Windows (rust) vulkan 画一个三角形: 窗口创建与渲染初始化

穷人小水滴2024-09-30 19:17

在每个平台, 每前进一步, 都会出现许多预料之外的困难 (大坑).

本文介绍在 Windows 操作系统之中, 使用 win32 API 创建窗口, 并使用 vulkano (rust) 初始化 vulkan, 绘制一个三角形.

这里是 穷人小水滴, 专注于 穷人友好型 低成本技术. (本文为 63 号作品. )

相关文章:

参考资料:

目录

  • 1 窗口代码
    • 1.1 win32 创建窗口
    • 1.2 RawWindowHandle
  • 2 vulkan 渲染测试
  • 3 编译运行
  • 4 总结与展望

1 窗口代码

要想在 Windows 系统编写 rust 程序, 我们可以使用 windows 库: https://crates.io/crates/windows/

微软对 rust 编程语言的支持力度还是很大的, 这个库就是微软官方做的, 可以用来调用 Windows 系统的 API.

虽然已经有了现成的系统接口库, 但是我们很快就会遇到一个十分巨大的困难: Windows API 实在太庞大了. 比如 windows (rust) 库 0.58.0 版本就有 691 个 feature flag (功能开关) ! 也就是说, 仅功能模块就有好几百个, 具体的接口函数和数据结构就更多了. 很容易就迷失在这一大堆功能和函数之中 ~ (晕)

1.1 win32 创建窗口

Windows 操作系统, 其英文名称的含义就是 窗口, 可见窗口在这个操作系统的重要地位.

win32 是 Windows 系统的一套经典 API (编程接口). 大家不要被 win32 这个名称迷惑了, 本文中我们实际编写的是一个 64 位 的程序 (x86_64). win32 只是因为历史原因, 曾经叫 win32 (当时是 32 位程序), 后来习惯了, 就不改了 (所以 64 位程序用的还是 win32, 并没有 "win64" 这种叫法).

Windows 系统的 API 保持了很好的向后兼容性 (这样的设计有好处也有坏处), 所以我们今天创建窗口的方式, 和几十年前的程序差不多, 基本上还是老样子.

文件 pmse-win/src/w.rs:

rust 复制代码 
//! Windows 窗口封装
#![allow(unsafe_code)]

use std::ffi::c_void;

use raw_window_handle::{
    HasRawDisplayHandle, HasRawWindowHandle, RawDisplayHandle, RawWindowHandle, Win32WindowHandle,
    WindowsDisplayHandle,
};
use windows::{
    core::{HSTRING, PCWSTR},
    Win32::{
        Foundation::{HINSTANCE, HWND, LPARAM, LRESULT, WPARAM},
        Graphics::Gdi::{RedrawWindow, ValidateRect, RDW_INVALIDATE},
        System::LibraryLoader::GetModuleHandleW,
        UI::WindowsAndMessaging::{
            CreateWindowExW, DefWindowProcW, DispatchMessageW, GetMessageW, GetWindowLongPtrW,
            LoadCursorW, PostQuitMessage, RegisterClassExW, SetWindowLongPtrW, ShowWindow,
            CS_HREDRAW, CS_VREDRAW, CW_USEDEFAULT, IDC_ARROW, MSG, SW_SHOWNORMAL, WINDOW_EX_STYLE,
            WINDOW_LONG_PTR_INDEX, WM_DESTROY, WM_PAINT, WM_SIZE, WNDCLASSEXW, WS_CAPTION,
            WS_OVERLAPPED, WS_SYSMENU, WS_VISIBLE,
        },
    },
};

struct 窗口数据 {
    pub 绘制回调: Option<Box<dyn FnMut() -> () + 'static>>,
}

struct 窗口封装 {
    实例: HINSTANCE,
    窗口: HWND,

    数据: Box<窗口数据>,
}

impl 窗口封装 {
    /// 创建窗口
    pub unsafe fn new(宽高: (i32, i32), 标题: String) -> Self {
        let 实例: HINSTANCE = GetModuleHandleW(None).unwrap().into();

        let 窗口类名1 = HSTRING::from("pmse_window");
        let 窗口类名 = PCWSTR(窗口类名1.as_ptr());
        let 窗口类 = WNDCLASSEXW {
            cbSize: std::mem::size_of::<WNDCLASSEXW>() as u32,
            // SetWindowLongPtrW()
            cbWndExtra: std::mem::size_of::<*const c_void>() as i32,

            hInstance: 实例,
            lpszClassName: 窗口类名,
            lpfnWndProc: Some(pmse_win_wndproc),

            style: CS_HREDRAW | CS_VREDRAW,
            hCursor: LoadCursorW(None, IDC_ARROW).unwrap(),

            ..Default::default()
        };
        // 注册窗口类
        let a = RegisterClassExW(&窗口类);
        if 0 == a {
            panic!("RegisterClassExW()");
        }

        let 标题1 = HSTRING::from(标题);
        let 标题 = PCWSTR(标题1.as_ptr());
        // 创建窗口
        let 窗口 = CreateWindowExW(
            WINDOW_EX_STYLE::default(),
            窗口类名,
            标题,
            // 禁止改变窗口大小
            // WS_OVERLAPPEDWINDOW
            WS_OVERLAPPED | WS_CAPTION | WS_SYSMENU | WS_VISIBLE,
            CW_USEDEFAULT,
            CW_USEDEFAULT,
            宽高.0,
            宽高.1,
            None,
            None,
            实例,
            None,
        )
        .unwrap();

        // 窗口数据
        let 数据 = Box::new(窗口数据 { 绘制回调: None });
        // 设置数据指针
        let 窗口数据指针: *const _ = &*数据;
        SetWindowLongPtrW(窗口, WINDOW_LONG_PTR_INDEX(0), 窗口数据指针 as isize);

        Self {
            实例, 窗口, 数据
        }
    }

    pub fn 设绘制回调(&mut self, 回调: Option<Box<dyn FnMut() -> () + 'static>>) {
        self.数据.绘制回调 = 回调;
    }

    pub fn 获取指针(&self) -> HandleBox {
        HandleBox::new(self.实例.0 as *mut _, self.窗口.0 as *mut _)
    }

    /// 请求重绘窗口
    pub unsafe fn 请求绘制(&mut self) {
        let _ = RedrawWindow(self.窗口, None, None, RDW_INVALIDATE);
    }

    pub unsafe fn 主循环(&mut self) {
        // 显示窗口
        let _ = ShowWindow(self.窗口, SW_SHOWNORMAL);

        let mut 消息 = MSG::default();
        while GetMessageW(&mut 消息, HWND(std::ptr::null_mut()), 0, 0).into() {
            DispatchMessageW(&消息);
        }
    }
}

创建窗口的过程如下:

  • (1) 调用 GetModuleHandleW 函数, 获取本程序的句柄.

  • (2) 创建 WNDCLASSEXW 数据结构, 调用 RegisterClassExW 函数进行 注册窗口类.

  • (3) 调用 CreateWindowExW 函数, 根据上一步注册的窗口类, 创建新的窗口.

  • (4) 调用 ShowWindow 函数, 显示窗口.

在上面创建窗口的过程中可以看到, 窗口有很多参数可以设置, 这些选项决定了窗口的外观以及功能, 具有很大的灵活度. 比如可以设置窗口有没有边框, 有没有标题栏, 有没有最大化/最小化/关闭按钮, 能不能调整窗口的大小, 窗口是否透明, 甚至设置非矩形窗口 (比如圆形窗口).

然后进入处理消息的主循环. Windows 的窗口是基于消息队列的, 也就是操作系统会给窗口发送很多不同种类的消息, 窗口需要处理. 当然程序自己也可以给窗口发送消息.

调用 GetMessageW 函数从消息队列中获取消息, 然后调用 DispatchMessageW 函数分发消息, 进行处理.

rust 复制代码 
unsafe extern "system" fn pmse_win_wndproc(
    窗口: HWND,
    消息: u32,
    w参数: WPARAM,
    l参数: LPARAM,
) -> LRESULT {
    fn 取窗口数据(窗口: HWND) -> *mut 窗口数据 {
        let 指针 = unsafe { GetWindowLongPtrW(窗口, WINDOW_LONG_PTR_INDEX(0)) };
        指针 as *mut _
    }

    match 消息 {
        WM_SIZE => {
            // TODO 窗口大小改变
            let 宽高 = (loword(l参数.0 as u32), hiword(l参数.0 as u32));
            println!("{:?}", 宽高);

            LRESULT(1)
        }

        WM_PAINT => {
            // 绘制回调
            let 数据 = 取窗口数据(窗口);
            match (*数据).绘制回调.as_mut() {
                Some(回调) => {
                    (回调)();
                }
                None => {}
            }

            let _ = ValidateRect(窗口, None);
            LRESULT(0)
        }

        WM_DESTROY => {
            // 关闭窗口
            PostQuitMessage(0);
            LRESULT(0)
        }
        _ => DefWindowProcW(窗口, 消息, w参数, l参数),
    }
}

这个就是大名鼎鼎的 窗口函数 (wndproc), 也就是一个用来处理窗口消息的回调函数.

在上面注册窗口类的时候, 指定对应的窗口函数:

rust 复制代码 
        let 窗口类 = WNDCLASSEXW {
            // 省略

            lpfnWndProc: Some(pmse_win_wndproc),

然后在调用 DispatchMessageW 函数的时候, 系统就会回调相应的窗口函数.

这种奇怪的设计, 窝觉得主要还是历史遗留问题. 在早期, Windows 界面的各种东西都是 "窗口". 通常用户了解的 "窗口", 是一种 "顶级窗口". 然后, Windows 的窗口是可以层层嵌套的, 也就是说和 Android 界面的 View 差不多. Windows 界面上的一个 "按钮", "图标", "文字" 等等, 曾经都是一个一个的 "窗口".

当然, 对于我们 vulkan 渲染这种应用场景, 上述 Windows 提供的各种复杂的窗口功能, 我们都是不需要的. 我们只需要一个顶级窗口, 用来 vulkan 绘制即可.

在上面我们定义的窗口函数中, WM_PAINT 消息用来画窗口内容 (也就是说, 在处理这个消息时, 对窗口进行实际的绘制). WM_DESTROY 消息是关闭窗口, 我们调用 PostQuitMessage 函数来退出主循环, 从而结束程序.

对于别的不感兴趣的窗口消息, 我们调用 DefWindowProcW 函数, 让 Windows 系统进行默认处理.

1.2 RawWindowHandle

上面已经创建并显示了一个窗口, 接下来就要对接 vulkan 初始化了. 还是老一套, 获取窗口原始指针.

rust 复制代码 
/// 提供 RawWindowHandle, RawDisplayHandle (Windows)
#[derive(Debug, Clone)]
pub struct HandleBox {
    rd: RawDisplayHandle,
    rw: RawWindowHandle,
}

impl HandleBox {
    pub fn new(hinstance: *mut c_void, hwnd: *mut c_void) -> Self {
        let mut h = Win32WindowHandle::empty();
        h.hinstance = hinstance;
        h.hwnd = hwnd;

        let rw = RawWindowHandle::Win32(h);
        let rd = RawDisplayHandle::Windows(WindowsDisplayHandle::empty());
        Self { rd, rw }
    }
}

unsafe impl HasRawDisplayHandle for HandleBox {
    fn raw_display_handle(&self) -> RawDisplayHandle {
        self.rd
    }
}

unsafe impl HasRawWindowHandle for HandleBox {
    fn raw_window_handle(&self) -> RawWindowHandle {
        self.rw
    }
}

// TODO
unsafe impl Send for HandleBox {}
unsafe impl Sync for HandleBox {}

代码很简单, 就不多解释了. 然后对上述代码进行封装, 方便使用:

rust 复制代码 
pub trait 回调接口 {
    fn 初始化(&mut self, h: HandleBox);
    fn 绘制(&mut self);
}

/// 封装窗口执行入口
pub fn pmse_win_main<T: 回调接口 + 'static>(标题: String, 宽高: (i32, i32), mut 回调: T) {
    let mut 窗口 = unsafe { 窗口封装::new(宽高, 标题) };
    回调.初始化(窗口.获取指针());

    窗口.设绘制回调(Some(Box::new(move || {
        回调.绘制();
    })));

    unsafe { 窗口.主循环() }
}

2 vulkan 渲染测试

文件 pmse-win/src/main.rs:

rust 复制代码 
//! pmse-win
#![deny(unsafe_code)]

use env_logger;

use pmse_render::{
    draw_t::{PmseRenderT, 三角形},
    PmseRenderInit,
};

mod w;

use w::{pmse_win_main, HandleBox, 回调接口};

struct 回调 {
    pri: PmseRenderInit,
    t: Option<PmseRenderT>,
}

impl 回调 {
    pub fn new() -> Self {
        let pri = PmseRenderInit::vulkan().unwrap();
        Self { pri, t: None }
    }
}

impl 回调接口 for 回调 {
    fn 初始化(&mut self, h: HandleBox) {
        println!("cb init");

        let pr = self.pri.clone().init_w(h.into()).unwrap();
        let t = PmseRenderT::new(pr, (1280, 720)).unwrap();
        self.t = Some(t);
    }

    fn 绘制(&mut self) {
        println!("cb draw");

        self.t
            .as_mut()
            .unwrap()
            .draw(vec![三角形::default()])
            .unwrap();
    }
}

fn main() {
    env_logger::Builder::from_env(env_logger::Env::default().default_filter_or("debug")).init();
    println!("main");

    pmse_win_main("测试窗口 (vulkan)".into(), (1280, 720), 回调::new());
}

代码和之前发布的文章中的差不多, 调用相同的代码进行 vulkan 初始化和渲染测试.

我们已经把复杂的东西封装好了, 此处调用起来就很简单了.

3 编译运行

需要先安装这些软件:

同时推荐安装这些软件:

然后编译 (调试版本):

sh 复制代码 
cargo build

如果想编译发布版本 (启用编译优化), 可以使用如下命令:

sh 复制代码 
cargo build --release

编译之后获得:

文件不大, 只有 4.9MB.

运行程序, 如图. 大成功 ! 完结撒花 ~

4 总结与展望

至此, vulkan 的 跨平台 能力已经得到了充分验证: GNU/Linux (wayland), Android (手机), Windows (PC) 等操作系统 (平台), 都实现了 vulkan 初始化和绘制三角形. 本文相关的完整源代码请见: https://crates.io/crates/pmse-win

vulkan 部分, 底层基于 vulkano 库, 已经封装好了, 属于 平台无关 代码, 各平台都一样. 窗口系统部分, 每个平台都不一样. 这里我们 没有 选择直接使用封装好的 跨平台窗口库, 而是在每个平台都自己从头开始做, 从而可以对窗口具有更强的控制和定制能力.

GNU/Linux 平台, 采用 wayland 窗口协议, 以及 wayland 次表面 (Subsurface). Android 平台, 通过 JNI (NDK) 和 SurfaceView, 将 rust 代码 "嵌入" 一个普通的 kotlin 应用. Windows 平台, 基于 windows (rust) 库, 使用经典的 win32 API 创建窗口.

我们的 vulkan 程序已经可以支持多个常用平台, 接下来就要回到 vulkan 本身的使用了.

本文使用 CC-BY-SA 4.0 许可发布.

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