渲染瓶颈定位与性能度量

优化循环（18 章引言）

flowchart LR
  A["定位瓶颈"] --> B["优化该阶段, 只到瓶颈转移为止"]
  B --> C{"达到性能目标?"}
  C -- "否" --> A
  C -- "是" --> D["让非瓶颈阶段做更多工作提升画质"]

如上图。要点：

• 不要过度优化某一阶段，因为瓶颈转移后，可能要先优化其他几个阶段它才会再次成为瓶颈。
• 瓶颈在一帧内甚至一次绘制内都会变化（许多小三角形时是几何阶段，重型程序着色器时是像素处理，纹理队列满时着色器停顿）；"某阶段是瓶颈"指大部分时间如此，很少只有一个瓶颈。
• 利用空闲：若应用阶段每帧 50 ms、其他阶段各 25 ms，几何和光栅化可以用满 50 ms 做更复杂的光照、阴影、反射而不降帧率。计算着色器也改变了思路：阴影贴图渲染时顶点/像素着色器很简单，光栅化或合并成为瓶颈，可重叠异步计算让着色单元保持忙碌。
• 不要依赖某款 GPU 的特定实现做优化，硬件会变。

性能分析工具（18.1 节）

功能包括帧捕获与逐步回放、CPU/GPU 时间分析、着色器调试与热编辑、调试标记。书中列举：RenderDoc（Crytek 开发后开源，支持 DirectX/OpenGL/Vulkan）、AMD GPU PerfStudio（含静态着色器分析器）与 Radeon GPU Profiler、NVIDIA Nsight、微软 PIX 与 Visual Studio Graphics Diagnostics、GPUView（基于 ETW，关注 CPU 与 GPU 交互）、Intel GPA、Xcode Instruments（OpenGL ES Analysis、Metal System Trace）。没有工具时可用 API 的计时查询，部分厂商提供 GPU 计数器和线程追踪库。

逐阶段定位（18.2 节）

基本方法：减少某阶段的工作，帧率上升则它是瓶颈；或只减少其他阶段的工作，性能不变则未改动的阶段是瓶颈。统一着色器架构下顶点与像素共享单元、由 GPU 动态分配，区分二者更难。

性能度量（18.3 节）

• 厂商峰值（每秒顶点数、像素数）很难达到；GPU 计数器和利用率百分比如果可用很有价值：某部件计数远低于峰值就不太可能是瓶颈，但统计时段内瓶颈会移动。
• 时钟频率不稳定：NVIDIA GPU Boost、AMD PowerTune 按功耗和温度调整频率，同一基准测试会因 GPU 初始温度不同而结果不同；DirectX 12 提供锁定 GPU 核心频率的方法以获得稳定计时。
• 用毫秒，不用 FPS 做分析：FPS 是倒数而非线性量。50、50、20 FPS 的平均值 40 FPS 有误导性，换成帧时间 20、20、50 ms，平均 30 ms 即 33.3 FPS。某效果"耗 7 FPS"无法推广，因为各技术的 FPS 不能相加，时间可以相加。
• 测量总帧时间时要关闭垂直同步（单缓冲模式），否则缓冲交换与显示器刷新同步。帧卡顿 (stutter) 分析通常需要统计方法；GPU 时间戳可了解帧内情况。
• 移动设备还要优化功耗：有意降低帧率但保持交互可显著延长电池寿命；每瓦性能与 FPS 有同样的缺陷，更有用的度量是每项任务的焦耳数，如每像素焦耳。