Vulkan 开发（十一）：Vulkan 交换链

Vulkan 系列文章：

1. 开篇，Vulkan 概述

2. Vulkan 实例

3. Vulkan 物理设备

4. Vulkan 设备队列

5. Vulkan 逻辑设备

6. Vulkan 内存管理

7. Vulkan 缓存

8. Vulkan 图像

9. Vulkan 图像视图

10. Vulkan 窗口表面（Surface）

什么是交换链

FIFO 呈现模式的交换链

Vulkan 交换链（Swapchain）是 Vulkan 应用程序与窗口系统之间的一座桥梁，负责将渲染结果呈现给用户。

换个说法，交换链是一种图元绘制结果呈现的机制，它可以将绘制结果渲染到平台相关的展示窗口/展示层当中。

交换链包含一组图像（一般作为渲染目标），这些图像被用于在屏幕上显示渲染的帧。

交换链中的图像个数与驱动层的实现是密切相关的。如果交换链中有两幅图像，那么称为双缓存，如果有三幅图像，那么称作三缓存。

在这些图像中，如果有一幅图像在后台已经完成了绘制过程，那么它会被交换到前台的展示窗口。

为了充分利用GPU的性能，此时另一幅图像会交换作为后台的缓存来执行下一帧的绘制过程。

这个过程往复执行，图像的交换过程也就持续进行。使用多幅图像可以保持GPU始终处于渲染某一帧图像的忙碌状态，从而降低总体的等待时间，改善输出帧速率。

交换链的作用

图像管理: 交换链维护了一组用于显示的图像，称为交换链图像（Swapchain Images）。交换链图像通常至少有两个，这样就可以实现双缓冲或多缓冲，从而避免屏幕闪烁。
同步: 管理 CPU 和 GPU 之间的同步，确保渲染操作不会在显示更新之前完成，这有助于防止撕裂（tearing）现象，即在同一帧内看到两个不同图像的一部分。
图像呈现:

应用程序首先在一个缓冲区上进行渲染，完成渲染后，该缓冲区会被提交给交换链，然后交换链会将这个缓冲区的内容显示到屏幕上。
当一个缓冲区正在显示时，另一个缓冲区可以用于下一轮的渲染，这样就形成了一个循环。

创建交换链

创建交换链之前，我们需要利用上一节创建的 VkSurfaceKHR 对象来获取创建交换链所需的尺寸、格式、颜色空间等信息。

 1VkSurfaceKHR surface;23//获取表面的特性4VkSurfaceCapabilitiesKHR surfaceCapabilities;5vkGetPhysicalDeviceSurfaceCapabilitiesKHR(physicalDevice, surface,6                                        &surfaceCapabilities);7uint32_t formatCount = 0;8vkGetPhysicalDeviceSurfaceFormatsKHR(physicalDevice, surface,9                                   &formatCount, nullptr);
10
11//获取表面所支持的格式
12VkSurfaceFormatKHR* formats = new VkSurfaceFormatKHR[formatCount];
13vkGetPhysicalDeviceSurfaceFormatsKHR(physicalDevice, surface,
14                                   &formatCount, formats);

获取上述信息之后，我们来填充 VkSwapchainCreateInfoKHR 结构体。

创建交换链的函数 vkCreateSwapchainKHR ：

1VkResult vkCreateSwapchainKHR(
2    VkDevice                        device,                  // Vulkan 设备句柄
3    const VkSwapchainCreateInfoKHR* pCreateInfo,             // 指向 VkSwapchainCreateInfoKHR 结构体的指针，描述交换链的创建参数
4    const VkAllocationCallbacks*    pAllocator,              // 自定义的内存分配器回调函数指针，可以为 NULL 表示使用默认分配器
5    VkSwapchainKHR*                 pSwapchain               // 指向 VkSwapchainKHR 句柄的指针，函数成功返回时，包含创建的交换链
6)
7

VkSwapchainCreateInfoKHR 是一个用于描述交换链创建信息的结构体。它包含了创建交换链所需的所有参数，如表面、图像数量、格式、分辨率等。

以下是 VkSwapchainCreateInfoKHR 结构体的定义：

 1typedef struct VkSwapchainCreateInfoKHR {2VkStructureType                  sType;              // 必须是 VK_STRUCTURE_TYPE_SWAPCHAIN_CREATE_INFO_KHR3const void*                      pNext;              // 指向扩展结构的指针，通常为 nullptr4VkSwapchainCreateFlagsKHR        flags;              // 交换链创建标志，当前版本 Vulkan 中未使用，设置为 05VkSurfaceKHR                     surface;            // 渲染表面（窗口或显示设备）6uint32_t                         minImageCount;      // 交换链中图像的最小数量7VkFormat                         imageFormat;        // 交换链图像的格式（颜色格式）8VkColorSpaceKHR                  imageColorSpace;    // 交换链图像的颜色空间9VkExtent2D                       imageExtent;        // 交换链图像的宽度和高度
10uint32_t                         imageArrayLayers;   // 交换链图像的数组层数（通常为 1）
11VkImageUsageFlags                imageUsage;         // 交换链图像的用途标志（如颜色附件）
12VkSharingMode                    imageSharingMode;   // 图像共享模式（独占模式或并发模式）
13uint32_t                         queueFamilyIndexCount; // 队列家族索引数量（imageSharingMode 为 VK_SHARING_MODE_CONCURRENT 时使用）
14const uint32_t*                  pQueueFamilyIndices;  // 指向队列家族索引数组的指针（imageSharingMode 为 VK_SHARING_MODE_CONCURRENT 时使用）
15VkSurfaceTransformFlagBitsKHR    preTransform;       // 表面变换（如旋转或翻转）
16VkCompositeAlphaFlagBitsKHR      compositeAlpha;     // 复合 Alpha 混合模式
17VkPresentModeKHR                 presentMode;        // 交换链的呈现模式（如 FIFO、Mailbox 等）
18VkBool32                         clipped;            // 指定剪裁窗口外的像素（VK_TRUE 为剪裁）
19VkSwapchainKHR                   oldSwapchain;       // 旧的交换链（用于重新创建交换链时），否则为 VK_NULL_HANDLE
20} VkSwapchainCreateInfoKHR;

VkSwapchainCreateInfoKHR结构体的属性看起来很多，实际上绝大部分情况下都是固定写死的，所以只需要简单了解下即可。

其中 VkColorSpaceKHR 、VkImageUsageFlags、VkSurfaceTransformFlagBitsKHR、VkPresentModeKHR 这个几个稍微关注下。

VkColorSpaceKHR

VkColorSpaceKHR 定义了交换链图像的颜色空间。

颜色空间表示图像数据如何转换为颜色信息，以在显示设备上正确显示，处理 HDR 图像的时候需要重点关注。

 1typedef enum VkColorSpaceKHR {2    VK_COLOR_SPACE_SRGB_NONLINEAR_KHR = 0,                // sRGB 颜色空间，带非线性伽马校正。常用于标准显示器。3    VK_COLOR_SPACE_DISPLAY_P3_NONLINEAR_EXT = 1000104001, // Display-P3 色域，带非线性伽马校正。用于支持 P3 色域显示器。4    VK_COLOR_SPACE_EXTENDED_SRGB_LINEAR_EXT = 1000104002, // 扩展 sRGB 颜色空间，线性校正。5    VK_COLOR_SPACE_DISPLAY_P3_LINEAR_EXT = 1000104003,    // Display-P3 色域，线性校正。6    VK_COLOR_SPACE_DCI_P3_NONLINEAR_EXT = 1000104004,     // DCI-P3 色域，带非线性伽马校正。7    VK_COLOR_SPACE_BT709_LINEAR_EXT = 1000104005,         // BT.709 颜色空间，线性校正。8    VK_COLOR_SPACE_BT709_NONLINEAR_EXT = 1000104006,      // BT.709 颜色空间，非线性校正。9    VK_COLOR_SPACE_BT2020_LINEAR_EXT = 1000104007,        // BT.2020 颜色空间，线性校正。
10    VK_COLOR_SPACE_HDR10_ST2084_EXT = 1000104008,         // HDR10，使用 SMPTE ST 2084 EOTF。
11    VK_COLOR_SPACE_DOLBYVISION_EXT = 1000104009,          // Dolby Vision。
12    VK_COLOR_SPACE_HDR10_HLG_EXT = 1000104010,            // HDR10，使用 Hybrid Log-Gamma。
13    VK_COLOR_SPACE_ADOBERGB_LINEAR_EXT = 1000104011,      // Adobe RGB 颜色空间，线性校正。
14    VK_COLOR_SPACE_ADOBERGB_NONLINEAR_EXT = 1000104012,   // Adobe RGB 颜色空间，非线性校正。
15    VK_COLOR_SPACE_PASS_THROUGH_EXT = 1000104013,         // 颜色空间通过，不做任何校正。
16    VK_COLOR_SPACE_EXTENDED_SRGB_NONLINEAR_EXT = 1000104014, // 扩展 sRGB 颜色空间，非线性校正。
17    VK_COLOR_SPACE_DISPLAY_NATIVE_AMD = 1000213000,       // 原生显示颜色空间，AMD 扩展。
18    // 更多颜色空间可以通过扩展添加
19} VkColorSpaceKHR;

VkImageUsageFlags

VkImageUsageFlags 表示图像的用途标志，例如 VK_IMAGE_USAGE_COLOR_ATTACHMENT_BIT 表示图像将用作颜色附件。

可以组合多个用途标志，以表明图像的多种使用方式。

 1typedef enum VkImageUsageFlagBits {2    VK_IMAGE_USAGE_TRANSFER_SRC_BIT = 0x00000001,                     // 图像可以作为传输操作的源。3    VK_IMAGE_USAGE_TRANSFER_DST_BIT = 0x00000002,                     // 图像可以作为传输操作的目标。4    VK_IMAGE_USAGE_SAMPLED_BIT = 0x00000004,                          // 图像可以被采样器访问。5    VK_IMAGE_USAGE_STORAGE_BIT = 0x00000008,                          // 图像可以作为存储图像使用。6    VK_IMAGE_USAGE_COLOR_ATTACHMENT_BIT = 0x00000010,                 // 图像可以作为颜色附件使用。7    VK_IMAGE_USAGE_DEPTH_STENCIL_ATTACHMENT_BIT = 0x00000020,         // 图像可以作为深度/模板附件使用。8    VK_IMAGE_USAGE_TRANSIENT_ATTACHMENT_BIT = 0x00000040,             // 图像内容是暂时的，并不会在帧之间保留。9    VK_IMAGE_USAGE_INPUT_ATTACHMENT_BIT = 0x00000080,                 // 图像可以作为输入附件使用。
10    VK_IMAGE_USAGE_SHADING_RATE_IMAGE_BIT_NV = 0x00000100,            // 图像可以作为着色率图像使用（NVIDIA 扩展）。
11    VK_IMAGE_USAGE_FRAGMENT_DENSITY_MAP_BIT_EXT = 0x00000200,         // 图像可以作为片段密度图使用（EXT 扩展）。
12    VK_IMAGE_USAGE_FRAGMENT_SHADING_RATE_ATTACHMENT_BIT_KHR =         // 图像可以作为片段着色率附件使用（KHR 扩展）。
13        VK_IMAGE_USAGE_SHADING_RATE_IMAGE_BIT_NV,
14    VK_IMAGE_USAGE_FLAG_BITS_MAX_ENUM = 0x7FFFFFFF                    // 枚举类型的最大值。
15} VkImageUsageFlagBits;

VkSurfaceTransformFlagBitsKHR

VkSurfaceTransformFlagBitsKHR 枚举类型定义了交换链图像在显示之前可以应用的变换操作。

 1typedef enum VkSurfaceTransformFlagBitsKHR {2    VK_SURFACE_TRANSFORM_IDENTITY_BIT_KHR = 0x00000001,                    // 不进行任何变换。3    VK_SURFACE_TRANSFORM_ROTATE_90_BIT_KHR = 0x00000002,                   // 顺时针旋转 90 度。4    VK_SURFACE_TRANSFORM_ROTATE_180_BIT_KHR = 0x00000004,                  // 顺时针旋转 180 度。5    VK_SURFACE_TRANSFORM_ROTATE_270_BIT_KHR = 0x00000008,                  // 顺时针旋转 270 度。6    VK_SURFACE_TRANSFORM_HORIZONTAL_MIRROR_BIT_KHR = 0x00000010,           // 水平翻转。7    VK_SURFACE_TRANSFORM_HORIZONTAL_MIRROR_ROTATE_90_BIT_KHR = 0x00000020, // 水平翻转后顺时针旋转 90 度。8    VK_SURFACE_TRANSFORM_HORIZONTAL_MIRROR_ROTATE_180_BIT_KHR = 0x00000040,// 水平翻转后顺时针旋转 180 度。9    VK_SURFACE_TRANSFORM_HORIZONTAL_MIRROR_ROTATE_270_BIT_KHR = 0x00000080,// 水平翻转后顺时针旋转 270 度。
10    VK_SURFACE_TRANSFORM_INHERIT_BIT_KHR = 0x00000100                      // 继承当前变换。
11} VkSurfaceTransformFlagBitsKHR;

VkPresentModeKHR

VkPresentModeKHR 枚举类型定义了交换链的呈现模式。呈现模式决定了图像交换和显示的策略。

1typedef enum VkPresentModeKHR {
2    VK_PRESENT_MODE_IMMEDIATE_KHR = 0,           // 图像立即提交到显示设备，可能导致撕裂。
3    VK_PRESENT_MODE_MAILBOX_KHR = 1,             // 使用邮箱模式，提交图像时如果显示队列满了，会覆盖旧的图像。
4    VK_PRESENT_MODE_FIFO_KHR = 2,                // 先进先出模式，提交的图像进入队列，显示设备按顺序显示。
5    VK_PRESENT_MODE_FIFO_RELAXED_KHR = 3,        // 类似于 FIFO 模式，但如果显示设备空闲，立即显示图像，减少延迟。
6    VK_PRESENT_MODE_SHARED_DEMAND_REFRESH_KHR = 1000111000, // 共享刷新模式，在显示设备需要时刷新。
7    VK_PRESENT_MODE_SHARED_CONTINUOUS_REFRESH_KHR = 1000111001 // 持续刷新模式，持续刷新图像。
8} VkPresentModeKHR;

创建交换链、获取交换链图像示例

 1VkSurfaceKHR surface;//上一节获取的表面23// 获取表面的特性4VkSurfaceCapabilitiesKHR surfaceCapabilities;5vkGetPhysicalDeviceSurfaceCapabilitiesKHR(physicalDevice, surface, &surfaceCapabilities);67uint32_t formatCount = 0;8vkGetPhysicalDeviceSurfaceFormatsKHR(physicalDevice, surface, &formatCount, nullptr);9
10// 获取表面所支持的格式
11VkSurfaceFormatKHR* formats = new VkSurfaceFormatKHR[formatCount];
12vkGetPhysicalDeviceSurfaceFormatsKHR(physicalDevice, surface, &formatCount, formats);
13
14// 查找 VK_FORMAT_R8G8B8A8_UNORM 格式
15uint32_t targetFormatIdx;
16for (targetFormatIdx = 0; targetFormatIdx < formatCount; targetFormatIdx++) {
17    if (formats[targetFormatIdx].format == VK_FORMAT_R8G8B8A8_UNORM) break;
18}
19assert(targetFormatIdx < formatCount); // 确保找到目标格式
20
21VkSwapchainCreateInfoKHR swapchainCreateInfo = {};
22swapchainCreateInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_SWAPCHAIN_CREATE_INFO_KHR; // 设置结构体类型
23swapchainCreateInfo.surface = surface; // 设置表面句柄
24swapchainCreateInfo.minImageCount = surfaceCapabilities.minImageCount; // 最小图像数量（修正：minImageCoun 改为 minImageCount）
25swapchainCreateInfo.imageFormat = formats[targetFormatIdx].format; // 图像格式
26swapchainCreateInfo.imageColorSpace = formats[targetFormatIdx].colorSpace; // 颜色空间
27swapchainCreateInfo.imageExtent = surfaceCapabilities.currentExtent; // 图像范围
28swapchainCreateInfo.imageArrayLayers = 1; // 图像数组层数
29swapchainCreateInfo.imageUsage = VK_IMAGE_USAGE_COLOR_ATTACHMENT_BIT; // 图像用途
30swapchainCreateInfo.imageSharingMode = VK_SHARING_MODE_EXCLUSIVE; // 图像共享模式
31swapchainCreateInfo.preTransform = VK_SURFACE_TRANSFORM_IDENTITY_BIT_KHR; // 表面变换
32swapchainCreateInfo.compositeAlpha = VK_COMPOSITE_ALPHA_OPAQUE_BIT_KHR; // 复合 alpha 模式
33swapchainCreateInfo.presentMode = VK_PRESENT_MODE_FIFO_KHR; // 显示模式
34swapchainCreateInfo.clipped = VK_FALSE; // 是否剪辑
35swapchainCreateInfo.oldSwapchain = VK_NULL_HANDLE; // 旧交换链句柄
36
37VkSwapchainKHR swapchain;
38VkResult result = vkCreateSwapchainKHR(device, &swapchainCreateInfo, nullptr, &swapchain); // 创建交换链
39if (result != VK_SUCCESS) {
40    // 错误处理
41}
42
43// 获取交换链中的图像
44uint32_t imageCount;
45vkGetSwapchainImagesKHR(device, swapchain, &imageCount, nullptr);
46std::vector<VkImage> swapChainImages(imageCount);
47vkGetSwapchainImagesKHR(device, swapchain, &imageCount, swapChainImages.data());
48
49// 为每个交换链图像创建图像视图，这些图像视图将会作为帧缓冲区的 attachments
50std::vector<VkImageView> swapChainImageViews(swapChainImages.size());
51for (size_t i = 0; i < swapChainImages.size(); i++) {
52    VkImageViewCreateInfo createInfo = {};
53    createInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_IMAGE_VIEW_CREATE_INFO; // 设置结构体类型
54    createInfo.image = swapChainImages[i]; // 图像句柄
55    createInfo.viewType = VK_IMAGE_VIEW_TYPE_2D; // 视图类型
56    createInfo.format = formats[targetFormatIdx].format; // 图像格式
57    createInfo.components.r = VK_COMPONENT_SWIZZLE_IDENTITY; // 组件重映射
58    createInfo.components.g = VK_COMPONENT_SWIZZLE_IDENTITY;
59    createInfo.components.b = VK_COMPONENT_SWIZZLE_IDENTITY;
60    createInfo.components.a = VK_COMPONENT_SWIZZLE_IDENTITY;
61    createInfo.subresourceRange.aspectMask = VK_IMAGE_ASPECT_COLOR_BIT; // 子资源范围
62    createInfo.subresourceRange.baseMipLevel = 0;
63    createInfo.subresourceRange.levelCount = 1;
64    createInfo.subresourceRange.baseArrayLayer = 0;
65    createInfo.subresourceRange.layerCount = 1;
66
67    if (vkCreateImageView(device, &createInfo, nullptr, &swapChainImageViews[i]) != VK_SUCCESS) {
68        throw std::runtime_error("failed to create image views!"); // 错误处理
69    }
70}
71
72// 销毁交换链、释放资源
73for (size_t i = 0; i < swapChainImages.size(); i++) {
74    vkDestroyImageView(device, swapChainImageViews[i], nullptr); // 销毁图像视图
75}
76vkDestroySwapchainKHR(device, swapchain, nullptr); // 销毁交换链
77delete[] formats; // 释放格式数组内存

参考

《Vulkan学习指南》 — [新加坡] 帕敏德·辛格（Parminder Singh）
https://www.intel.com/content/www/us/en/developer/articles/training/api-without-secrets-introduction-to-vulkan-part-2.html