Vulkan Synchronization 同步

本文主要是介绍Vulkan Synchronization 同步，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

Vulkan的同步有两个作用，一是控制Command的执行顺序，二是控制缓存的刷新。

Vulkan会保证在同一个Command Queue中的Command按顺序开始执行，但并不会保证谁先执行完成，而且会多个Command同时执行。例如Command1 开执行后会，立即开始执行Command2，两个命令会同时执行，且不保证谁先执行完。

GPU是incoherent caches（缓存不一致），Vulkan也不会保证缓存一致性，所以需要控制缓存的刷新，保证后面执行的Command读取到前面Command的执行结果。

Execution Barriers

VKAPI_ATTR void VKAPI_CALL vkCmdPipelineBarrier(VkCommandBuffer                             commandBuffer,VkPipelineStageFlags                        srcStageMask,VkPipelineStageFlags                        dstStageMask,VkDependencyFlags                           dependencyFlags,uint32_t                                    memoryBarrierCount,const VkMemoryBarrier*                      pMemoryBarriers,uint32_t                                    bufferMemoryBarrierCount,const VkBufferMemoryBarrier*                pBufferMemoryBarriers,uint32_t                                    imageMemoryBarrierCount,const VkImageMemoryBarrier*                 pImageMemoryBarriers);

Execution Barriers是用来控制命令的执行顺序的。函数vkCmdPipelineBarrier设置前3个参数（commandBuffer、srcStageMask、dstStageMask），其他参数设为null或0，就是设置了一个Execution Barriers。

设置Execution Barriers后会将Queue中的所有Command分成两部分，即Execution Barriers之前的Command和Execution Barriers之后的Command。这里的Command不限于当前commanBuffer中的Command，还包括当前commanBuffer提交之前提交的commandBuffer中的Command和提交之后的，也就是说Execution Barriers在queue中是全局。Execution Barriers的作用是：之后的Command执行dstStageMask阶段，需要等待之前Command执行完srcStageMask阶段。

例如以下代码：

vkCmdPipelineBarrier(commandBuffer, TRANSFER_BIT, FRAGMENT_SHADER_BIT);
代码之后的命令执行到FRAGMENT_SHADER_BIT时，需要之前所有命令都执行完了TRANSFER_BIT。

Memory Available and Visible

GPU缓存如下图：

GPU缓存

Vulkan并不会保证缓存一致性，所以单纯的控制执行顺序并不能保证后面执行的Command读取到前面Command的执行结果。因为Command执行后其执行结果会存在L1缓存，并不会立即刷新到L2缓存，所以后面在不同的SM上执行的Command就不能读取到最新的结果。为了保证后面执行的Command读取到前面Command的执行结果，还需要控制缓存的刷新。

Memory Available

当L2缓存中包含了最新的数据时，则当前的Memory是Avilable状态。如果一个Command执行时修改了数据，则对应的Memory是Undefined状态，此时其他命令读取Memory会读到错误的数据。为了让Memory在Command执行完后变成Available状态，需要在Comand后面的vkCmdPipelineBarrier中MemoryBarrier的srcAccessMask设置一个VK_ACCESS_*_WRITE_BIT。这样Command执行完srcStageMask阶段后，会将执行结果更新到L2缓存。

Memory Visible

当前L1缓存中包含了最新数据，并设置了访问权限时，则当前Memory是Visible状态，也就是当前SM单元可以读取或修改数据。为了让Memory在Command执行完后变成Visible状态，首先需要保证数据为Avilable状态，然后在vkCmdPipelineBarrier中MemoryBarrier的dstAccessMask设置一个VK_ACCESS_*_WRITE_BIT/VK_ACCESS_*_READ_BIT权限。这样Command执行完dstStageMask阶段时，L1会重新刷新，从L2中读取到最新数据。

其他

srcAccessMask不需要设置*READ_BIT标志，srcAccessMask是用来控制L1缓存中的结果写入到L2缓存的，*READ_BIT标志并不会有任何作用。
TOP_OF_PIPE/BOTTOM_OF_PIPE阶段并执行任何Command，这两个阶段srcAccessMask/dstAccessMask只能设置为0。
“making memory available” is all about flushing caches，将最新数据写入L2缓存
“making memory visible” is invalidating caches。无效化缓存，加载最新的数据。

Image Memory Barrier and Layout

typedef struct VkImageMemoryBarrier {VkStructureType            sType;const void*                pNext;VkAccessFlags              srcAccessMask;VkAccessFlags              dstAccessMask;VkImageLayout              oldLayout;VkImageLayout              newLayout;uint32_t                   srcQueueFamilyIndex;uint32_t                   dstQueueFamilyIndex;VkImage                    image;VkImageSubresourceRange    subresourceRange;
} VkImageMemoryBarrier;

Image对象使用前需要设置Layout，因为不同的Layout有不同的用途。例如：纹理用作Frame Buffer时Layout需要是COLOR_ATTACHMENT_OPTIMAL，纹理用作着色器采样时Layout需要是SHADER_READ_ONLY_OPTIMAL。

VkImageMemoryBarrier可以用来转换纹理的Layout，这个转换过程可以看作一次读写，转换时会改变Image Memory的字节格式，会先读取Image然后再写入成新的格式。转换前需要保证Image Memory状态为Available，转换后数据会写入L2缓缓，Image Memory状态自动设置为Available，但不是Visible。

新创建的ImageMemory状态默认是Available和Visible，所以可以直接转换Layout。

Image Alias Memory

使用别名会同时将多个Image绑定到同一块Memory中，所以使用时可能其他Image已修改过Memory导致Memory状态是Undefined，不是Available。所以使用前需要增加一个VkImageMemoryBarrier保证Memory为Available。

例如Image1和Image2都绑定到同块Memory，并且都用于RenderPass渲染，使用时如下：

vkCmdPipelineBarrier(image = image1, oldLayout = UNDEFINED, newLayout = COLOR_ATTACHMENT_OPTIMAL, srcStageMask = COLOR_ATTACHMENT_OUTPUT, srcAccessMask = COLOR_ATTACHMENT_WRITE, dstStageMask = COLOR_ATTACHMENT_OUTPUT, dstAccessMask = COLOR_ATTACHMENT_WRITE|READ) // 1
vkCmdBeginRenderPass/EndRenderPass
vkCmdPipelineBarrier(image = image2, …) // 与1相同
vkCmdBeginRenderPass/EndRenderPass

注：因为RenderPass中可以包含vkCmdPipelineBarrier，所以实际使用时可以不需要写上面两个vkCmdPipelineBarrier，这个两个vkCmdPipelineBarrier可以包含到RenderPass中

Semaphores and Fences

Semaphores和Fences可以用在vkQueueSubmit中进行同步，用于Command Queue，Host，Present中进行同步。

当前Semaphores或Fences激活（signaled）时所有的Memory状态会被设为Available。相当于添加了一个MemoryBarrier，srcStageMask = ALL_COMMANDS_BIT，srcAccessMask = MEMORY_WRITE_BIT。

当前获得（wait）Semaphores或Fences，所有的Memory状态会被设为Visible。

Host Memory

更新数据

当更新了UniformBuffer后，并不需要手动添加Barrier同步更新后的数据，当vkQueueSubmit时会自动同步，会将对应的Memory设置Avaiable和Visible。

如果更新数据在vkQueueSubmit后面则需要手动设置Barrier同步，设置如下：

srcStageMask = HOST
srcAccessMask = HOST_WRITE_BIT
dstStageMask = TRANSFER
dstAccessMask = TRANSFER_READ

读取数据

当CPU端需要读取GPU数据时，通常需要使用Fences同步，当获得（wait）Fences时会自动将Memory状态设为Visible，但这个仅限于GPU内部。所以还需要手动添加Barrier用于刷新缓存，设置dstStageMask = PIPELINE_STAGE_HOST和dstAccessMask = ACCESS_HOST_READ_BIT。这样Command执行后会将缓存刷新到CPU内存，CPU就可以读取到最新数据。