 	GLbitfield access);

此君与glMapNamedBuffer相比，有两个优点：

  1. 能够将buffer object的一部分（而非全部）数据映射到内存空间。
  2. 能够以位组合的形式描述访问策略，access参数必须与glNamedBufferStorage的usage配合起来使用。

比如我想读取三角形的顶点位置buffer中的数据，然后进行射线求交：

GLfloat position[] =
{
    ...
};
glNamedBufferStorage(vbo, 9 * sizeof(GLfloat), position, GL_MAP_READ_BIT);	//初始化buffer时，usage flag要包含GL_MAP_READ_BIT才能读取buffer的内容

...

GLfloat* trianglePosition = (GLfloat*)glMapNamedBufferRange(vbo, 0, 9 * sizeof(GLfloat), GL_MAP_READ_BIT);//最后一个参数表示仅对buffer进行读操作

//射线求交的伪代码
Ray ray;
ray.intersectWithTriangle(trianglePosition);

GLboolean unMap = glUnmapNamedBuffer(vbo);	//操作完成，告诉OpenGL我不会再使用trianglePosition指针指向的内容了
assert(unMap);

需要反复强调的：glNamedBufferStorage的usage flag参数要与glMapNamedBufferRange的access flag参数配合起来。

另外，当不再需要glMapNamedBufferRange返回的数据之后，应尽快进行glUnmapNamedBuffer。然后检查其返回值，在某些极端的情况下，可能会unmap失败。

当我进行读操作的时候，OpenGL没有通知我关于buffer的usage hint的消息。当我进行写操作的时候，OpenGL通知我此buffer的usage hint为GL_DYNAMIC_DRAW。

到底该使用哪个

既然glNamedBufferSubData(glGetNamedBufferSubData)和glMapNamedBufferRange都能读写buffer的数据，那问题来了，我们应该用哪个呢？

首先，glMapNamedBufferRange更具性能优势。我不去讲什么专业名词（譬如什么asynchronous DMA transfer之类的东东），仅从代码的角度来分析为什么glMapNamedBufferRange速度更快。

首先，我们为glNamedBufferSubData传入的指针所指向的内存空间是我们自己分配出来的。譬如：

GLfloat* trangleColor = new GLfloat[9];
for (int i = 0; i < 3; ++i)
{
    for (int j = 0; j < 3; ++j)
	trangleColor[i * 3 + j] = 1.0f;
}
glNamedBufferSubData(vbo, 0, sizeof(GLfloat) * 9, trangleColor);
delete[] trangleColor;		//传输到buffer之后直接销毁

如上代码，OpenGL无法预料到开发者在调用完glNamedBufferSubData之后，怎么处理trangleColor指向的内存空间，比如我调用完glNamedBufferSubData之后直接销毁掉了这部分数据。所以OpenGL只能让CPU在glNamedBufferSubData先停下来，集中精力把triangleColor指向的内存空间的内容拷贝到显存空间，等glNamedBufferSubData返回之后（拷贝完成），才能继续往下执行。

而glMapNamedBufferRange返回内存空间是OpenGL自己管理的，当我们调用glUnmapNamedBuffer之后，可以立即返回，然后在比较闲的时候偷偷的执行拷贝操作，并且这个操作也可以与其它的命令并行执行。

所以如果只是很偶尔地读写的很小的数据量，两者区别可能没有那么明显。但是如果频繁的读写，或者一次读写的数据量很大，那么glMapNamedBufferRange glUnmapNamedBuffer的性能优势就非常明显了。

glMapNamedBufferRange还有一个优点，比如三角形的顶点数据存放到了磁盘的某个文件中，现在要用这个文件的顶点来创建vbo：

//使用glNamedBufferSubData
FILE* f = fopen("position.dat", "rb");
fseek(f, 0, SEEK_END);
long fileSize = std::ftell(f);
fseek(f, 0, SEEK_SET);

glNamedBufferStorage(vbo[0], fileSize, nullptr, GL_DYNAMIC_STORAGE_BIT);

GLchar* position = new GLchar[fileSize];	//申请内存空间用来存放文件的顶点数据
fread(position, 1, fileSize, f);
glNamedBufferSubData(vbo[0], 0, fileSize, position);
delete[] position;
fclose(f);

//使用glMapNamedBufferRange
FILE* f = fopen("position.dat", "rb");
fseek(f, 0, SEEK_END);
long fileSize = std::ftell(f);
fseek(f, 0, SEEK_SET);

glNamedBufferStorage(vbo[0], fileSize, nullptr, GL_MAP_WRITE_BIT);

void* data = glMapNamedBufferRange(vbo[0], 0, fileSize, GL_MAP_WRITE_BIT);
fread(data, 1, fileSize, f);
fclose(f);
glUnmapNamedBuffer(vbo[0]);

利用glMapNamedBufferRange就可以避免先把文件的内容拷贝到内存中这一步骤。

小结

  1. 推荐使用glNamedBufferStorage初始化buffer object。
  2. 推荐使用glMapNamedBufferRange glUnmapNamedBuffer读写buffer中的数据。
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