作者：Gerry Raptis

利用乒乓機制的交錯隊列減少風險

在本篇文章中，我們將提到Vulkan 圖形處理過程中夾雜計算任務時遇到的各式問題。為更準確地了解我們的話題，可查看文章第一部分。

第一部分概述了在Vulkan中如何使用barrier;具體來說，涉及圖形→計算barrier，隨后是一個中間幀計算→圖形barrier。這會嚴重削弱GPU任務調度能力，并導致暫停，降低性能。為此我們給出了在多種資源配置情況下的不同解決方案。

體系架構級方法

"算法"優先的方法是手動使任務交錯：也就是說，以我們希望的順序提交任務，并使它們在GPU 上執行。這會生成正確結果，也為我們提供足夠的可控性。在該情況下，首先為上一"邏輯"幀提交計算任務B_N-1（注意缺少早期圖形任務），然后提交當前幀A_N的早期圖形任務。隨后，將提交計算/圖形Barrier，接下來提交上一幀C_N-1的后期圖形任務，最后提交圖形/計算Barrier。

這種方法會產生良好的結果，但會有損幀分離性，使維護更加困難。它對邏輯資源的需求將加倍，因為至少部分后期幀的操作代碼需要比早期幀操作先調度。此外，會引入一個額外的滯后幀。

其執行過程如下：

幀N: B_N-1→A_N→ 計算/圖形barrier → C_N-1 → 圖形/計算barrier→提交N-1

幀N+1: B_N→ A_N+1→ 計算/圖形barrier → C_N → 圖形/計算barrier→提交N

這將允許B_N-1/A_N重疊。

聽起來很復雜，而且也確實如此：計算多個幀操作通常需要大量的記錄。但是，如果在此方案中任務封裝的不錯，至少一定程度上會緩解該問題。但是，如果復雜性更高時（即更復雜的猜測計算→barrier→圖形→barrier→計算→barrier→圖形工作負載），它仍然可能崩潰。在任何情況下，為降低不斷增加的CPU 端復雜性成本，可以定制解決方案。

每個任務使用不同隊列

另一個有效的解決方案是使用不同的隊列，并在每個隊列提交幀的不同部分：每個早期計算、后期計算、早期圖形和后期圖形提交到自己的隊列，任務間連接使用信號量而非barrier。例如 ，PowerVR開發套件中的Vulkan粒子系統就是采用該方法，在對應的專用隊列中提交所有計算。

但在我看來，該方案有其挑戰性，它比交錯幀更好，因為它允許 GPU 處理自己的問題，而不會弄亂引擎的非 API 部分。在我看來，它也是第一個"真正的"解決方案。類似于上述方案，它至少會緩解部分問題。在討論其自身體系結構上的計算后處理時，Arm 在其社區網站上也將目光投向該方案。但是，它又取決于某些特定任務的重疊，一般來說，需要仔細生成大量的信號量，并且借助于隊列優先級，這些增加了部分復雜性，但也為您提供了另一個控制向量。在多個交錯計算/圖形任務的情況下，它也可能不能完全按照我們預期的方式工作。該方案非常有效，可能將其與別的方案結合是個好思路。

我們已經找到了值得推薦的不同方案。

更簡單、通用的方案：乒乓機制的交錯隊列

我們相信我們可以更簡單、更有效的方式來完成計算。為此，我們需要從全局上考慮我們的最終目標：我們需要在沒有Vulkan 規范介入的前提下，使 GPU 能夠在連續兩個幀中交替工作。

Vulkan 規范團隊中的精明者可能已經意識到，barrier是始終指向單個隊列的構造器。

PowerVR（和許多其它設備）設備可能會暴露多個相同/可互換的通用隊列（圖形+計算以及可能的呈現）。

因此，在這種情況下，為在不重新調整幀前提下避免跨幀同步，我們可以在不同隊列中為每個幀提交負載。這將允許一個幀中的任何負載與下一幀中的任何負載交錯執行，即使具有多個不同的圖形、頂點和計算任務，因為它們在不同隊列上顯式執行，可以不受制于彼此的barrier。

簡單來說：從同一隊列源中創建兩個相同的隊列，然后對于每個幀，您提交負載到與上一隊列不同的隊列上。隊列源很重要，因為它可以使您不必擔心資源隊列所有權等問題。
因此，幀提交過程如下：

幀 0：獲取下一個圖像→ 渲染 0(A₀)→ 圖形/計算barrier→ 計算0(B₀)→計算/圖形barrier→渲染0′(C₀)→提交到隊列0 →呈現到隊列 0
幀 1：獲取下一個圖像→ 渲染 1A₁→ 圖形/計算barrier→ 計算1B₁→計算/圖形barrier→渲染1′C₁→提交到隊列1→呈現到隊列1
幀 2：獲取下一個圖像→ 渲染2 A₂→ 圖形/計算barrier→ 計算2B₂→計算/圖形barrier→渲染2′C₂→提交到隊列0 →呈現到隊列 0
幀 3：獲取下一個圖像→ 渲染 3A₃→ 圖形/計算barrier→ 計算3B₃→計算/圖形barrier→渲染3′C₃→提交到隊列1→呈現到隊列1

...等等。

那么，這行得通嗎？而且，如果可以，其原因是什么？

確實可行。B_N（當前幀計算）和 C_N（當前幀的后期圖形）之間的barrier將阻止 C_N在B_N完成之前啟動，但不會阻止 A_N+1（下一幀的早期圖形）啟動，因為它在與Barrier不同的隊列上提交（一個額外的好處，由于隊列不同，A_N+1與C_N不需要強制排序）。

此技術解決了問題的核心：應用程序設置的barrier，旨在在單個幀中等待風險的發生，不會導致后續幀之間的任務間等待。我發現它相當令人欣喜，而且是迄今為止最簡單的可實現方案——只要您的通用隊列源中有多個隊列，就可以使用單個計數器（甚至是布爾類型）并交換每一幀，此時無需進一步修改：只要我們確保 CPU 資源得到正確管理（與單個隊列相同），不須施加額外同步。

簡而言之，由于每個連續幀都在不同的隊列中提交，因此 GPU 可以自由地在幀之間并行調度任務，預期結果為 （C_N+1） 在（A_N） 完成之后開始執行。它可確保渲染器及其相應的調度程序始終繁忙，并且中間的計算不會串行化幀。

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計算工作負載：B0B1 B2B3 B4B5
圖形工作負載：A0 A1 C0 C1 A2 A3 C2 C3 A4 A5 C4 C5 ...

或（基本相同的效果）如下：

計算工作負載：B0 B1 B2 B3 B4 B5
圖形工作負載：A0 A1 C0 A2 C1 A3 C2 A4 C3 A5 C4 C5 ...

乍一看，這看起來可能很復雜，但實際很簡單。無論如何，該圖示告訴我們，GPU 正在處理一個幀（N）的計算，同時處理下一幀 （N+1） 的早期圖形或上一幀的后期圖形。

完全封裝的情況是"相當不可能"，它甚至沒有必要達到這種水平的封裝。但是，您應具備類似的特征，計算與頂點/片段任務一起調度，允許USC 加載使用盡可能多的容量。

其他的適用方案

通常，在任何存在barrier的情況下（而不僅僅是圖形/計算/圖形）時使用此技術是一個好思路。在任何情況下，它都不會有損性能，并且在--任何情況下調度器都具備更好的靈活性。調度器可能不需要額外的靈活性，但在任何情況下它都不會有損性能，而且增加的復雜性微不足道。

任何類型的barrier（包括圖形/圖形）都有可能損害 GPU 調度不同幀負載的能力并會導致暫停（順便說一下，這是考慮使用barrier一個非常重要的原因，如果不考慮該因素，可以使用子類依賴性而非barrier）。計算示例非常重要，因為即使它們共享 PowerVR 上的執行內核、圖形和計算部件，它們也在不同的數據主設備上工作，因此始終有些任務要并行執行，因此，如果可能，我們總是希望它們盡量重疊工作。但是，即使只是不同幀的圖形負載交錯執行，也通常允許您在頂點和片段任務之間獲得更多的重疊，并確保 GPU 更好的飽和性。

因此，任何barrier情況都存在潛在風險，所以使用多個隊列是備選。

注意事項：如何采用交錯隊列防止亂序

我們未能發現任何嚴重的不利條件。在不同幀之間使用不同的隊列沒有額外開銷。我們確定的唯一限制很明顯：同一隊列源必須支持多個圖形計算隊列，不過，所有 PowerVR 設備都支持該特性。

我們能夠識別的另一潛在問題是確保正確的呈現順序。但是，交換鏈對象本身將確保這一點，因為圖像以 FIFO 和郵箱呈現模式調用的 vkQueuePresent 順序呈現。對于其它模式（例如即時），您可能需要確保當前操作正確同步，以便按順序執行；這也相當容易實現。

最后，如果設備強制采用單個呈現隊列，您可以修改如下，最終只在單個隊列上呈現：

幀 0：獲取下一個圖像→ 渲染 0→ 記錄圖形/計算barrier→ 計算0 →計算/圖形barrier→渲染0′→提交到隊列0 →呈現到隊列 0

幀 1：獲取下一個圖像→ 渲染 1→ 記錄圖形/計算barrier→ 計算1→計算/圖形barrier→渲染1′→提交到隊列1 →呈現到隊列0

幀 2：獲取下一個圖像→ 渲染2→ 記錄圖形/計算barrier→ 計算2→計算/圖形barrier→渲染2′→提交到隊列0 →呈現到隊列 0

幀 3：獲取下一個圖像→ 渲染 3→ 記錄圖形/計算barrier→ 計算3→計算/圖形barrier→渲染3′→提交到隊列1 →呈現到隊列0

...等等。

它不僅利用了并行性，還確保了具有交換鏈"特殊"實現的驅動程序不會出現亂序幀呈現的風險。

簡言之，我們完全可以放心的使用該技術。如果你發現了潛在的問題，請告訴我們。

重要性能說明

需要提醒的是，PowerVR 調度時與 CPU 線程調度工作方式不同，因為后者需要昂貴的上下文切換并保存到主存——如果調度器在同一 USC 上并行執行兩個任務，在大多數情況下，它們之間切換成本為零，因此每當需要等待操作時（例如內存訪問），調度器都可以切換到另一個任務并隱藏內存操作延遲。這是我們性能得以提升的重要部分。

下面是我們需要澄清的：該技術主要不是填充可能出現空閑的不同硬件部分負載，我們試圖做的是指導驅動程序正確調度負載，減少開銷并隱藏延遲。PowerVR 是一個統一的體系結構，頂點、圖形和計算任務都在同一個 USC 上執行。與在不同頂點和片段著色器內核單獨執行的早期圖形設備不同，100%性能提升是無法實現的。我們不是要填充空閑內核;只是要 GPU非空閑時， 所有USC 都在運行（不排除一些意外狀況發生）。

最后，在僅有圖形的負載中，還可能會遇到這樣的情況，barrier會阻止不同幀之間的重疊。

未來工作

當您希望將不同的任務提交到不同的隊列類型/源情況下，此技術可以而且將起作用。一個重要的免責聲明是，該技術不會取代幀的不同負載使用不同隊列的潛在好處——如本文及其他文章中所討論到的，使用不同的專用隊列（特別是使用不同的隊列優先級來最小化幀延遲）。

因此，在這些情況下，可以使用相同的邏輯——唯一的區別是，您不會將一個隊列分裂為兩個隊列，而是將所有（或大多數）使用barrier的隊列復用。這可能并非所有隊列，因此不能替代常識和良好設計。在某些體系結構中，您可能使用三個不同的隊列，并且只需要將其中一個或者多個中的兩個隊列復用并進行乒乓操作。最重要的是在barrier旁邊至少增加一個隊列。
例如，假設一個專用計算隊列與多個通用隊列并存，此技術可能仍然有用。事實上，在多數的有趣場景下，擁有多組具有不同優先級的不同隊列并且幀之間交換集，這可以提供驚人的精細控制和靈活性。

這種情況可能工作如下：

（此處的隊列 C2 是一個專用計算隊列，隊列 0 和隊列 1 是我們要復用的通用隊列）：

幀 0：獲取下一個圖像→ 渲染 0 → 提交到隊列 0 → 信號量給隊列 2 → 計算 0，提交到隊列 C2→ 信號量給隊列 0 → 渲染0′→ 提交到隊列 0→ 呈現給隊列 0

幀1：獲取下一個圖像→ 渲染1→ 提交到隊列 1→ 信號量給隊列 2→ 計算 1，提交到隊列 C2→ 信號量給隊列 1→ 渲染1′→ 提交到隊列 1→ 呈現給隊列 1

幀2：獲取下一個圖像→ 渲染2→ 提交到隊列 0 → 信號量給隊列 2 → 計算 2，提交到隊列 C2→ 信號量給隊列 0 → 渲染2′→ 提交到隊列 0→ 呈現給隊列 0

幀 3：獲取下一個圖像→ 渲染3→ 提交到隊列1→ 信號量給隊列 2 → 計算 3，提交到隊列 C2→ 信號量給隊列 1→ 渲染3′→ 提交到隊列 1→ 呈現給隊列 1

幀 4：獲取下一個圖像→ 渲染4→ 提交到隊列 0 → 信號量給隊列 2 → 計算 4，提交到隊列 C2→ 信號量給隊列 0 → 渲染4′→ 提交到隊列 0→ 呈現給隊列 0

同樣，此處的多個圖形隊列是必要的，以允許在當前幀的第二次渲染之前調度連續幀的第一次渲染。

結論

我們向您展現了一個非常完整和通用的解決方案，用以解決常見但現實的難題。無論何時，盡可能為每幀使用多個隊列，您可以無風險、更簡單地獲得驚人的性能提升。希望這將對您的項目有幫助！如果該技術確實幫助到您，歡迎向我們分享您的故事。

我們在 PowerVR SDK中的許多演示中都使用此技術，而且我們在編寫后處理演示時也受到了啟發，并使用了該技術。

英文鏈接：https://www.imgtec.com/blog/vulkan-synchronisation-and-graphics-compute-...