图形 API 设备、管线状态与资源

高层 API 与底层 API（卷 II 11.4.4）

CPU 与 GPU 的接口非常复杂：GPU 本身复杂；GPU 和显存在插在 PCIe 插槽上的扩展卡上，数据要先由 CPU 写进主内存再经 PCIe 上传；CPU 与 GPU 是独立处理器需要同步；GPU 内部大量并发的着色器调用有时也要用无锁原子操作同步。

原书问题（11.4、11.4.4）：

• GEA 说 CPU 与 GPU"需要用互斥锁 (mutex) 同步"。CPU 与 GPU 之间不能用 mutex（GPU 不参与操作系统的锁），实际用的是 fence（围栏，GPU 执行到某处时写入一个值，CPU 等待或轮询）和 semaphore（队列之间），如 D3D12 的 ID3D12Fence::Signal/SetEventOnCompletion、Vulkan 的 VkFence/VkSemaphore（MS Learn "Synchronization and Multi-Engine"；Vulkan 规范第 7 章 "Synchronization and Cache Control"）。
• GEA 说"任何图形 API 都能配置、控制、编程市场上任何 GPU"。实际受平台限制：Metal 只在 Apple 平台、Direct3D 只在 Windows/Xbox、PlayStation 只用索尼自己的 API，Vulkan 也不能用于 PlayStation 和 Apple（后者需借助 MoltenVK 翻译层）。
• GEA 说"多数图形 API 都提供参考实现"。Direct3D 确实有参考光栅器（REF）和 WARP；但 OpenGL 和 Vulkan 没有官方参考实现，Khronos 靠一致性测试集 (CTS) 而非参考实现来检验驱动（Khronos "Vulkan Conformance Test Suite"）。

GEA 第 11 章主要讲高层 API 的工作方式，只在必要处点出底层 API 的差别。对照 可编程着色器与 GPU 管线 中 RTR4 的「低开销 API」一节。

特性级别（卷 II 11.4.5.3）

• 早期靠查询 caps 位适配硬件，组合繁多、易出兼容性 bug。DirectX 11 引入特性级别 (feature level)，把硬件特性集与 DirectX 版本归成一条线性序列：GPU 支持某级别，就保证具备该级别所有必需能力；每一级都是前一级的严格超集。
• 初始化时先尝试按最高期望级别创建 Direct3D 设备，成功即说明 GPU 支持该级别全部特性，失败就降一级重试。
• GEA 表 11.2 的部分内容（"可选"表示该级别下为可选特性）：

• 着色器模型：9_x 为 2.0，10_0 为 4.0，10_1 为 4.x，11_0 到 12_1 为 5.1，12_2 为 6.5（同表）。
• 可变着色率让程序员控制图像不同区域的像素着色器调用频率，把资源多分给细节丰富的区域、少分给细节少的区域，以性能换画质或反之。

（表中 MRT 一行按 GEA 表 11.2 原样整理，书中正文说 MRT 用于输出 G-buffer，见 像素着色器。）

原书问题（表 11.2、11.4.5.3）：

• MRT：表 11.2 写 MRT 在 10_x 及以下"不支持"、11_0 可选、11_1 起必需，与微软文档不符。同时绑定的渲染目标数是 9_1/9_2 为 1、9_3 为 4、10_0 起为 8（MS Learn "Direct3D feature levels" 特性表 "Simultaneous Render Targets" 一行）；也就是说 MRT 从 9_3 起就有，10_0 起支持 8 个。
• 根签名：GEA 说"直到 11_0 资源都直接绑定到着色器阶段，根签名提供无绑定模型，通过一张叫根签名的全局描述符表把描述符交给着色器"。根签名是 D3D12 API 的对象（D3D12 设备最低就是 11_0 级别），它不是描述符表本身，而像一个"函数签名"：定义着色器期望的根参数布局（根常量、根描述符、指向描述符堆的描述符表），"并不定义实际的内存或数据"；描述符本身存放在描述符堆中（MS Learn "Root Signatures Overview"）。真正"着色器可按索引访问堆中任意资源"的无绑定写法是 Shader Model 6.6 的 ResourceDescriptorHeap[]（MS Learn / DirectX-Specs "HLSL Dynamic Resources"）。下文"根签名与无绑定"一节按 GEA 原意记录，读时以此为准。
• 表中"Variable Shading Rate (VSR)"在 D3D 中的正式名称是 Variable Rate Shading (VRS)。

设备（卷 II 11.4.7）

API 通过逻辑软件接口暴露物理 GPU（或纯软件参考实现）：

逻辑设备负责创建缓冲、纹理、状态对象和着色器等资源。

管线状态与上下文（卷 II 11.4.8）

下图对比三种暴露管线状态的方式。

flowchart LR
    subgraph G["全局状态"]
        GL["OpenGL: 全局变量"] 
        IC["D3D11 立即上下文: 单例"]
    end
    DC["D3D11 延迟上下文: 多线程录制命令"] -->|"只能经立即上下文提交"| IC
    subgraph C["命令列表为中心"]
        CL["D3D12 / Vulkan / Metal: 直接构建并提交命令列表"]
    end
    IC --> GPU["GPU 按序执行命令"]
    GL --> GPU
    CL --> GPU

• 全局状态：OpenGL 把状态当全局变量；D3D11 用 ID3D11DeviceContext，但立即上下文是单例，状态同样全局。底层都是在 CPU 端构建命令列表交给 GPU 按序执行。
• 延迟上下文：D3D11 可创建多个，只把命令录进内存，必须通过立即上下文提交；只有一个线程能使用立即上下文，其他线程可并发使用延迟上下文。
• 命令列表为中心：D3D12、Vulkan、Metal 没有设备上下文，一切都是构建并提交命令列表，引擎可以自由设计多线程结构（见 多线程渲染与任务系统）。
• 旧 API 状态切换为什么贵、PSO 如何解决，见 绘制调用与状态切换优化 中的 GEA 部分。

资源与资源视图（卷 II 11.4.9）

• DirectX 把数据块统一称为资源；OpenGL 按类型分为各种缓冲对象（纹理对象、帧缓冲对象、通用缓冲对象等）；Vulkan 分为原始数据的 buffer 和位图数据的 image。D3D11 的流程：用设备创建资源 → 填数据 → 经设备上下文以资源视图绑定到一个或多个阶段 → 提交 draw call，管线读写视图 → 用完调用资源的 Release 释放。
• 缓冲是连续内存：顶点缓冲（可由 CreateInputLayout 从多个缓冲拼出顶点结构）、索引缓冲（16 或 32 位整数，三个一组成三角形、两个一组成线段）、常量缓冲（一次 draw call 内所有调用不变的数据，如变换和投影矩阵，可看作只含一个顶点的顶点缓冲）。
• 纹理是特殊的缓冲，可为 1D、2D、3D，可带 mipmap；D3D11 用 ID3D11Texture2D 等按维度区分的接口，D3D12 统一为带纹理配置的 ID3D12Resource，Vulkan 叫 image（VkImage）。还可建纹理数组：1D 纹理数组看似 2D 纹理，但 GPU 不会在数组元素之间插值；六元素 2D 纹理数组可作立方体贴图。
• 有类型与无类型：有类型资源创建时就给出数据类型和布局，驱动可预先配置，效率略高；无类型资源绑定时才给出，便于在不同场合复用。
• 资源视图：资源从不直接绑定到阶段，而是通过视图——描述如何从资源中取数据、如何解释（例如把 32 位数组解释为 RGBA 颜色），还能把资源的多个切片拼成一个连续缓冲。为同一资源建多个视图就能绑定到多个阶段，例如一个阶段当浮点数组读、另一个当无符号整数读。

缓冲可绑定为 CBV、SRV、UAV、IBV、VBV；纹理只能绑定为 SRV、UAV、DSV、RTV。

原书问题（11.4.9）：

• GEA 说 Metal 中纹理"叫 layer，用 CAMetalLayer 表示"。Metal 的纹理类型是 MTLTexture（由 MTLDevice 按 MTLTextureDescriptor 创建）；CAMetalLayer 是 Core Animation 的图层，用来向屏幕提供可绘制对象 (CAMetalDrawable)，相当于交换链，不是纹理（Apple Developer Documentation "MTLTexture"、"CAMetalLayer"）。
• GEA 说 IBV"把索引缓冲绑定到顶点着色器"、VBV 绑定到顶点着色器并"描述顶点结构中属性的内部布局"。顶点缓冲和索引缓冲都绑定到输入装配器（D3D11 的 IASetVertexBuffers/IASetIndexBuffer，D3D12 的 IASetVertexBuffers/IASetIndexBuffer），顶点着色器看不到索引；D3D12 的 D3D12_VERTEX_BUFFER_VIEW 只含地址、大小和步长，属性布局由输入布局（D3D12_INPUT_LAYOUT_DESC，属于 PSO）描述（MS Learn "Input-Assembler Stage"、"D3D12_VERTEX_BUFFER_VIEW structure"）。另外 CBV/VBV/IBV 是 D3D12 的术语，D3D11 中常量、顶点、索引缓冲是直接绑定的，没有对应的视图对象。
• ROV 并不改变像素着色器的调用顺序；它保证的是不同图元对同一像素位置的 ROV 读写按图元提交顺序发生，着色器其余部分仍可并行乱序执行（MS Learn "Rasterizer Order Views"）。
• "带 mipmap 的二维纹理尺寸限制为 2 的幂"与 D3D10 起支持任意尺寸 mipmap 纹理的规范不符，见 纹理映射管线 中的 GEA 部分。

根签名与无绑定（卷 II 11.4.9.3）

• D3D12 中资源视图不再直接绑定到管线阶段，着色器可以读写任意数量的视图。为此引入资源描述符——类似指向视图的指针或引用，放在着色器可直接访问的全局描述符表中。GEA 把这张全局表称为根签名 (root signature)（这一称呼不准确：全局表是描述符堆，根签名只描述布局，见上方原书问题）。
• 在特性级别 11_0 之前资源直接绑定到着色器阶段；根签名提供所谓无绑定资源模型，所有着色器都能访问所有资源（卷 II 11.4.5.3）。对照 纹理映射管线 中 RTR4 介绍的无绑定纹理。

取舍

• 高层 API 上手快，适合原型和教学，但显存管理和多线程受限，状态切换代价高；底层 API 能榨出硬件性能、允许多线程构建命令，但并发与内存管理全部由程序员负责（卷 II 11.4.4）。
• 特性级别让兼容性判断变成"能否按某级别创建设备"，比逐个检查 caps 位简单得多；不过表 11.2 中仍有大量"可选"项，说明特性级别只规定了必需能力的下限，并不能描述所有硬件差异。