-Khronos Vulkan Tutorial

소개

Vulkan의 버퍼는 그래픽 카드에서 읽을 수 있는 임의의 데이터를 저장하는데 사용되는 메모리 영역입니다. 이것들은 우리가 이 챕터에서 할 정점 데이터를 저장하는데 사용할 수 있지만, 향후 챕터에서 탐색할 다른 많은 목적들에도 사용할 수 있습니다. 지금까지 다루었던 Vulkan 객체와 다르게, 버퍼는 자동으로 메모리를 할당하지 않습니다. 이전 챕터의 작업은 Vulkan API가 프로그래머로 하여금 거의 모든 것을 제어할 수 있도록 하며, 메모리 관리가 그 중 하나라는 것을 보여주었습니다.

버퍼 생성

createVertexBuffer 함수를 만들고 initVulkan에서 createCommandBuffers 전에 호출하도록 합니다.

void initVulkan() {
    createInstance();
    setupDebugMessenger();
    createSurface();
    pickPhysicalDevice();
    createLogicalDevice();
    createSwapChain();
    createImageViews();
    createRenderPass();
    createGraphicsPipeline();
    createFramebuffers();
    createCommandPool();
    createVertexBuffer();
    createCommandBuffers();
    createSyncObjects();
}

...

void createVertexBuffer() {

}

버퍼를 생성하려면 VkBufferCreateInfo 구조체를 채워야 합니다.

VkBufferCreateInfo bufferInfo{};
bufferInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_BUFFER_CREATE_INFO;
bufferInfo.size = sizeof(vertices[0]) * vertices.size();

첫번째 필드는 구조체의 size입니다. 바이트 단위로 버퍼의 크기를 지정합니다. 정점 데이터의 바이트 크기를 계산하는 것은 sizeof로 간단히 할 수 있습니다.

bufferInfo.usage = VK_BUFFER_USAGE_VERTEX_BUFFER_BIT;

두번째 필드는 usage입니다. 버퍼의 데이터가 사용되는 목적을 나타냅니다. 비트 or연산으로 다양한 목적을 지정할 수 있습니다. 우리의 경우 정점 버퍼가 될 것이며, 향후 챕터에서 다른 유형을 살펴보겠습니다.

bufferInfo.sharingMode = VK_SHARING_MODE_EXCLUSIVE;

스왑체인의 이미지와 마찬가지로, 버퍼는 특정 큐 패밀리가 소유하거나 여러 큐에서 동시에 소유할 수 있습니다. 버퍼는 그래픽 큐에서만 사용될 것이므로 독점 엑세스를 유지할 수 있습니다.

flags 매개변수는 지금은 관련이 없는 희소 버퍼 메모리를 구성하는데 사용됩니다. 기본값 0으로 두겠습니다.

이제 vkCreateBuffer로 버퍼르 생성할 수 있습니다. 버퍼 핸들을 보유하고 호출할 클래스 멤버 vertexBuffer를 정의하세요.

VkBuffer vertexBuffer;

...

void createVertexBuffer() {
    VkBufferCreateInfo bufferInfo{};
    bufferInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_BUFFER_CREATE_INFO;
    bufferInfo.size = sizeof(vertices[0]) * vertices.size();
    bufferInfo.usage = VK_BUFFER_USAGE_VERTEX_BUFFER_BIT;
    bufferInfo.sharingMode = VK_SHARING_MODE_EXCLUSIVE;

    if (vkCreateBuffer(device, &bufferInfo, nullptr, &vertexBuffer) != VK_SUCCESS) {
        throw std::runtime_error("failed to create vertex buffer!");
    }
}

버퍼는 프로그램이 끝날 때까지 명령을 렌더링하는데 사용할 수 있어야 하며 스왑체인에 의존하지 않으므로, cleanup 함수에서 정리합니다.

void cleanup() {
    cleanupSwapChain();

    vkDestroyBuffer(device, vertexBuffer, nullptr);

    ...
}

메모리 요구사항

버퍼가 생성되었지만, 아직 실제로 할당된 메모리가 없습니다. 버퍼에 메모리를 할당하는 첫번째 단계는 vkGetBufferMemoryRequirements라는 함수를 사용하여 메모리 요구사항을 쿼리하는 것입니다.

VkMemoryRequirements memRequirements;
vkGetBufferMemoryRequirements(device, vertexBuffer, &memRequirements);

VkMemoryRequirements 구조체는 세 개의 필드를 가지고 있습니다:

• size: 필요한 메모리 바이트 크기는 bufferInfo.size와 다를 수 있습니다.
• alignment: 버퍼가 할당된 메모리 영역에서 시작하는 오프셋은 bufferInfo.usage와 bufferInfo.flags에 따라 다릅니다.
• memoryTypeBits: 버퍼에 적합한 메모리 타입의 비트 필드.

그래픽 카드는 할당할 다양한 유형의 메모리를 제공할 수 있습니다. 각 메모리 유형은 허용되는 작업 및 성능 특성측면에서 다릅니다. 사용할 올바른 유형의 메모리를 찾으려면 버퍼 요구 사항과 어플리케이션 요구 사항을 결합해야 합니다. 이를 위해 새 함수 findMemoryType을 만듭시다.

uint32_t findMemoryType(uint32_t typeFilter, VkMemoryPropertyFlags properties) {

}

먼저 사용 가능한 메모리 유형에 대한 정보를 vkGetPhysicalDeviceMemoryProperties를 사용하여 쿼리합니다.

VkPhysicalDeviceMemoryProperties memProperties;
vkGetPhysicalDeviceMemoryProperties(physicalDevice, &memProperties);

VkPhysicalDeviceMemoryProperties 구조체는 두개의 배열 memoryTypes와 memoryHeaps가 있습니다. 메모리 힙은 전용 VRAM과 VRAM이 부족할 때 RAM의 스왑 공간과 같은 고유한 메모리 리소스입니다. 이러한 힙에는 다양한 유형의 메모리가 있습니다. 지금은 메모리 유형에만 관심이 있고 메모리가 가져온 힙에는 관심이 없지만 이것이 성능에 영향을 미칠 수 있다고 상상할 수 있습니다.

먼저 버퍼 자체에 적합한 메모리 유형을 찾아보겠습니다:

for (uint32_t i = 0; i < memProperties.memoryTypeCount; i++) {
    if (typeFilter & (1 << i)) {
        return i;
    }
}

throw std::runtime_error("failed to find suitable memory type!");

typeFilter 매개변수는 적합한 메모리 유형의 비트 필드를 지정하는데 사용됩니다. 즉, 단순히 반복하면서 해당 비트가 1로 설정되어있는지 확인하여 적절한 메모리 유형의 인덱스를 찾을 수 있습니다.

그러나 정점 버퍼에 적합한 메모리 유형에만 관심이 있는 것은 아닙니다. 또한 정점 데이터를 해당 메모리에 쓸 수 있어야 합니다. memoryTypes 배열은 각 메모리 타입의 힙과 속성을 지정하는 VkMemoryType 구조체로 구성됩니다. 속성은 CPU에서 메모리에 쓸 수 있도록 매핑할 수 있는 메모리 특수 기능을 정의합니다. 이 속성은 VK_MEMORY_PROPERTY_HOST_VISIBLE_BIT로 표시되지만 VK_MEMORY_PROPERTY_HOST_COHERENT_BIT속성도 사용해야 합니다. 메모리를 매핑할 때 그 이유를 알 것입니다.

이제 루프를 수정하여 이 속성의 지원도 체크할 수 있습니다:

for (uint32_t i = 0; i < memProperties.memoryTypeCount; i++) {
    if ((typeFilter & (1 << i)) && (memProperties.memoryTypes[i].propertyFlags & properties) == properties) {
        return i;
    }
}

하나 이상의 원하는 속성이 있을 수 있으므로, 비트 AND의 결과가 0이 아니라 원하는 속성의 필드와 같은지 확인해야 합니다. 필요한 모든 속성을 포함하는 버퍼에 적합한 메모리 유형이 있으면, 해당 인덱스를 반환하고 그렇지 않으면 예외를 throw합니다.

메모리 할당

이제 올바른 메모리 타입을 결정할 수 있는 방법이 있으므로, VkMemoryAllocateInfo 구조체를 채워서 실제로 메모리를 할당할 수 있습니다.

VkMemoryAllocateInfo allocInfo{};
allocInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_MEMORY_ALLOCATE_INFO;
allocInfo.allocationSize = memRequirements.size;
allocInfo.memoryTypeIndex = findMemoryType(memRequirements.memoryTypeBits, VK_MEMORY_PROPERTY_HOST_VISIBLE_BIT | VK_MEMORY_PROPERTY_HOST_COHERENT_BIT);

메모리 할당은 이제 정점 버퍼의 메모리 요구 사항과 원하는 속성에서 파생된 크기와 타입을 지정하는 것 만큼 간단합니다. 핸들을 메모리에 저장하고 할당할 vkAllocateMemory 클래스 멤버를 만듭니다.

VkBuffer vertexBuffer;
VkDeviceMemory vertexBufferMemory;

...

if (vkAllocateMemory(device, &allocInfo, nullptr, &vertexBufferMemory) != VK_SUCCESS) {
    throw std::runtime_error("failed to allocate vertex buffer memory!");
}

메모리 할당이 성공했다면, 이제 vkBindBufferMemory를 사용하여 메모리를 버퍼에 연결할 수 있습니다:

vkBindBufferMemory(device, vertexBuffer, vertexBufferMemory, 0);

처음 세 개의 매개변수는 그 자체로 설명이 되고, 네번째 매개변수는 메모리 영역 내의 오프셋입니다. 이 메모리는 정점 버퍼를 위해 특별히 할당되었기 때문에, 오프셋은 간단하게 0입니다. 만약 오프셋이 0이 아니면 memRequiremets.alignment로 나눌 수 있어야 합니다.

물론 C++의 동적 메모리 할당과 마찬가지로, 메모리는 어느 시점에 해제되어야 합니다. 버퍼 객체에 바인딩된 메모리는 버퍼가 더 이상 사용되지 않으면 해제될 수 있으므로, 버퍼가 파괴된 후에 해제합니다.

void cleanup() {
    cleanupSwapChain();

    vkDestroyBuffer(device, vertexBuffer, nullptr);
    vkFreeMemory(device, vertexBufferMemory, nullptr);

정점 버퍼 채우기

이제 정점 데이터를 버퍼에 복사할 시간입니다. vkMapMemory로 버퍼 메모리를 CPU 접근 가능 메모리에 매핑하여 수행됩니다.

void* data;
vkMapMemory(device, vertexBufferMemory, 0, bufferInfo.size, 0, &data);

이 함수를 사용하면 오프셋의 크기로 지정된 메모리 리소스 영역에 엑세스할 수 있습니다. 오프셋과 크기는 각각 0과 bufferInfo.size입니다. 모든 메모리를 매핑하는 특별한 값 VK_WHOLE_SIZE를 지정하는 것도 가능합니다. 마지막에서 두번째 변수는 플래그를 지정할 수 있지만 현재 API에서는 아직 사용할 수 없습니다. 이 값은 0이여야만 합니다. 마지막 매개변수는 매핑된 메모리에 대한 포인터를 출력합니다.

void* data;
vkMapMemory(device, vertexBufferMemory, 0, bufferInfo.size, 0, &data);
    memcpy(data, vertices.data(), (size_t) bufferInfo.size);
vkUnmapMemory(device, vertexBufferMemory);

이제 정점 데이터를 매핑된 메모리에 memcpy하고 vkUnmapMemory를 사용하여 다시 매핑을 해제할 수 있습니다. 불행히도 드라이버는 데이터를 버퍼에 즉시 복사하지 않을 수 있습니다. 예를 들면 캐싱 때문입니다. 버퍼에 대한 쓰기가 아직 매핑된 메모리에 나타나지 않을 수도 있습니다. 이 문제를 해결하는데 두 가지 방법이 있습니다:

• VK_MEMORY_PROPERTY_HOST_COHERENT_BIT로 호스트 일관성 있는 메모리 힙 사용
• 매핑된 메모리 작성 후 vkFlushMappedMemoryRanges 호출을 하고, 매핑된 메모리 읽기 전에 vkInvalidateMappedMemoryRanges를 호출하기

우리는 첫번째 방법을 선택했습니다. 매핑된 메모리가 할당된 메모리와 일치하도록 합니다. 이것은 명시적인 플러시보다 약간 성능이 나빠질 수 있다는 것을 기억하세요. 하지만 이것이 중요하지 않은 이유를 다음 챕터에서 보겠습니다.

메모리 영역을 플러시하거나 일관된 메모리 힙을 사용하는 것은 드라이버가 버퍼에 대한 쓰기를 인식한다는 것을 의미합니다. 하지만 아직 GPU에서 실제로 볼 수 있다는 것은 아닙니다. GPU로 데이터 전송은 백그라운드에서 발생하는 작업이며 사양은 다음 vkQueueSubmit 호출 시점에 완료가 보장된다는 것을 의미합니다.

정점 버퍼 바인딩

이제 남은 것은 렌더링 작업 동안 정점 버퍼를 바인딩하는 것입니다. recordCommandBuffer 함수를 확장하겠습니다.

vkCmdBindPipeline(commandBuffer, VK_PIPELINE_BIND_POINT_GRAPHICS, graphicsPipeline);

VkBuffer vertexBuffers[] = {vertexBuffer};
VkDeviceSize offsets[] = {0};
vkCmdBindVertexBuffers(commandBuffer, 0, 1, vertexBuffers, offsets);

vkCmdDraw(commandBuffer, static_cast<uint32_t>(vertices.size()), 1, 0, 0);

vkCmdBindVertexBuffers 함수는 이전 챕터에서 설정한 것 같이 정점 버퍼를 바인딩하는데 사용합니다. commandBuffer를 제외한 처음의 두 매개변수는 정점 버퍼를 지정할 오프셋과 바인드 수를 지정합니다. 마지막 두 매개변수는 바인딩할 정점 버퍼의 배열과 정점 데이터 읽기를 시작할 바이트 오프셋을 지정합니다. 또한 vkCmdDraw를 하드 코딩된 숫자 3이 아닌 버퍼의 정점 수를 전달하도록 변경해야 합니다.

이제 프로그램을 실행하면 익숙한 삼각형이 다시 표시됩니다:

vertices 배열을 수정하여 상단 정점의 색을 흰색으로 바꿔보세요:

const std::vector<Vertex> vertices = {
    {{0.0f, -0.5f}, {1.0f, 1.0f, 1.0f}},
    {{0.5f, 0.5f}, {0.0f, 1.0f, 0.0f}},
    {{-0.5f, 0.5f}, {0.0f, 0.0f, 1.0f}}
};

프로그램을 다시 실행하면 다음과 같이 표시됩니다:

다음 챕터에서는 정점 데이터를 정점 버퍼에 복사하는 다른 방법을 살펴봅니다. 이는 성능이 더 향상되지만 많은 작업이 필요합니다.

C++ code / Vertex shader / Fragment shader