提升先进OpenGL（一）：Multi Bind

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导言

 OpenGL是一个状态机，在渲染过程中有许多的Bind操作，尤其是对于纹理这类开销很大的对象，每次对Texture Unit进行绑定操作会消耗非常多的CPU time。对此OpenGL 4.4推出了GL_ARB_multi_bind扩展，用来解决这个在渲染中消耗过多CPU time的问题。

 

描述

OpenGL是一个状态机，在渲染过程中有许多的Bind操作，尤其是对于纹理这类开销很大的对象，每次对Texture Unit进行绑定操作会消耗非常多的CPU time。对此OpenGL 4.4推出了GL_ARB_multi_bind扩展，用来解决这个在渲染中消耗过多CPU time的问题。首先让我们来看看，在OpenGL 3时代，应用程序如何上传纹理：

// Bind textures to texture unit.
for(...)
{
    glActiveTexture(GL_TEXTURE0 + i);
    glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, tex[i]);
}

// Update the uniform sampler.
for(...)
{
glUniform1i(loc, tex[i]);
}

在一帧渲染过程中，应用程序必须重复调用这些API，在不同的渲染批次中频繁地调用这些API，将导致非常多的CPU time消耗在调用图形API上。如果一帧中有多个渲染批次，每个渲染批次绑定许多的问题，渲染的帧率可能会变得很低。对此OpenGL提升的方法，仍然是从API上着手，既然一次次地绑定Texture，我们就一次性绑定就好了！GL_ARB_multi_bind则因此诞生，这个扩展提供了对Buffer Object，Texture Object和Sampler Object绑定的优化：

// Uniform Buffer Object和Transform Feedback object绑定Buffer Object使用的
void BindBuffersBase(enum target, uint first, sizei count, const uint *buffers);
void BindBuffersRange(enum target, uint first, sizei count,  const uint *buffers, const intptr *offsets, const sizeiptr *sizes);

// Texture Unit绑定Texture和Sampler使用的
void BindTextures(uint first, sizei count, const uint *textures);
void BindSamplers(uint first, sizei count, const uint *samplers);
void BindImageTextures(uint first, sizei count, const uint *textures);

// Vertex Array Object绑定Buffer object使用的
void BindVertexBuffers(uint first, sizei count, const uint *buffers, const intptr *offsets, const sizei *strides);

这些函数在功能上等价于以下伪代码：

//BindBuffersBase is equivalent to:
for (i = 0; i < count; i++) 
{
    if (buffers == NULL) 
    {
        glBindBufferBase(target, first + i, 0);
    }
    else
    {
        glBindBufferBase(target, first + i, buffers[i]);
    }
}

//BindBuffersRange is equivalent to:
for (i = 0; i < count; i++) 
{
    if (buffers == NULL)
    {
        glBindBufferRange(target, first + i, 0, 0, 0);
    }
    else
    {
        glBindBufferRange(target, first + i, buffers[i], offsets[i], sizes[i]);
    }
} 

//BindTextures is equivalent to
for (i = 0; i < count; i++) 
{
    uint texture;
    if (textures == NULL) 
    { 
        texture = 0;
    }
    else
    {
        texture = textures[i];
    }
    
    ActiveTexture(TEXTURE0 + first + i);
    if (texture != 0)
    {
         enum target = /* target of texture object textures[i]*/;
         BindTexture(target, textures[i]);
     }
    else
    {
        for (target in all supported targets)
        {
            BindTexture(target, 0);
        }
    }
}

// BindSamplers is equivalent to:
for (i = 0; i < count; i++)
{
    if (samplers == NULL)
    {
        glBindSampler(first + i, 0);
    }
    else
    {
        glBindSampler(first + i, samplers[i]);
    }
}

也就是说，这个扩展通过单独的一个函数调用，将过去多次分开调用的开销平摊起来，达到了减少CPU time的目的。在这里我们对Texture做了简要的测试，测试的硬件则是Nvidia GTX 650（GeForce 332.21 Driver），Intel Core i3-4130 CPU @ 3.40GHz 3.40GHz，DDR3 1600 4G，Windows 7 sp1 x64，总共创建了192个纹理，使用了192个纹理单元，下面的每段代码执行了一万次，使用time.h里的clock来计时（由于Nsight暂时只支持到OpenGL 4.2 core，所以暂时没法使用Tracker）。

// 代码段1
glBindTextures(0, 192, tex);

// 代码段2
for(int i = 0; i < 192; i ++)
{
    glUniform1i(loc, tex[i]);
}

// 代码段3
for(int i = 0; i < 192; i ++)
{
    glActiveTexture(GL_TEXTURE0 + i);
    glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, tex[i]);
}

测试的结果如下：

	glBindTextures	glActiveTexture + glBindTexture	glUniform1i
第一次	3	28	16
第二次	3	24	15
第三次	3	27	16
平均	3	26	15

也就是平均情况下，使用GL_ARB_multi_bind扩展所需要的时间是3+15=18，而传统情况下需要消耗26+15=41！通过这个简单的测试，可以看出GL_ARB_multi_bind所提升的效率非常的明显。当然这里还想说一个扩展就是GL_ARB_bindless_texture，在这个扩展中可以获得texture和sampler的handle，作为bindless texture直接上传handle的值，让shader通过handle来访问纹理数据，而取消了Texture Unit的限制——这个扩展的好处更加明显，首先没有了Texture Unit的限制，Shader直接通过虚地址访问纹理，受到的限制更加的少，只需要glUniform1i的开销即可。在OpenGL 4.4发布的时候，GL_ARB_bindless_texture也一同发布了，遗憾的是这个扩展并不是Core Profile，但是GTX 6xx以上的显卡都支持了，让我们期待一下这个扩展能否成为核心。

还有一个值得提到的是，这个扩展的接口和D3D11的接口完全的相似，而OpenGL 4.4的重点就是方便D3D程序移植到OpenGL上来，可以看得出Khonros Group还在创造“DirectGL”，不过谁让Direct3D和OpenGL都是为类似的硬件跑腿的呢！