Vulkan之Barrier

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Barrier，翻译是栅栏。是同一个queue中的command，或者同一个subpass中的command所明确指定的依赖关系。我们可以想象一下有一大串的command乱序执行（实际上可能是顺序开始，乱序结束），barrier就是在中间树立一道栅栏，要求栅栏前后保持一定的顺序，但是前后的内部之间的顺序它是不关心的。

从这里我们可看到Barrier是command之间（或者说是queue内，不能跨queue）的同步原语。由vkCmdPipelineBarrier来创建barrier，实际上从这个名字vkCmdPipelineBarrier也可以看出，它应用于command同步。

1）vkCmdPipelineBarrier

函数的参数看着很简单，但是他的内容的理解还是很复杂的。

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VKAPI_ATTR void VKAPI_CALL vkCmdPipelineBarrier(
    VkCommandBuffer                             commandBuffer,
    VkPipelineStageFlags                        srcStageMask,
    VkPipelineStageFlags                        dstStageMask,
    VkDependencyFlags                           dependencyFlags,
    uint32_t                                    memoryBarrierCount,
    const VkMemoryBarrier*                      pMemoryBarriers,
    uint32_t                                    bufferMemoryBarrierCount,
    const VkBufferMemoryBarrier*                pBufferMemoryBarriers,
    uint32_t                                    imageMemoryBarrierCount,
    const VkImageMemoryBarrier*                 pImageMemoryBarriers);

commandBuffer指设置barrier的命令要写入的commandBuffer。

srcStageMask和dstStageMask 指定了barrier的同步范围，也就是说barrier作用在这两个之间（srcStageMask表示哪个阶段的管线最后写入数据，dstStageMask 表示那个阶段的管线接下来要从资源读取数据）。

dependencyFlags 高阶设置，目前还不太懂

memoryBarrierCount和pMemoryBarriers 应用全局的memory barrier

bufferMemoryBarrierCount和pBufferMemoryBarriers 应用于Buffer的 memory barrier

imageMemoryBarrierCount和pImageMemoryBarriers 应用于Image的memory barrier

2） VkPipelineStageFlags

下面我们来理解一下srcStageMask和dstStageMask。

我们知道GPU是一个高度流水线化的设备，实际上我们的command位于顶部，依次执行下面的各个阶段，执行完毕后，命令从管道底部退出。

当我们将多个command 依次放入到queue里面后，他们实际上是并行执行的，而如果他们之间存在依赖时，我们就没有办法控制他们的前后顺序了。假设我们有两个command，一个渲染shadow的renderpass，另一个是主流程的renderpass。假设我们需要设置的barrier如下：

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vkCmdPipelineBarrier(
    commandBuffer,
    VK_PIPELINE_STAGE_COLOR_ATTACHMENT_OUTPUT_BIT, // source stage
    VK_PIPELINE_STAGE_FRAGMENT_SHADER_BIT,    // destination stage
    /* remaining parameters omitted */);

我们设置srcStageMask为ShadowPass里面的VK_PIPELINE_STAGE_COLOR_ATTACHMENT_OUTPUT_BIT阶段
dstStageMask为MainPass里面的VK_PIPELINE_STAGE_FRAGMENT_SHADER_BIT。
barrier1
那也就意味着mainPass的fragment shader阶段一定要在shadowPass的color attachment阶段后执行。
这也就意味着mainPass的fragment shader之前的阶段可以和整个shadowPass并行，如下图所示。
barrier2
实际上srcStageMask和dstStageMask之间的阶段越多，并行度越高，否则则并行度越低。

对于正常的管线阶段来说，我们有如下的阶段定义：

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VK_PIPELINE_STAGE_TOP_OF_PIPE_BIT = 0x00000001,
VK_PIPELINE_STAGE_DRAW_INDIRECT_BIT = 0x00000002,
VK_PIPELINE_STAGE_VERTEX_INPUT_BIT = 0x00000004,
VK_PIPELINE_STAGE_VERTEX_SHADER_BIT = 0x00000008,
VK_PIPELINE_STAGE_TESSELLATION_CONTROL_SHADER_BIT = 0x00000010,
VK_PIPELINE_STAGE_TESSELLATION_EVALUATION_SHADER_BIT = 0x00000020,
VK_PIPELINE_STAGE_GEOMETRY_SHADER_BIT = 0x00000040,
VK_PIPELINE_STAGE_FRAGMENT_SHADER_BIT = 0x00000080,
VK_PIPELINE_STAGE_EARLY_FRAGMENT_TESTS_BIT = 0x00000100,
VK_PIPELINE_STAGE_LATE_FRAGMENT_TESTS_BIT = 0x00000200,
VK_PIPELINE_STAGE_COLOR_ATTACHMENT_OUTPUT_BIT = 0x00000400,
VK_PIPELINE_STAGE_COMPUTE_SHADER_BIT = 0x00000800,
VK_PIPELINE_STAGE_TRANSFER_BIT = 0x00001000,
VK_PIPELINE_STAGE_BOTTOM_OF_PIPE_BIT = 0x00002000,

当然上面的阶段有些可能是合并的，有些可能会丢失。

同时vulkan还定义了如下的三个伪阶段，他们组合了多个阶段或处理特殊的访问

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HOST_BIT
ALL_GRAPHICS_BIT
ALL_COMMANDS_BIT

注意这里面有两个阶段TOP_OF_PIPE_BIT和BOTTOM_OF_PIPE_BIT，这是人为定义的两个阶段，表示开始和结束

当我们进行如下的设置时：

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vkCmdPipelineBarrier(
    commandBuffer,
    VK_PIPELINE_STAGE_BOTTOM_OF_PIPE_BIT, // source stage
    VK_PIPELINE_STAGE_TOP_OF_PIPE_BIT,    // destination stage
    /* remaining parameters omitted */);

表示GPU上所有的命令都完成后，才开始转换，并且在转换完成之前，没有任何命令可以开始启动，这个障碍将等待一切​​完成，并阻止任何工作开始。这实际上是很低效的一种方式。

当我们进行如下的设置时：

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vkCmdPipelineBarrier(
    commandBuffer,
    VK_PIPELINE_VERTEX_SHADER_BIT,     // source stage
    VK_PIPELINE_COMPUTE_SHADER_BIT,    // destination stage
    /* remaining parameters omitted */);

这里表示我们的vertex shader处理完成后（假设vertexShaderimageStore写入了数据），然后computer shader才能来读取。

参考资料：
https://zhuanlan.zhihu.com/p/100162469
https://gpuopen.com/learn/vulkan-barriers-explained/
http://themaister.net/blog/2019/08/14/yet-another-blog-explaining-vulkan-synchronization/
http://cpp-rendering.io/barriers-vulkan-not-difficult/

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