AndroidN 中vulkan 的支持-白红宇

AndroidN 中vulkan 的支持

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发布时间：2019-05-21

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背景

Vulkan为Khronos Group推出的下一代跨平台图形开发接口，用于替代历史悠久的OpenGL。Android从7.0(Nougat)开始加入了对其的支持。Vulkan与OpenGL相比，接口更底层，从而使开发者能更直接地控制GPU。由于更好的并行支持，及更小的开销，性能上也有一定的提升。另外层式架构可以帮助减少调试和测试的时间。但是，代价是实现相同的功能更复杂了。原本用OpenGL写个最简单的demo百来行，用vulkan祼写的话没千把行下不来。因此实际使用中需要有utility层来简化接口调用。Android对vulkan的支持主要是提供接口让开发者可以用vulkan开发图形相关应用，尤其是像游戏这样的3D渲染场景。如果有支持vulkan的Android移动设备，开发者就可以利用NDK进行基于vulkan的开发了。

我们知道vulkan的架构是loader+layers+ICD的层式结构（图请参见https://vulkan.lunarg.com/doc/view/1.0.13.0/windows/LoaderAndLayerInterface.html）。Layer一般用于提供loader和ICD没有提供的附加功能，比如验证，调试等。因为vulkan的API设计上为了避免性能损失基本不做错误检查。这样就需要我们在开发过程中enable validation layer，发布时再去除，那么就既可免除过多错误检测带来的开销，又可为开发带来方便。每个layer可以定义若干个entry point。流程上来说，vulkan接口的调用会采用chain of responsibility模式。即依次查找各个layer中是否有该接口的entry point，如果都没有最后到达ICD。之前基于OpenGL要做类似的事情需要做wrapper layer，现在vulkan把它融入了架构设计。

从前面的可以看到，从app到GPU IHV提供的ICD之间，需要有vulkan runtime。在中，这个runtime主要位于/frameworks/native/vulkan目录，它会编译成libvulkan.so。主要作用是对driver的封装，及提供API hook能力，还有与本地native window的整合，同时它提供了一个ICD的参考实现null_driver。其中主要的几个目录包括api（用于生成api的模板），libvulkan（loader），nulldrv（默认ICD实现）。include下为vulkan暴露的头文件，其中最主要的两个头文件为vulkan.h（通用内容），vk_platform.h（平台相关内容）。

Vulkan runtime (libvulkan.so)

根据vulkan的架构，一个app要真正用到vulkan driver的函数，需要先通过loader，这个loader在Android上的实现在/frameworks/native/vulkan/libvulksn下。这个loader的作用，顾名思义主要是加载和调用driver。因为vulkan中可以有0个到多个layer，因此当app调用这些入口后，loader会负责将它们dispatch给相应的layer。我们知道Android中大多数driver是通过HAL机制(/hardware/libhardware/hardware.c)来寻找和加载的。因此，和gralloc, hwcomposer，一样，厂商需要提供vulkan.<ro.product.platform>.so。我们知道对于HAL机制下的每个模块，需要提供hw_module_t和hw_device_t等通用接口。对于vulkan，它相应的定义是hwvulkan_module_t和hwvulkan_device_t，位于 /frameworks/native/vulkan/include/hardware/hwvulkan.h。前者是通用模块定义，可以支持多个driver；后者对应单个driver，目前只支持HWVULKAN_DEVICE_0。厂商提供的driver需要实现并暴露这两个结构。hwvulkan_dispatch_t是vulkan特有的，表示dispatchable object handle。从定义来看像VkInstance, VkPhysicalDevice, VkDevice这些vulkan基本结构其实都是指针。

[cpp]

VK_DEFINE_HANDLE(VkInstance)

VK_DEFINE_HANDLE(VkPhysicalDevice)

VK_DEFINE_HANDLE(VkDevice)

....

而这些指针指向相应的driver中的结构VkXXX_T。这些结构首个成员都是hwvulkan_dispatch_t，其中的vtbl经初始化由loader设置指向相应的结构。

在/frameworks/native/vulkan目录下，有两个driver的实现：null_driver和stubhal。它们有些类似，都是真正driver不存在情况下的fallback。两者的区别在于，前者是硬件driver不存在下的fallback，类似于gralloc.defaut.so和hwcomposer.default.so，而后者的目的是loader在没有HAL实现的情况下避免每次检查HAL为null。

在接下去之前，先看一下vulkan中的一些基本相关背景。Vulkan中不再有全局状态，所有app相关的状态存在VkInstance中，所以app会先通过vkCreateInstance()创建instance，然后通过vkEnumeratePhysicalDevices()查询系统中的物理设备，接着用vkCreateDevice()根据指定物理设备创建逻辑设备。另外，根据vulkan spec，vulkan不必要静态暴露接口，接口函数的指针可以通过vkGetInstanceProcAddr()来获得，类似于OpenGL中的GetProcAddress系函数。而vkGetInstanceProcAddr函数本身是通过平台相关的loader来提供的。vkGetDeviceProcAddr()和其它接受VkInstance或VkPhysicalDevice为第一参数的函数地址可通过vkGetInstanceProcAddr()获得，它们是per-instance的；以VkDevice, VkQueue或VkCommandBuffer为第一参数的函数地址可通过vkGetDeviceProcAddr()获得，它们是per-device的。如果通过直接调用这些查询到的API地址就可以避免dispatch所带来的开销。

以https://github.com/googlesamples/android-vulkan-tutorials中的sample为例，一个app要使用vulkan，需要打开libvulkan.so，然后通过dlsym取其中的vulkan接口函数地址。这些common的code在vulkan_wrapper.cpp中：

[cpp]

void* libvulkan = dlopen("libvulkan.so", RTLD_NOW | RTLD_LOCAL);

if (!libvulkan)

return 0;

// Vulkan supported, set function addresses

vkCreateInstance = reinterpret_cast<PFN_vkCreateInstance>(dlsym(libvulkan, "vkCreateInstance"));

vkDestroyInstance = reinterpret_cast<PFN_vkDestroyInstance>(dlsym(libvulkan, "vkDestroyInstance"));

这些vkXXX函数的定义在api_gen.cpp中（注意这些_gen.*形式的文件都是根据模板用apic工具生成的）。这里看下大体流程，首先是vkCreateInstance()函数：

[cpp]

VKAPI_ATTR VkResult vkCreateInstance(const VkInstanceCreateInfo* pCreateInfo, const VkAllocationCallbacks* pAllocator, VkInstance* pInstance) {

return vulkan::api::CreateInstance(pCreateInfo, pAllocator, pInstance);

}

它的真正实现在api.cpp中。为了简单，这里假设用的是null_driver，且没有validation layer。

[cpp]

CreateInstance()

EnsureInitialized()

// 初始化真正的driver，std::call_once()保证只调用一次。

driver::OpenHAL()

Hal::Open()

hw_get_module("vulkan", ...) // 初始化hwvulkan_module_t

module->common.methods->open(&module->common, HWVULKAN_DEVICE_0, ...) // 初始化hwvulkan_device_t

DiscoverLayers() // 查找layer lib，会在搜索路径下寻找validation layer的实现库。

LayerChain::CreateInstance()

LayerChain chain(...)

chain.ActivateLayers() // 从create info中取出layer信息并通过LoadLayer()加载，并将它们在SetupLayerLinks()里链接起来。

chain.Create(create_info, ...)

vulkan::driver::GetInstanceProcAddr(VK_NULL_HANDLE, "vkCreateinstance")

GetProcHook() // 先找是否有对应hook函数。这个hook列表在全局变量g_proc_hooks里。

// 对于vkCreateInstance，它在hook列表中，因此会返回该hook函数地址。

CreateInstance() // 位于driver.cpp中

AllocateInstanceData() // 分配每个instance所关联的InstanceData。

Hal::Device().CreateInstance() // ICD中的CreateInstance()，这里假设是null_driver.cpp里的CreateIntance()。

SetData() // 将InstanceData和VkInstance绑定。

InitDriverTable() // 实现在driver_gen.cpp中，将InstanceDriverTable结构InstanceData.driver中的API函数指针初始化好。

// 使用的是Hal::Device().GetInstanceProcAddr()，这里假设是null_driver.cpp中的GetInstanceProcAddr()，

// 它的实现在null_driver_gen.cpp中。

InitDispatchTable() // 实现在api_gen.cpp中。和上面类似，初始化InstanceDispatchTable结构InstanceData.dispatch。

// 这里用的是driver.cpp中的driver::GetInstanceProcAddr()。

// 像CreateAndroidSurfaceKHR这些平台相关的接口都是作为其中的扩展。

这里看下上面用到的driver::GetInstanceProcAddr()的实现，先是看该函数是否在hook表中，否则调用ICD的GetInstanceProcAddr()来搜索函数。这时返回的就是ICD中的相应实现了。

[cpp]

PFN_vkVoidFunction GetInstanceProcAddr(VkInstance instance, const char* pName) {

const ProcHook* hook = GetProcHook(pName);

if (!hook)

return Hal::Device().GetInstanceProcAddr(instance, pName);

按照vulkan spec，创建了instance，接下来需要创建device。为了简单，先忽略查找设备的过程，从vkCreateDevice()看起。其流程比vkCreateInstance()简单些，但也涉及了很多重要的初始化工作。

[cpp]

vkCreateDevice()

CreateDevice() // 位于api.cpp

LayerChain::CreateDevice()

LayerChain chain()

chain.ActivateLayers() // Layer处理

chain.Create(physical_dev, ...)

driver::CreateDevice()

// 分配DeviceData

null_driver::CreateDevice()

SetData() // 将DeviceData绑定VkDevice.

InitDriverTable() // 这里使用的是null_driver::GetDeviceProcAddr()。

InitDispatchTable(dev, ) // 这里使用的是driver::GetDeviceProcAddr()。

可以看到只有当创建了instance，真正的driver库才会被打开，相应的函数指针才会被初始化。App中的vulkan资源有两大类：一类是per-instance的，一类是per-device的。前者主要结构为InstanceData，后者为DeviceData。

初始化完后，app就可以调用vulkan的接口了。举例来说，当app调用了vkAllocateMemory()，该函数首先会调用到api_gen.cpp中的wrapper：

[cpp]

VKAPI_ATTR VkResult vkAllocateMemory(VkDevice device, const VkMemoryAllocateInfo* pAllocateInfo, const VkAllocationCallbacks* pAllocator, VkDeviceMemory* pMemory) {

return vulkan::api::AllocateMemory(device, pAllocateInfo, pAllocator, pMemory);

}

这里会从DeviceData中的跳板函数表dispatch中找AllocateMemory相应的地址并调用:

[cpp]

VKAPI_ATTR VkResult AllocateMemory(VkDevice device, const VkMemoryAllocateInfo* pAllocateInfo, const VkAllocationCallbacks* pAllocator, VkDeviceMemory* pMemory) {

return GetData(device).dispatch.AllocateMemory(device, pAllocateInfo, pAllocator, pMemory);

}

那这个函数地址指向哪里呢？从前面InitDispatchTable()可以看到，该地址是通过driver::GetInstanceProcAddr()取得的。而该函数中首先从g_proc_hooks全局表中找是否有相应的函数，失败的话则调用ICD中的GetDeviceProcAddr()来查找。

[cpp]

PFN_vkVoidFunction GetDeviceProcAddr(VkDevice device, const char* pName) {

const ProcHook* hook = GetProcHook(pName);

if (!hook)

return GetData(device).driver.GetDeviceProcAddr(device, pName);

这里是通过null_driver::GetDeviceProcAddr()查找就会返回null_driver::AllocateMemory。如果在平台上厂商有提供vulkan实现的话此时就会调用到厂商的相应实现中去。

WSI(Window System Integration)

和OpenGL一样，当实际使用时还需要和平台的native window系统对接。对vulkan而言，也是类似的。这层对接层称为WSI。对OpenGL而言，Android平台的WSI是通过EGL实现的。而在vulkan中，Android在libvulkan.so中提供了VK_KHR_surface , VK_KHR_swapchain , and VK_KHR_android_surface，VK_ANDROID_native_buffer这些extension来做WSI。说白了它们就是把Android中ANativeWindow，ANativeWindowBuffer那坨平台相关的东西与vulkan driver中的接口和数据结构做桥接。具体地，主要是将vulkan接口与Android中的gralloc, BufferQueue结合。Vulkan spec中定义了swapchain（VkSwapchainKHR），用于建模surface更新渲染结果的过程，它抽象了一组与surface绑定的可提交image（VkImage）。在每个vulkan支持的平台上，我们都可以找到类似的presentation模型。举例来说，Android中的buffer交换模型和vulkan中的通用模型本质上是类似的：

Android中libvulkan做的事之一就是将这两者结合起来。首先ICD中需要实现几个Android相关的extension：vkGetSwapchainGrallocUsageANDROID，vkAcquireImageANDROID，vkQueueSignalReleaseImageANDROID。他们的用途一会儿会提到。对于app而言，典型的和WSI相关流程如下：

1. 先通过vkCreateAndroidSurfaceKHR() 创建VkSurfaceKHR。其实现位于swapchain.cpp中的CreateAndroidSurfaceKHR()。可以看到其中创建了driver::Surface对象并初始化。参数中传入的ANativeWindow会赋到创建的Surface对象window成员中。同时还可以看到，在Android平台上VkSurfaceKHR其实就是这个driver::Surface类的指针。这个Surface的作用是维护了ANativeWindow和VkSwapchain的对应关系。它与后面要创建的Swapchain相关的关系如下：

2. 通过vkCreateSwapchainKHR()创建VkSwapchainKHR。它的实现在swapchain.cpp中的CreateSwapchainKHR()。可以看到，其中对于driver::Surface中指向的libgui::Surface初始化了一坨属性（通过ANativeWindow接口）。其中会通过扩展接口vkGetSwapchainGrallocUsageANDROID()将vulkan中的属性转成gralloc能认的属性。另外会通过libgui::Surface从BufferQueue中取出buffer（ANativeWindowBuffer）并转为VkImage。这个过程依赖于对vkCreateImage()的扩展。转化过程中首先根据ANativeWindowBuffer中的值构造VkNativeBufferAndroid，然后VkNativeBufferAndroid作为vkCreateImage()的参数创建相应的VkImage。ANativeWindowBuffer和VkImage的对应关系由driver::Swapchain::Image数组来维护（如上图）。数组中元素的最大个数与libgui中BufferQueue中的定义一样。另外VkSwapchainKHR其实就是Swapchain的指针。

前两步相当于EGL中的eglCreateWindowSurface()，完成surface的初始化，大体流程图如下：

3. 每当需要绘制新的一帧时，先调用vkAcquireNextImageKHR()获得一个app可用的buffer。该buffer由上面提到的Swapchain中的images数组的index表示。但此时可能GPU还是在操作该buffer，因此拿到后还需等返回的semaphore signal后才能确认该buffer真正可用。接下来就可以真正渲染了。

4. 渲染完一帧后，调用vkQueuePresentKHR()提交前面获取的buffer。同样的，buffer用index表示。

后两步大体流程图如下：

vkAcquireNextImageKHR()和vkQueuePresentKHR()的实现分别位于swapchain.cpp中的AcquireNextImageKHR()和QueuePresentKHR()。前者本质是调用libgui::Surface的dequeueBuffer()拿到一个buffer，然后找到该buffer在driver::Swapchain::Image数组中的index并返回。后者本质上是调用queueBuffer()将该buffer放回到BufferQueue中去。可以看到，本质上这些WSI相关接口就是把vulkan中的接口转为Android中的相应接口。相应的数据结构也需做类似的转化。

还有个问题就是Android中的buffer同步使用的是fence fd（通过ANDROID_native_fence_sync扩展），vulkan中使用的是VkSemaphore和VkFence，因此这之间也需要转换。这时上面提到的vkAcquireImageANDROID()和vkQueueSignalReleaseImageANDROID()就起到作用了。前者将native fence fd转为VkSemaphore和VkFence；后者创建一个native fence fd。

验证和调试

和通用做法不一样，由于Android中的安全策略限制，loader只会从指定路径下搜索libVkLayer_*.so作为validation layer的库。NDK中提供了一些validation layer，比如libVkLayer_core_validation.so，libVkLayer_image.so，libVkLayer_object_tracker.so，libVkLayer_parameter_validation.so，libVkLayer_threading.so等。当ro.debuggable为true时，即可调试设备上，还会从/data/local/debug/vulkan目录查找。

另外VK_EXT_debug_report扩展可以允许app在指定的一些点调用自定义的回调函数。详见https://developer.android.com/ndk/guides/graphics/validation-layer.html#debug及https://github.com/googlesamples/android-vulkan-tutorials中的例子。

其它

Android N中在surfaceflinger进程增加了GpuService，让其它进程可以通过surfaceflinger进程查询vulkan的能力，以json格式输出。它利用了Android N中binder新增加的SHELL_COMMAND_TRANSACTION。它本质上是通过IPC实现了进程A在进程B中执行shell命令并返回结果。一个典型例子见/frameworks/native/cmds/cmd/cmd.cpp（该工具通过将本进程的stdin, stdout, stderr传给目标进程，达到以指定service进程身份执行命令的目的）。

其它一些相关的project包括：

/external/vulkan-validation-layers/loader/：改编自Khronos官方的loader和validation layer实现（https://github.com/KhronosGroup/Vulkan-LoaderAndValidationLayers）。

/external/deqp/external/vulkancts/：Vulkan CTS，它属于dEQP(drawElements Quality Program)。OEM可以通过它来测试vulkan的实现。

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