Wgpu

简介

wgpu 是一个基于 Rust 语言开发的跨平台图形 API.它提供了基于 WebGPU 标准的 API (wgpu), 通过其核心实现 (wgpu-core) 通过抽象层 (wgpu-hal) 调用主流图形 API (即后端).
在此基础上, wgpu 博采众长, 实现了以下三个目标:

合理的抽象等级.
高性能.
完美的跨平台能力.

目前, 没有任何一个主流图形 API 能同时满足上面三个方面的要求. 例如:

Vulkan 有优异的性能和跨平台能力, 但是其 API 过于底层, 抽象程度较低, 使用起来十分复杂.
OpenGL 有较高级别的抽象和良好的跨平台能力, 但其设计难以充分发挥现代 CPU 和 GPU 的性能.

主流图形 API 在这三个方面各有优劣, 但 wgpu 通过合理的设计, 在这三个方面之间取得了良好的平衡.

flowchart LR
    subgraph 后端
        Vulkan
        OpenGL
        DX12
        Metal
        WebGPU
    end

    wgpu --> Vulkan
    wgpu --> OpenGL
    wgpu --> DX12
    wgpu --> Metal
    wgpu --> WebGPU

    Vulkan --> driver[GPU 驱动]
    OpenGL --> driver
    DX12 --> driver
    Metal --> driver
    WebGPU --> driver

    driver --> GPU[GPU 硬件]

WebGPU 标准的介绍包含了一段简洁的说明, 可以帮助用户快速了解相关基本概念.

Info

一个有趣的事情是, Firefox 的 WebGPU 实现是基于 wgpu 的, 这意味着基于 wgpu 编写的 WASM 在 Firefox 上运行时会调用 Firefox 的 wgpu. 🤯

初始化

wgpu 的初始化 (从创建 Instance 开始, 到创建交换链), 一共只需要 19 行代码. 下面是该过程的流程图:

flowchart TD
    I[Instance]
    W[Window]
    S[Surface]
    A[Adapter]
    D[Device]
    Q[Queue]
    SConf[SurfaceConfiguration]

    create_surface([Instance::create_surface])
    request_adapter([Instance::request_adapter])
    request_device([Adapter::request_device])
    get_default_config([Surface::get_default_config])
    surface_configure(["Surface::configure (Swapchain)"])

    I --> create_surface
    W --> create_surface
    create_surface --> S

    I --> request_adapter
    S --> request_adapter
    request_adapter --> A

    A --> request_device
    request_device --> D
    request_device --> Q

    S --> get_default_config
    A --> get_default_config
    W -->|Window::inner_size| get_default_config
    get_default_config --> SConf

    S --> surface_configure
    SConf --> surface_configure
    D --> surface_configure

函数 Instance::create_surface 接收一个 SurfaceTarget 类型的参数, 可能为以下两种类型:

桌面环境下的一个窗口 (Window).
浏览器页面的一个画布 (Canvas).

本文将通过由 winit 库¹创建的窗口 (winit::Window) 来创建 Surface.
自从 winit 0.30 版本后, 创建窗口的方法较为复杂, 具体流程请参考 winit 的示例.

wgpu 的初始化流程与 Vulkan 十分相似, 早期版本也包含 [wgpu::Swapchain] 类型, 后来为了遵循 WebGPU 标准, 该类型在 0.10 版本中被合并到了 Surface 类型里.²

初始化流程最后一步调用的 Surface::configure 函数便是用于创建 Swapchain.

// 创建 Instance, 默认启用所有后端.
let instance = wgpu::Instance::new(&wgpu::InstanceDescriptor::default());

// 创建 Surface, 为所有已启用的后端创建对应的 Surface.
let surface = instance.create_surface(window.clone()).unwrap();

// 获取符合条件的 Adapter.
let adapter = instance
    .request_adapter(&wgpu::RequestAdapterOptions {
        power_preference: wgpu::PowerPreference::HighPerformance,
        force_fallback_adapter: false,
        compatible_surface: Some(&surface),
    })
    .await
    .expect("Failed to find an appropriate adapter");

// 获取该 Adapter 的 Device 和 Queue.
let (device, queue) = adapter
    .request_device(&wgpu::DeviceDescriptor::default())
    .await
    .expect("Failed to create device");

创建 Instance 后, 即可通过 Instance::request_adapter 函数获取符合条件的 Adapter, 也就是图形/计算设备 (通常为物理 GPU, 但也可能是基于 CPU 的软渲染器). 筛选条件可以通过 RequestAdapterOptions 结构体指定, 分为硬性约束和软性约束, 如果硬性约束不被满足, 则会返回未找到错误.

以上面代码为例, 存在下面约束:

power_preference: 游戏笔记本电脑通常有集成显卡和独立显卡两个 GPU, 集成显卡性能较差, 但是比较节能, 独立显卡性能较好, 但是功耗较大. 可以根据当前应用的使用常见选择, 如果是游戏, 则应该优先选择高性能的 GPU 设备.
force_fallback_adapter: 表示是否强制使用回退适配器. 如果设置为 true, 会返回一个通常由操作系统实现的软渲染器, 例如 Windows 上的 "Microsoft Basic Render Driver". 正常情况下, 应该总是设置为 false, 以避免使用性能较差的软渲染器.
compatible_surface: 确保选择的 GPU 兼容当前的 Surface, 即所选 GPU 渲染的结果可以通过该 Surface 进行展示.

其中 power_preference 是软性约束, 因为高性能与低能耗只是相对而言的. 如果只有一个 GPU 设备, 那它既是性能最高的也是能耗最低的.
而 compatible_surface 则属于硬性约束, 因为如果 GPU 设备不兼容该 Surface, 就无法完成后续的初始化步骤.

除了上述方法, 还可以手动通过 Instance::enumerate_adapters 遍历指定后端的全部 Adapter:

for adapter in instance.enumerate_adapters(wgpu::Backends::all()) {
    println!("{:?}", adapter.get_info());
}

即使初始化 Instance 时选择了特定后端, 此处也可以使用 wgpu::Backends::all() 来获取所有的 Adapter.

Adapter::get_info 函数返回的内容由对应的后端 API 提供, 因此不同后端, 同一个物理 GPU 的信息可能有所不同.

通过 Adapter 可以获取该 GPU 设备的基本信息, 支持的特性和限制.

选择了合适的 Adapter 后, 可以通过 DeviceDescriptor 结构体指定需要的特性和最大限制, 然后通过 Adapter::request_device 连接到该 GPU 设备, 并获得 Device 句柄和 Queue.

Info

以文件系统作为类比:

Adapter 就像是一个 "文件详情", 包含文件名, 元数据等信息.
DeviceDescriptor 结构体则用于指定 "打开方式", 限制了后续对该句柄的使用方式.
Device 则是打开该文件后获得的句柄.

let size = window.inner_size();
// Safety: 仅当 Surface 与 Adapter 不兼容时返回 None.
let config = surface
    .get_default_config(&adapter, size.width, size.height)
    .unwrap();
surface.configure(&device, &config);

Surface 配置完毕后就完成了基本的初始化工作, 后续可以用来将渲染得到的结构展示在窗口中.
后续的渲染任务主要通过调用 Device 和 Queue 来完成.

下面是完整的初始化代码:

let instance = wgpu::Instance::new(&wgpu::InstanceDescriptor::default());
let surface = instance.create_surface(window.clone()).unwrap();
let adapter = instance
    .request_adapter(&wgpu::RequestAdapterOptions {
        power_preference: wgpu::PowerPreference::LowPower,
        compatible_surface: Some(&surface),
        ..Default::default()
    })
    .await
    .expect("Failed to find an appropriate adapter");
let (device, queue) = adapter
    .request_device(&wgpu::DeviceDescriptor::default())
    .await
    .expect("Failed to create device");
let size = window.inner_size();
let config = surface
    .get_default_config(&adapter, size.width, size.height)
    .unwrap();
surface.configure(&device, &config);

着色器

WGSL (WebGPU Shading Language) 是 WebGPU 的着色器语言, 其语法与 Rust 语言十分相似.
虽然 wgpu 也支持 GLSL 和 SPIR-V, 但只有 WGSL 支持是默认启用的. 后端 WebGPU 仅支持 WGSL, wgpu 会负责自动将其他类型的着色器转换为 WGSL.

这些着色器转换工作由 naga 库实现, 此外还提供一个 naga-cli.

可以通过该互动式教程快速入门 WGSL: https://google.github.io/tour-of-wgsl/.

参考

https://eliemichel.github.io/LearnWebGPU/.

跨平台窗口库, 类似 C++ 的 GLFW 库. ↩
https://github.com/gfx-rs/wgpu/blob/HEAD/CHANGELOG.md#v010-2021-08-18 ↩

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着色器

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