Vulkan之Fence

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vulkan以并行的方式异步的运行，这样通过设备上的多个队列和主机一起使物理资源保持繁忙，这也就使得vulkan变得异常复杂，因此需要引入各种同步原语，使得主机和设备保持同步，不至于混乱执行，这里我们首先分析下fence。

1）fence是做什么的

Fence提供了一种粗粒度的，从Device向Host单向传递信息的机制，可以理解为 CPU 与 GPU 端的同步信号，实际上也就是queue到CPU的一种同步信号。

对于一个fence对象，Device会将其从unsignaled转到signaled状态，告诉Host一些工作已经完成。所以fence使用在Host/Device之间的，且是一种比较粗粒度的同步机制。

2）需要引入fence的原因

CPU端任务提交过快，而GPU端（实际上是queue）处理渲染慢，GPU端已经满载了（这实际上是我们希望的，因为要提升帧率就必然会让GPU满载工作），进而会导致queue端需要处理的指令积压严重，这会造成应用程序的内存使用量暴涨（也就是说实际上fence的目的是解决应用程序内存暴涨的问题，也就是不希望CPU端提交指令过多）

同时fence还起到了阻塞CPU与GPU对同一资源的共同操作问题。在draw中，（由于swapchain的缓冲有限）在绘制同一个索引的framebuffer中，会修改uniformbuffer以及顶点数据等等（这在游戏或者视频中很常见）。如果没有fence，会导致GPU正在渲染的commandBuffer以及其中的资源被CPU修改了，进而导致渲染错乱。因此实质上fence也是阻断了CPU和GPU对同一帧资源的同时修改问题。

3）fence的状态

fence一共有两个状态signaled and unsignaled

初始状态下，fence会被设置为signaled的状态；

在调用vkQueueSubmit时，可以传入一个Fence，这样当Queue中的所有命令都被完成以后，Fence就会被设置成signaled的状态；

vkWaitForFences会让CPU在当前位置被阻塞掉，然后一直等待到它接受的Fence变为signaled的状态，这样就可以实现在某个渲染队列内的所有任务被完成后，CPU再执行某些操作的同步情景。

（fence被触发到signaled状态，必须存在一种方法，将之转回到unsignaled状态，这个功能由vkResetFences完成）

4）fence的创建

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typedef struct VkFenceCreateInfo {
    VkStructureType       sType;
    const void*           pNext;
    VkFenceCreateFlags    flags;
} VkFenceCreateInfo;

sType要设置为VK_STRUCTURE_TYPE_FENCE_CREATE_INFO
flags在初始时一般要设置为VK_FENCE_CREATE_SIGNALED_BIT，这样我们新创建的fence就是signaled了。

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VKAPI_ATTR VkResult VKAPI_CALL vkCreateFence(
    VkDevice                                    device,
    const VkFenceCreateInfo*                    pCreateInfo,
    const VkAllocationCallbacks*                pAllocator,
    VkFence*                                    pFence);

当调用vkCreateFence成功后，会把一个新的fence对象的句柄放置到pFence指向的变量中。

5）fence的销毁

fence是我们创建的对象，当程序结束时，我们需要手动将其销毁

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VKAPI_ATTR void VKAPI_CALL vkDestroyFence(
    VkDevice                                    device,
    VkFence                                     fence,
    const VkAllocationCallbacks*                pAllocator);

6）vkWaitForFences

vkWaitForFences会让CPU在当前位置被阻塞掉，然后一直等待到它接受的Fence变为signaled的状态，这样就可以实现在某个渲染队列内的所有任务被完成后，CPU再执行某些操作的同步情景。

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VKAPI_ATTR VkResult VKAPI_CALL vkWaitForFences(
    VkDevice                                    device,
    uint32_t                                    fenceCount,   // 需要等待的fence的数量
    const VkFence*                              pFences,      //  指向VkFence句柄的数组，这些句柄表示需要等待的fence
    VkBool32                                    waitAll,      // VK_TRUE则表示要等待所有的fence变为有信号，VK_FALSE为任何一个有信号就返回
    uint64_t                                    timeout);     // 超时时间

7）vkResetFences

很简单。就是将fence由signaled状态转回到unsignaled状态

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VKAPI_ATTR VkResult VKAPI_CALL vkResetFences(
    VkDevice                                    device,
    uint32_t                                    fenceCount,  // 待重置的fence的数目
    const VkFence*                              pFences);   //  指向VkFence句柄的数组，这些句柄表示待重置的fence

8）vkQueueSubmit

vkQueueSubmit的作用时提交渲染命令，在其他章节有介绍。
在调用vkQueueSubmit时，可以传入一个Fence（这个fence必须时unsignaled，这也就是为啥要在vkQueueSubmit之前调用vkResetFences的原因），这样当Queue中的所有命令都被完成以后，Fence就会被设置成signaled的状态；

9） vkGetFenceStatus

应用程序可以直接调用此函数来查询fence的状态，不过这个好像使用的比较少。

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VKAPI_ATTR VkResult VKAPI_CALL vkGetFenceStatus(
    VkDevice                                    device,
    VkFence                                     fence);

10） fence的实际使用

我们从实际的代码分析

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std::vector<VkFence> inFlightFences;
std::vector<VkFence> imagesInFlight;

inFlightFences.resize(MAX_FRAMES_IN_FLIGHT);
imagesInFlight.resize(swapChainImages.size(), VK_NULL_HANDLE);

VkFenceCreateInfo fenceInfo{};
fenceInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_FENCE_CREATE_INFO;
fenceInfo.flags = VK_FENCE_CREATE_SIGNALED_BIT;
for (size_t i = 0; i < MAX_FRAMES_IN_FLIGHT; i++) {
    vkCreateFence(device, &fenceInfo, nullptr, &inFlightFences[i])
}

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void drawFrame() {
    vkWaitForFences(device, 1, &inFlightFences[currentFrame], VK_TRUE, UINT64_MAX);
    ......
    vkResetFences(device, 1, &inFlightFences[currentFrame]);
    if (vkQueueSubmit(graphicsQueue, 1, &submitInfo, inFlightFences[currentFrame]) != VK_SUCCESS) {
        throw std::runtime_error("failed to submit draw command buffer!");
    }
}

我们首先需要等待fence的状态，如果时signaled，则将其reset为unsignaled，然后再次提交新的命令vkQueueSubmit。这里我们用了并行渲染的模式，所以我们看到的是数组里的某一个fence。

上面的inFlightFences解决了CPU命令提交过快问题，下面的imagesInFlight解决了GPU和CPU对同一资源一个读，一个改的问题。

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if (imagesInFlight[imageIndex] != VK_NULL_HANDLE) {
    vkWaitForFences(device, 1, &imagesInFlight[imageIndex], VK_TRUE, UINT64_MAX);
}
imagesInFlight[imageIndex] = inFlightFences[currentFrame];

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