一个示例 D3D11 程序的全流程记录   2022-10-19


本篇是笔者进行 RenderDoc drivers 层分析时一并记录下来的，是一个渲染 Cube 的简单 D3D11 程序与 API 交互的全流程的记录。

以 DirectX11-With-Windows-SDK - Rendering A Cube 为例进行说明。

DXGI (DirectX Graphics Infrastructure) 负责抽象和交换链、DAL 相关的公共部分。关于 DXGI 的资料可以参考 MSDN。

DXGI 封装了多种对象：

  • 显示适配器 (IDXGIAdapter): 一般对应一块显卡，也可以对应 Reference Rasterizer，或者支持虚拟化的显卡的一个 VF 等
  • 显示输出 (IDXGIOutput): 显示适配器的输出，一般对应一个显示器
  • 交换链 (IDXGISwapChain): 用来暂存要显示到输出窗口/全屏幕的 1 到多个 Surface 的对象
    • g_pSwapChain->GetBuffer 可以拿到表示 Back Buffer 的 ID3D11Texture
    • 从 g_pd3dDevice->CreateRenderTargetView 来创建一个封装该 Texture 的 ID3D11RenderTargetView
    • g_pd3dDeviceContext->OMSetRenderTargets 来设置管线的 RenderTarget
    • g_pd3dDeviceContext->RSSetViewports 来设置管线的 Viewport

GameApp::Init()

  • D3DApp::Init()
    • InitMainWindow()
      • RegisterClass(WNDCLASS *): 注册
      • AdjustWindowRect()
      • CreateWindow()
      • ShowWindow()
      • UpdateWindow()
    • InitDirect3D()

      • D3D11CreateDevice(): 采用 11.1 的 Feature Level，不行则降级

        该函数会返回 Immediate Context (ID3D11DeviceContext), 设备 (ID3D11Device) 和特性等级

      • ID3D11Device::CheckMultisampleQualityLevels: 查询给定 DXGI_FORMAT 是否支持给定倍数的 MSAA

      • 将前面的 ID3D11Device Cast 到 IDXGIDevice

        An IDXGIDevice interface implements a derived class for DXGI objects that produce image data.

      • IDXGIDevice::GetAdapter 拿到 IDXGIAdapter

        The IDXGIAdapter interface represents a display subsystem (including one or more GPUs, DACs and video memory).

      • IDXGIAdapter::GetParent 拿到 IDXGIFactory1

        这里的 GetParent 是 IDXGIAdapter 作为 IDXGIObject 的方法，可以获得构造它的工厂类。

        The IDXGIFactory1 interface implements methods for generating DXGI objects.

      • 尝试将 IDXGIFactory1 Cast 到 IDXGIFactory2 (DXGI 1.2 新增)

        • 如果支持 DXGI 1.2，则用 CreateSwapChainForHwnd 来创建交换链
        • 否则，用 CreateSwapChain 来创建交换链

          这两个函数都可以创建窗口 / 全屏幕交换链；DXGI 1.2 增加了新的、到其它输出目标的交换链创建功能，所以这里进行了重构。

          也要注意，不同 DirectX 可以支持的交换链的交换行为类型是不同的。大体上，交换链的交换行为可以分为

          • DISCARD vs SEQUENTIAL: 可以参考 StackExchange，区别就是一个驱动可以放心扔掉，另一个必须保留回读可能
          • FILP vs BLIT (Bit Block Transfer): 决定是用交换指针还是数据拷贝的方法来从交换链被 Present 的 Surface 中拿取数据

      • IDXGIFactory1::MakeWindowAssociation 来取消让 DXGI 接收 Alt-Enter 的键盘消息并且切换窗口和全屏模式

      • D3D11SetDebugObjectName()

        • ID3D11DeviceChild::SetPrivateData(WKPDID_D3DDebugObjectName, ...) 来设置资源的内部数据，这里是调试名称

      • DXGISetDebugObjectName()

        • IDXGIObject::SetPrivateData(WKPDID_D3DDebugObjectName, ...) 来设置资源的内部数据，这里是调试名称

      • OnResize()

        • IDXGISwapChain::ResizeBuffers()
        • IDXGISwapChain::GetBuffer() 拿到 ID3D11Texture2D 形式的 Back Buffer
        • IDXGISwapChain::CreateRenderTargetView() 创建绑定到上面 Back Buffer 的 Texture 的渲染目标视图
        • D3D11SetDebugObjectName 来设置 Back Buffer 的调试名称
        • ID3D11Device::CreateTexture2D() 来创建深度模板缓冲 (Depth Stencil Buffer)，类型 ID3D11Texture2D，包含大小，MipLevel，采样描述等
        • ID3D11Device::CreateDepthStencilView() 来创建前面缓冲对应的深度模板视图
        • ID3D11DeviceContext::OMSetRenderTargets() 来将渲染目标视图和深度木板视图绑定到管线
        • ID3D11DeviceConetxt::RSSetViewports() 绑定 Viewport 信息到光栅器状态
        • D3D11SetDebugObjectName() 设置调试前面各种视图对象的对象名
  • InitEffect()
    • CreateShaderFromFile(): 传入 CSO (Compiled Shader Object) 和 Shader 文件，输出 ID3DBlob *
      • 如果有缓存，则用 D3DReadFileToBlob 装入，并返回
      • D3DCompileFromFile(): 编译并生成 ID3DBlob 对象
      • 如果指定了缓存路径，则 D3DWriteBlobToFile() 进行输出

        分别创建了 vs_5_0 和 ps_5_0 Shader Model 的 Shader Blob

    • ID3D11Device::CreateVertexShader()，根据 Shader Bytecode 创建 ID3D11VertexShader 对象

      注意这个函数支持传入 Class Linkage，这是一种在 Shader 间共享类型和变量的机制，在 Shader Model 5 被引入。更详细的用法可以参考 Dynamic Linking Class | MSDN

      TODO: 研究一下

    • ID3D11Device::CreateInputLayout() 传入输入元素描述符和 Shader，传出 ID3D11InputLayout 对象
    • ID3D11Device::CreatePixelShader() ，根据 Shader Bytecode 创建 ID3D11PixelShader 对象
  • InitResource()
    • ID3D11Device::CreateBuffer() 创建顶点缓冲区 (ID3D11Buffer) ，并传入初始化数据
    • ID3D11Device::CreateBuffer() 创建索引缓冲区 (ID3D11Buffer) ，并传入初始化数据
    • ID3D11DeviceContext::IASetIndexBuffer() 设置 Immediate Context 绑定索引缓冲区
    • ID3D11Device::CreateBuffer() 创建常量缓冲区 (ID3D11Buffer) ，不是用初始化数据
      • 此处设置 D3D11_BUFFER_DESC 的 CPUAccessFlags 为 D3D11_CPU_ACCESS_WRITE，让 CPU 可以改变其值
    • ID3D11DeviceContext::IASetVertexBuffers() 设置顶点缓冲区，stride 和 offset
    • ID3D11DeviceContext::IASetPrimitiveTopology() 设置图元类型
    • ID3D11DeviceContext::IASetInputLayout() 设置输入布局
    • ID3D11DeviceContext::VSSetShader() 绑定顶点着色器到管线
    • ID3D11DeviceContext::VSSetConstantBuffers() 设置常量缓冲区

      这里当然是拿着 ID3D11Buffer 去设置

    • ID3D11DeviceContext::PSSetShader() 设置像素着色器
    • D3D11SetDebugObjectName() 将 Input Layout, Shader 和 Buffer 设置好调试用名字

GameApp::Run()

关于 Windows 消息机制的相关介绍可以参考 About messages and message queues | MSDN。

运行首先依赖 Windows 窗口程序本身的主事件循环（PeekMessage() => TranslateMessage() => DispatchMessage())。

主窗口的消息处理函数中，主要会处理：

  • WM_SIZE: 如果在 WM_ENTERSIZEMOVE 和 WM_EXITSIZEMOVE 中间，则忽略，否则调用 OnResize() 重新配置交换链并绑定到管线
  • WM_ACTIVATE: 窗口不活跃时暂停渲染
  • WM_DESTROY: 窗口退出消息

如果没有待处理的窗口消息，则会进入：

  • CalculateFrameStats(): 根据定时器计算时长并更新窗口标题
  • UpdateScene(): 更新场景 (主要是更新常量缓冲)
    • 计算更新后的常量缓冲区值
    • ID3D11DeviceContext::Map 传入 Constant Buffer 对象

      MSDN: Gets a pointer to the data contained in a subresource, and denies the GPU access to that subresource.

      这里要指定映射类型 (CPU 可读，CPU 可写，CPU 可写且原内容可放弃)；不过，这里还有一种类型，叫做 D3D11_MAP_WRITE_NO_OVERWRITE，这块 MSDN 的文档有比较详细的解释。

      也可以看看这篇知乎专栏作为参考。

    • memcpy(mappedData.pData, &cpuCBuffer, sizeof(cpuConstBuffer)) 将数据拷贝到 D3D11_MAPPED_SUBRESOURCE::pData 成员处
    • ID3D11DeviceContext::Unmap 解除内存映射
  • DrawScene(): 绘制场景
    • ID3D11DeviceContext::ClearRenderTargetView(): 用给定颜色清空渲染目标视图
    • ID3D11DeviceContext::ClearDepthStencilView(): 用给定深度和模板值清空深度模板视图
    • ID3D11DeviceContext::DrawIndexed(): 绘制给定的立方体
    • IDXGISwapChain::Present(SyncInterval=0, flags=0): 告知交换链已经完成绘制，可以呈现，并且要求立即呈现

      IDXGISwapChain::Present: Presents a rendered image to the user.


Contents

  1. GameApp::Init()
  2. GameApp::Run()