预备知识

COM

组件对象模型（Component Object Modle），由Windows运行时库（Windows Runtime Library）提供，位于Microsoft::WRL::ComPtr中，通过头文件wrl.h引用。通常将它视为一种接口，但在DirectX中暂且视为类。
所有COM对象都继承自IUnknown这一接口，会统计引用计数。当引用计数归零时，它会自行释放。

在DX12中，常会用到以下ComPtr方法：

Get()

返回一个指向此底层COM接口的原始指针，也就是普通的c++指针，常用于把原始的COM接口指针作为参数传递给函数。

持有原始指针的函数可以直接用原始指针调用方法，除非在需要存为成员变量以便异步使用或类似的情况，不必转回ComPtr。

但持有原始指针的函数不应接管指针的生命周期，例如ReleaseAndGetAddressOf()和Reset()。

GetAddressOf()

返回指向此底层COM接口的原始指针的地址，通常用于初始化ComPtr对象。

由于GetAddressOf()在使用时并不会操作引用计数，如果该ComPtr原始不为空，通过该方法获取地址并修改，则原始指向的对象不会被释放，容易造成内存泄漏。因此，在DX12开发中，大多时候都会使用更安全的ReleaseAndGetAddressOf()。

ReleaseAndGetAddressOf()

释放原本的ComPtr对象，清除相关引用，并返回地址，通常用于初始化Comptr对象。

Reset()

将该ComPtr对象设置为nullptr并释放与之相关的所有引用。

ID3D12Resource 资源

D3D12资源接口。

纹理格式

2D textrue是由数据元素构成的矩阵，用途之一是存储2d图像，允许存储DXGI_FORMAT枚举中的所描述的特定类型的数据类型。

DXGI_FORMAT枚举示例>

类型	说明
DXGI_FORMAT_R32G32B32_FLOAT	每个元素由三个32位浮点数分量构成
DXGI_FORMAT_R16G16RB16A16_UNORM	每个元素由四个映射到\([0,1]\)区间的16位分量构成
DXGI_FORMAT_R32G32_UINT	每个元素由两个32位无符号整数构成
DXGI_FORMAT_R8G8R8A8_UNORM	每个元素由四个映射到\([0,1]\)区间的8位分量构成
DXGI_FORMAT_R8G8B8A8_SNORM	每个元素由四个映射到\([-1,1]\)区间的8位分量构成
DXGI_FORMAT_R8G8B8A8_SINT	每个元素由四个8位有符号整数分量构成
DXGI_FORMAT_R8G8B8A8_UINT	每个元素由四个8位无符号整数分量构成

除此以外，还有无类型格式的纹理，通常用于预留内存，待绑定到渲染管线时才指定类型。这一过程类似于指定如何翻译这一部分的数据，需要注意只能翻译为相同宽度（位）的类型。例如：

1	`DXGI_FORMAT_R32G32B32_TYPELESS`

Swap Chain

为了避免画面闪烁，通常在渲染时会将整个场景绘制完成后再显示。为此需要存在至少两个缓冲区分别用于显示当前帧和绘制下一帧，当下一帧绘制完成后交换两个缓冲区的位置，并在非当前显示的缓冲区绘制下一帧。

这种多个缓冲区交替显示构成的系统叫Swap Chain（交换链），交换两个缓冲区的行为称为Presenting（呈现）。通常情况下两个缓冲区足矣，称为双缓冲，分别将两个缓冲区叫做前台缓冲区和后台缓冲区。

Swap Chain的缓冲区以2d纹理的方式存储。

Depth Buffer

深度缓冲是一种纹理，存储特定像素的深度信息，值为\([0,1]\)。它是一种相对的深度，\(0.0\)代表视锥体中看到的离自己最近的物体，\(1.0\)代表是视锥体中能看到的距离自己最远的物体。

绘制时，会对原有像素和新像素的深度进行比较（深度测试），只有深度更小的像素会被绘制。

深度缓冲区同样以2d纹理的方式存储，且其数据规模与后台缓冲区应相同。

深度缓冲允许使用的纹理格式列表

类型	说明
DXGI_FORMAT_D32_FLOAT_S8X24_UINT	每个元素宽64位，取其中32位作为浮点型深度缓冲区，8位无符号整数分配给模板缓冲区，剩余24位用于内存对齐不做他用。
DXGI_FORMAT_D32_FLOAT	每个元素为32位浮点数深度缓冲区
DXGI_FORMAT_D24_UNORM_S8_UINT	每个元素宽32位，取其中24位作为映射到\([0.0,1.0]\)的无符号深度缓冲，8位无符号整数分配给模板缓冲区
DXGI_FORMAT_D16_UNORM	每个元素为映射到\([0.0,1.0]\)的16位深度缓冲

Stencil Buffer

模板缓冲区，通常和深度缓冲区绑定。

Bind&Descriptor

发出绘制命令前，需要将该次绘制调用相关的资源绑定（Bind）到渲染管线。部分资源可能会在没每次绘制调用时都发生变化，所以需要在每次绘制调用前按需更新绑定。

渲染管线通过描述符（Descriptor）间接引用GPU资源。描述符是一个中间层，是对送往GPU的资源进行解释的结构。

注意事项

在DX12中，View和Descriptor是同义词，有时会交替使用。

每个描述符都有一个具体类型，用于指定所描述资源的作用，DX12中常用的描述符如下：

CBV/SRV/UAV：分别表示常量缓冲区视图（描述符）、着色器资源视图（描述符）和无序访问视图（描述符）；
sample描述符表示采样器资源。
RTV：表示渲染目标视图（描述符），常见的渲染目标包括前台缓冲区、后台缓冲区。
DSV：表示深度/模板视图（描述符）。

一系列特定类型的描述符构成了描述符堆。堆是一段可以根据需要分配和释放的连续内存，描述符堆在底层接近于一个连续空间上的数组。

创建描述符通常（且最好）在初始化期间，最好不要在运行时创建描述符。

Factory

枚举显卡、创建设备（device）、创建交换链。

用完就可以销毁。

Command List

命令列表（Command List），抽象为ID3D12CommandList。但该接口只是一个通用的抽象基类，实际包含的方法非常少，在应用时通常会使用更具体的接口。

ID3D12CommandList通常用于统一管理命令队列，由于它是父类，它的数组允许其元素是不同类型的命令队列。
通常，录制命令时使用更具体的CommandList类型指针（即CommandList的子类），提交命令时使用通用的ComandList指针。不需要显示转换，只需要把具体的CommandList指针加入通用的CommandList列表并提交到命令队列即可，编译器会自行处理。

当命令全部加入命令列表后，使用Close()方法关闭命令列表，并使用m_commandQueue.ExcuteCommandLists()提交到命令队列中。
命令列表不必和命令队列一样创建为成员，它可以根据情况随用随销毁。

GraphicsCommandList

API文档：ID3D12GraphicsCommandList (d3d12.h) - Win32 apps | Microsoft Learn

继承自CoomandList，封装了一系列图形渲染指令，这些方法都只是将命令加入命令列表，而不是立刻执行。

Command Queue

API文档：ID3D12CommandQueue (d3d12.h) - Win32 apps | Microsoft Learn

命令队列（Command Queue）本质是环形缓冲区，在dx12中CPU通过命令列表将命令提交到这个队列中，而命令不会在提交的同时立刻执行。

初始化

命令队列在DX12中被抽象为ID3D12CommandQueue接口，创建命令队列前需要先创建对应的描述符。

Command Queue 初始化流程

//声明命令队列
ComPtr<ID3D12CommandQueue> m_commandQueue;

//指定命令队列描述符
D3D12_COMMAND_QUEUE_DESC queueDesc = {};
queueDesc.Flags = D3D12_COMMAND_QUEUE_FLAG_NONE;    //特殊行为标志，位掩码
queueDesc.Type = D3D12_COMMAND_LIST_TYPE_DIRECT;    //命令队列类型，包括DIRECT、BUNDLE、COMPUTE和COPY四种

//通过设备创建命令队列，参数分别是命令队列描述符、接口类型和存放命令队列实例的地址
ThrowIfFailed(m_device->CreateCommandQueue(&queueDesc, IID_PPV_ARGS(&m_commandQueue)));

这里使用了IID_PPV_ARGS，这是WindowsSDK中一个宏，作用是将接口类型转换成GUID并传入接口地址。

常用方法

ExecuteCommandLists()

用于将命令列表数组里的命令添加到命令队列中，一次性可以添加多个命令列表，GPU会按数组中的索引开始顺序执行。。有如下参数：

UINT Count ：命令列表数组中命令列表的数量
ID3D12CommandList *const *ppCommandLists：待执行的命令数组，指向命令列表数组的第一个元素。

调用例

// 1. 准备 ComPtr 列表
ComPtr<ID3D12GraphicsCommandList> cmdList; 

// 2. 提交时，用 Get() 拿到原始指针，放进数组
ID3D12CommandList* ppLists[] = { cmdList.Get() };

// 3. 数组名 ppLists 会自动转换成 ID3D12CommandList* const*
 m_CommandQueue->ExecuteCommandLists(_countof(ppLists), ppLists);

Command Allocator

API文档：ID3D12CommandAllocator (d3d12.h) - Win32 apps | Microsoft Learn

命令分配器。存储命令的接口，可以与多个命令列表关联，但同一个命令分配器同一时间，只允许有一个命令列表处于录制状态且与该命令分配器关联。
逻辑关系上，可以把Coomand List视为笔，Command Allocatoe视为纸。
命令列表创建和重置时默认处于打开状态，因此不能连续创建命令列表并将其加入Allocator。

命令分配器不需要描述符。

创建与销毁CommandAllocator的开销极为昂贵，通用的做法是创建与Swap Chain的缓冲区数量相同数量的Command Allocator，每个缓冲区的录制统一使用一个。在确认GPU执行完命令分配器中的命令后，可以通过Reset()方法重置Allocator。
重置Allocator会一并清空所有渲染管线状态，如果在onRender中重置，则需立刻重新设置视口、裁剪矩形、根签名和资源屏障。

初始化Command Allocator需要使用ID3D12Device。

初始化Command Allocator

m_device->CreateCommandAllocator(
    D3D12_COMMAND_LIST_TYPE type,
    REFIID riid,
    void **ppCommandAllocator
)

其中：

type

指定与分配器关联的命令列表的类型，常用的有两种:
- D3D12_COMMAND_LIST_TYPE_DIRECT
- D3D12_COMMAND_LIST_TYPE_BUNDLE

rrid：接口的com id。

ppCommandAllocator：输出指针

Descriptor Heap

Note

DESC和descriptor是不同的概念，前者是对特定结构的描述，仅在创建该结构的时候需要用到，创建结束后就可以销毁。

描述符堆。

dx12允许创建四种描述符堆，描述符必须放进对应的堆。创建描述符堆时，通过 D3D12_DESCRIPTOR_HEAP_TYPE 枚举指定堆类型。

堆的类型（Type）	可使用描述符	作用
`D3D12_DESCRIPTOR_HEAP_TYPE_RTV`	RTV (Render Target View)	渲染目标（画板）。告诉 GPU 画面应该吐到哪张全屏纹理上。
`D3D12_DESCRIPTOR_HEAP_TYPE_DSV`	DSV (Depth Stencil View)	深度/模板缓冲区。用来做 Z-Buffer 测试，决定物体的遮挡关系（谁在前、谁在后）。
`D3D12_DESCRIPTOR_HEAP_TYPE_CBV_SRV_UAV`	CBV (Constant Buffer View) SRV (Shader Resource View) UAV (Unordered Access View)	3 种和着色器密切相关的资源： • 3D 物体的世界变换矩阵（CBV） • 游戏角色身上的各种贴图/纹理（SRV） • 允许 GPU 读写的通用缓冲区（UAV）
`D3D12_DESCRIPTOR_HEAP_TYPE_SAMPLER`	Sampler (采样器状态)	纹理采样器。告诉 GPU 在放大或缩小贴图时，应该用双线性插值（Bilinear）还是各向异性过滤（Anisotropic）。

flushing the command queue &Fench

API文档：ID3D12Fence（d3d12.h）- Win32 应用 | Microsoft Learn --- ID3D12Fence (d3d12.h) - Win32 apps | Microsoft Learn

为了避免CPU和GPU在并行计算时不同步，导致CPU提前覆写GPU需要使用的数据，DX12使用Fence（围栏）来进行CPU与GPU之间的同步。
其思路是强制CPU进行等待，直到GPU执行完命令达到指定的fence point为止。

初始化fence

m_device->CreateFence(UINT64 InitialValue,                    
                      D3D12_FENCE_FLAGS Flag, 
                      REFIID riid,
                      void **ppFence;
                     );

每个Fence对象维护一个UINT64类型的值InitialValue，用来标识Fence point。
创建Fence对象时，InitialValue应传入\(0\)；每当需要标记一个新的Fence point时，InitialValue的值就加\(1\)。

Resource Barrier

为了避免资源转换未完成时GPU就执行相关达到读写操作，DX12使用一系列状态标记资源。
需要注意资源转换和跟踪状态这一行为有一定开销，应该谨慎地使用。

资源状态与当前正在操作的资源关联，而非与命令列表关联。

Shader Compile and load

着色器（hlsl文件）需要被编译为可移植的字节码，才能被D3D程序使用。

运行时编译着色器的方法

HRESULT D3DCompileFromFile(
  [in]            LPCWSTR                pFileName,     //shader文件源码路径
  [in, optional]  const D3D_SHADER_MACRO *pDefines,    //着色器宏，可以置空（nullptr）
  [in, optional]  ID3DInclude            *pInclude,    //包含文件，可以置空（nullptr）
  [in]            LPCSTR                 pEntrypoint,    //字符串，shader文件中的入口函数名
  [in]            LPCSTR                 pTarget,      //字符串，着色器目标版本
  [in]            UINT                   Flags1,        //标志（控制核心渲染设置
  [in]            UINT                   Flags2,        //标志（控制高级/效果
  [out]           ID3DBlob               **ppCode,      //存储编译成功后的二进制数据的容器
  [out, optional] ID3DBlob               **ppErrorMsgs  //存储编译失败后的  
);

命令与多线程

Command List、Command Allocator都不是线程自由对象，每个线程只能使用各自的对象。

Command Queue是线程自由对象，且多个线程可以同时向Command Queue提交Command List。

Multisampling

为了在显示像素受限的情况下改善走样（即锯齿），开发过程中会使用各种反走样（抗锯齿）技术，常见的抗锯齿技术包括SSAA（超级采样，Super Sample Anti-Aliasing）和MSAA（多重采样，MultuSample Anti-Aliasing）。

SSAA是一种开销昂贵的技术，它使用4倍屏幕分辨率大小的后台缓冲区和深度缓冲区，当后台缓冲区被推向前台时，会将后台缓冲区按4个像素一组进行解析（降采样），以四个像素的平均值作为实际像素的值。它需要计算四倍分辨率像素的颜色，而计算像素颜色是渲染管线中开销最大的操作之一。

MSAA同样使用多倍屏幕分辨率大小的后台缓冲区和深度缓冲区，和SSAA的区别在于MSAA对每组子像素只计算一次颜色（而不是SSAA的逐像素计算），但会对每个子像素进行深度测试，只有通过深度测试的的像素会更新为新的颜色；当后台缓冲区被推到前台时，会对子像素分组进行加权均值计算。

注意事项

采样时，子像素划分并非将一个子像素均匀地切分为多个子像素，实际的切割往往带有不同的旋转与平移，因此各个子像素的中心点和像素的中心点距离也不一定相等。

在DX12中，采样使用DXGI_SAMPLE_DESC描述符，它是一个结构体，原型如下：

typedef struct DXGI_SAMPLE_DESC{
    UNIT Count;         //指定每个像素的采样次数
    UNIT Quality;       //图像质量级别
}DXGI_SAMPLE_DESC;

Feature Level

功能级别。

DXGI

DirectX Graphics Infrastructure，一套与Direct3D配合使用的API，用于处理多种图形API中共有的底层任务，以及一些常用的图形功能。

性能计时器 Performance timer

游戏计时器 GameTimer

GameTimer典型结构

class GameTimer
{
public:
    GameTimer();

    float TotalTime()const;  // 单位为秒
    float DeltaTime()const; // 单位为秒

    void Reset(); // 消息循环前调用
    void Start(); // 取消暂停时调用
    void Stop();  // 暂停时调用
    void Tick();  // 每帧调用

private:
    double mSecondsPerCount;
    double mDeltaTime;

    __int64 mBaseTime;
    __int64 mPausedTime;
    __int64 mStopTime;
    __int64 mPrevTime;
    __int64 mCurrTime;

    bool mStopped;
};

GameTimer是一个由开发者实现的普通类，用于在游戏中处理时间。

具体时间可以详见DX12龙书4.4.2-4.4.4。

帧的统计信息

为了测量和记录FPS，会使用CalculateFrameStats方法，这个方法也需要自行实现，或使用已有框架。在DX12中建议使用包含该方法的D3DApp，但实践中往往需要更复杂的计算，D3DApp仅能作为参考。

CalculateFrameStates使用例

oid D3DApp::CalculateFrameStats()
{
    // 计算每秒平均帧数的代码，还计算了绘制一帧的平均时间。 
    // 这些统计信息会显示在窗口标题栏中。
    static int frameCnt = 0;
    static float timeElapsed = 0.0f;

    frameCnt++;

    // 计算一秒时间内的平均值
    if( (mTimer.TotalTime() - timeElapsed) >= 1.0f )
    {
        float fps = (float)frameCnt; // fps = frameCnt / 1
        float mspf = 1000.0f / fps;

        std::wostringstream outs;   
        outs.precision(6);
        outs << mMainWndCaption << L"    "
             << L"FPS: " << fps << L"    " 
             << L"Frame Time: " << mspf << L" (ms)";
        SetWindowText(mhMainWnd, outs.str().c_str());

        // 为了计算下一个平均值重置一些值。
        frameCnt = 0;
        timeElapsed += 1.0f;
    }
}

每一帧都要调用以上方法。