从零开始的跨平台渲染引擎——OpenGL基础环境搭建

Posted 2022-12-02 董小虫

前言

在前文中，我主要分析了渲染引擎的整体架构。本文的主要内容是对OpenGL基础环境的搭建，主要涉及架构图中的Container、Graphic Wrapper和Platform层。

这里也放上代码仓的链接：https://github.com/dongzhong/ReZero。代码也是从零开始搭建，会逐步的完善功能。

一、OpenGL环境介绍

OpenGL是一些操作GPU的API集合。但是OpenGL并没有提供操作平台本地窗口的API。所以需要另外一套可以起到本地窗口和OpenGL之间桥梁作用的工具。OpenGL的维护组织Kronos也提供了一套本地窗口接口EGL，而苹果公司也为ios系统提供了一套EAGL框架。

下面就对这两个工具、框架进行相关API介绍，以及如何在工程中应用，可能面临的问题。

二、OpenGL环境搭建基本流程

android EGL 环境

如果开发过Android图形相关应用的开发，应该会了解过GLSurfaceView。GLSurfaceView已经为我们初始化好了OpenGL环境，我们只需要使用GL10里的相关API实现OpenGL的调用。

但是，这些API都是Android的Java层接口。如果考虑到跨平台特性，就需要使用OpenGL的C++接口了。而NDK提供了EGL工具。在上篇文章中也提到了，Android平台的容器需要使用TextureView或SurfaceView，这两个控件中又可以产生或持有android.View.Surface。而这个Surface则可以通过JNI传递到C++层，用于创建本地窗口。

下面对EGL环境搭建和销毁进行详细介绍。

初始化

1. 获取并初始化环境

EGLDisplay eglGetDisplay(EGLNativeDisplayType display_id);

EGLBoolean eglInitialize(EGLDisplay dpy, EGLint *major, EGLint *minor);

这两个API用于获取系统屏幕资源，并与其进行连接。设备有可能会有多个屏幕，eglGetDisplay方法的参数就是用于选择屏幕。通常情况下，在手机上我们使用EGL_DEFAULT_DISPLAY来获取默认主屏幕。

2. 配置选择

EGLBoolean eglChooseConfig(EGLDisplay dpy, const EGLint *attrib_list, EGLConfig *configs, EGLint config_size, EGLint *num_config);

这个方法返回一些列满足给定属性的配置。举个栗子：

// Example
const EGLint config_attributes[] = 
    EGL_RENDERABLE_TYPE, EGL_OPENGL_ES2_BIT,
    EGL_SURFACE_TYPE,    EGL_WINDOW_BIT,
    EGL_RED_SIZE,        8,
    EGL_GREEN_SIZE,      8,
    EGL_BLUE_SIZE,       8,
    EGL_ALPHA_SIZE,      8,
    EGL_DEPTH_SIZE,      24,
    EGL_STENCIL_SIZE,    0,
    EGL_NONE,
;

EGLConfig config = nullptr;
EGLint count = 0;
eglChooseConfig(display_, config_attributes, &config, 1, &count);

3. 创建EGLContext

EGLContext eglCreateContext(EGLDisplay display, EGLConfig config, EGLContext share_context, const EGLint *attrib_list);

eglCreateContext方法用于创建一个新的EGL环境，其中的参数display和config就是前两步所得到的结果；share_context则是用于共享GL资源的EGLContext（这里涉及到OpenGL的多线程使用，后续再详细讲解）。使用栗子：

// Example
const EGLint attributes[] = 
    EGL_CONTEXT_CLIENT_VERSION, 2,
    EGL_NONE,
;

EGLContext context = eglCreateContext(display, config, EGL_NO_CONTEXT, attributes);

4. 通过Java的android.View.Surface创建ANativeWindow

ANativeWindow* ANativeWindow_fromSurface(JNIEnv* env, jobject surface);

这个方法是对接了Android系统的本地窗口。上文我们讲到，在Android平台上，Java层中我们会使用JNI从TextureView或SurfaceView中传递一个android.view.Surface到C++层中来。这个方法中的surface参数，就是这个android.View.Surface。

关于JNI的使用方法，这里就不展开讲了。

5. 创建EGLSurface

// Onscreen surface
EGLSurface eglCreateWindowSurface(EGLDisplay dpy, EGLConfig config, EGLNativeWindowType win, const EGLint *attrib_list);

// Offscreen surface
EGLSurface eglCreatePbufferSurface(EGLDisplay dpy, EGLConfig config, const EGLint *attrib_list);

EGLSurface可以分为上屏Surface和离屏Surface。其中上屏Surface需要从上一步得到的ANativeWindow中创建。一般我们需要显示OpenGL绘制的内容，需要创建上屏Surface。

6. MakeCurrent

EGLBoolean eglMakeCurrent(EGLDisplay dpy, EGLSurface draw, EGLSurface read, EGLContext ctx);

这一步很重要，这个方法用于切换当前线程的EGLContext和EGLSurface。只有执行了这一步，之前创建的EGLContext和EGLSurface才算是真正的在当前线程可用。

要注意的是：

• 不能在两个线程里绑定同一个EGLContext；
• 不能在两个线程里绑定同一个EGLSurface到不同的EGLContext上

7. 展示画面

EGLBoolean eglSwapBuffers(EGLDisplay dpy, EGLSurface surface);

这一步发生在所有的OpenGL渲染指令结束后，将绘制结果展示到本地窗口上去。可以理解为，我们所进行的OpenGL绘制，都是发生在隐藏在屏幕后面的一块内存中，当我们需要将绘制结果展示到屏幕上去，我们就要将屏幕上对应那块内存与需要展示的内存互换位置（这里实际上是互换的内存指针，这样效率更高），就像是更换相框里的相片一样。

销毁

1. 移除Current的EGLContext和EGLSurface

eglMakeCurrent(display_, EGL_NO_SURFACE, EGK_NO_SURFACE, EGL_NO_CONTEXT);

在销毁EGLContext和EGLSurface之前，需要将他们从当前线程中解除绑定，防止资源泄漏。

2. 销毁EGLSurface和EGLContext

EGLBoolean eglDestroySurface(EGLDisplay dpy, EGLSurface surface);

EGLBoolean eglDestroyContext(EGLDisplay dpy, EGLContext ctx);

3. 终止EGL环境

EGLBoolean eglTerminate(EGLDisplay dpy);

最后，如果需要退出当前整个EGL环境，则还需要解除EGLDisplay的连接。

iOS EAGL 环境

苹果公司为iOS操作系统提供了自己实现的一套类似EGL的EAGL框架。下面简单说一下EAGL环境的搭建与销毁。

初始化

1. 创建EAGLContext

- (nullable instancetype)initWithAPI:(EAGLRenderingAPI) api sharegroup:(EAGLSharegroup*) sharegroup;

EAGLContext可以类比的看作EGL中的EGLContext。这里的参数api指的是创建的OpenGL ES版本；而参数sharegoup则是制定共享状态的EAGLContext。举个使用栗子：

// Example
EAGLContext* context = [[EAGLContext alloc] initWithAPI:kEAGLRenderingAPIOpenGLES3
                                             sharegroup:nil];

2. 将EAGLContext设置为current

+ (BOOL)setCurrentContext:(nullable EAGLContext*) context;

绑定EAGLContext到当前线程中。

3. 创建绑定Framebuffer和Renderbuffer

void glGenFramebuffers(GLsizei n, GLuint* framebuffers);
void glBindFramebuffer(GLenum target, GLuint framebuffer);
void glGenRenderbuffers(GLsizei n, GLuint* renderbuffers);
void glBindRenderbuffer(GLenum target, GLuint renderbuffer);
void glFramebufferRenderbuffer(GLenum target, GLenum attachment, GLenum renderbuffertarget, GLuint renderbuffer)

此处使用了OpenGL ES本身的API，可以形象的理解为在画架上贴上画布。

4. 将EAGLDrawable作为存储空间，附着到OpenGL ES的Renderbuffer上，或者分配离屏空间

- (BOOL)renderbufferStorage:(NSUInteger)target fromDrawable:(nullable id<EAGLDrawable>)drawable;

void glRenderbufferStorage(GLenum target, GLenum internalformat, GLsizei width, GLsizei height)

这两个方法是为Renderbuffer分配内存。

renderbufferStorage:fromDrawable:方法中的drawable参数是UIView的layer属性。这里需要说明的是，在平台容器层中，我们需要从UIView继承一个自定义视图，并将其layerClass静态方法重写为如下方法：

+ (Class)layerClass 
  return [CAEAGLLayer class];

5. 将Renderbuffer展示到屏幕上

- (BOOL)presentRenderbuffer:(NSUInteger)target;

其中的target必须为GL_RENDERBUFFER。

销毁

1. 销毁framebuffer和renderbuffer

void glDeleteFramebuffers(GLsizei n, const GLuint* framebuffers);
void glDeleteRenderbuffers (GLsizei n, const GLuint* renderbuffers);

2. 将current context置空，并销毁context

[EAGLContext setCurrent:nil];

[context release];

三、工程化实现

OpenGL的基础环境搭建的流程其实很简单。但是如果想要在一个工程项目中完整实现，那么需要考虑的就不仅仅是这些了。下面简单的说几个在工程化使用EGL/EAGL需要注意的点。

多线程

OpenGL对多线程的支持比较弱。但是在做渲染引擎时，又对多线程渲染有着强烈的需求，比如我们肯定不希望在主线程上做消耗时间的渲染操作；又或者在上传一个不是紧急使用的纹理数据时，我们不希望占用大量的渲染时间。在这些情况下，我们就需要在多个线程中对GLES环境进行操作。

为了解决这个问题，我们首先要有一个比较好的线程工具。在ReZero中，我借鉴了Flutter的线程工具MessageLoop和TaskRunner。并且在很多时间需要阻塞线程，来等待特定操作结束。

还需要注意EGL/EAGL在多线程使用时的注意事项。Context不能同时绑定到两个不同的线程上；不同的Context需要通过share创建出来，才能共享同样的GL状态。

在使用EAGL时，renderbufferStorage:fromDrawable:分配内存方法的调用，一定要在主线程中执行。不然会出现内存不安全的问题。

Surface的创建时机

在Android平台上，android.View.Surface的可用时间与SurfaceView或TextureView创建时间会有一定的时间差，要注意在这个时间差内，不能进行OpenGL ES的绘制操作。

为了解决这个问题，则需要对引擎进行类似音乐播放的暂停、继续操作。

注意避免内存泄漏

因为OpenGL是一个大型的状态机，每一步的操作都需要若干步的操作。所以在环境销毁掉时候，若是不慎漏掉一步操作，就很容易引起内存泄漏问题。

为了解决这个问题，就需要对这些必要步骤进行包装，比如简单的举个栗子：可以在类的构造函数中包装一些创建和初始化的操作，而在析构函数中则包装一些解除绑定和销毁目标等操作。当然，这里只是一个简单的栗子，还有其他很多方法来进行包装，根据实际情况来使用，可以有效避免内存泄漏的问题。

总结

本文主要介绍了OpenGL的基础环境搭建，以及部分工程化时需要考虑到的问题。

在文章的最后，放出一个简单的测试效果，用于测试环境搭建是否成功：测试效果