利用 Direct3D 绘制几何体—9.流水线状态对象

到目前为止展示过编写输入布局描述、创建顶点着色器和像素着色器，以及配置光栅器状态组这 3 个步骤。接下来讲如何将这些对象绑定到图形流水线上，用以实际绘制图形。大多数控制图形流水线状态的对象被统称为流水线状态对象 （Pipeline State Object，PSO），用 ID3D12PipelineState 接口来表示。要创建 PSO，我们首先要填写一份描述其细节的 D3D12_GRAPHICS_PIPELINE_STATE_DESC 结构体实例。

cpp 复制代码

typedef struct D3D12_GRAPHICS_PIPELINE_STATE_DESC
{
  ID3D12RootSignature *pRootSignature;
  D3D12_SHADER_BYTECODE VS;
  D3D12_SHADER_BYTECODE PS;
  D3D12_SHADER_BYTECODE DS;
  D3D12_SHADER_BYTECODE HS;
  D3D12_SHADER_BYTECODE GS;
  D3D12_STREAM_OUTPUT_DESC StreamOutput;
  D3D12_BLEND_DESC BlendState;
  UINT SampleMask;
  D3D12_RASTERIZER_DESC RasterizerState;
  D3D12_DEPTH_STENCIL_DESC DepthStencilState;
  D3D12_INPUT_LAYOUT_DESC InputLayout;
  D3D12_PRIMITIVE_TOPOLOGY_TYPE PrimitiveTopologyType;
  UINT NumRenderTargets;
  DXGI_FORMAT RTVFormats[8];
  DXGI_FORMAT DSVFormat;
  DXGI_SAMPLE_DESC SampleDesc;
} D3D12_GRAPHICS_PIPELINE_STATE_DESC;

pRootSignature：指向一个与此 PSO 相绑定的根签名的指针。该根签名一定要与此 PSO 指定的着色器相兼容。
VS：待绑定的顶点着色器。此成员由结构体 D3D12_SHADER_BYTECODE 表示，这个结构体存有指向已编译好的字节码数据的指针，以及该字节码数据所占的字节大小。

cpp 复制代码

 typedef struct D3D12_SHADER_BYTECODE {
   const void *pShaderBytecode;
   SIZE_T   BytecodeLength;
  } D3D12_SHADER_BYTECODE;

PS：待绑定的像素着色器。
DS：待绑定的域着色器（我们将在后续章节中讲解此类型的着色器）。
HS：待绑定的外壳着色器（我们将在后续章节中讲解此类型的着色器）。
GS：待绑定的几何着色器（我们将在后续章节中讲解此类型的着色器）。
StreamOutput：用于实现一种称作流输出（stream-out）的高级技术。目前我们仅将此字段清零。
BlendState：指定混合（blending）操作所用的混合状态。我们将在后续章节中讨论此状态组，目前仅将此成员指定为默认的 CD3DX12_BLEND_DESC(D3D12_DEFAULT)。
SampleMask：多重采样最多可采集 32 个样本。借此参数的 32 位整数值，即可设置每个采样点的采集情况（采集或禁止采集）。例如，若禁用了第 5 位（将第 5 位设置为 0），则将不会对第 5 个样本进行采样。当然，要禁止采集第 5 个样本的前提是，所用的多重采样至少要有 5 个样本。假如一个应用程序仅使用了单采样（single sampling），那么只能针对该参数的第 1 位进行配置。一般来说，使用的都是默认值 0xffffffff，即表示对所有的采样点都进行采样。
RasterizerState：指定用来配置光栅器的光栅化状态。
DepthStencilState：指定用于配置深度/模板测试的深度/模板状态。我们将在后续章节中对此状态进行讨论，目前只把它设为默认的 CD3DX12_DEPTH_STENCIL_DESC(D3D12_DEFAULT)。
InputLayout：输入布局描述，此结构体中有两个成员：一个由 D3D12_INPUT_ELEMENT_DESC 元素构成的数组，以及一个表示此数组中元素数量的无符号整数。

cpp 复制代码

 typedef struct D3D12_INPUT_LAYOUT_DESC
  {
    const D3D12_INPUT_ELEMENT_DESC *pInputElementDescs;
    UINT NumElements;
  } D3D12_INPUT_LAYOUT_DESC;

PrimitiveTopologyType：指定图元的拓扑类型。

cpp 复制代码

typedef enum D3D12_PRIMITIVE_TOPOLOGY_TYPE { 
   D3D12_PRIMITIVE_TOPOLOGY_TYPE_UNDEFINED = 0,
   D3D12_PRIMITIVE_TOPOLOGY_TYPE_POINT   = 1,
   D3D12_PRIMITIVE_TOPOLOGY_TYPE_LINE    = 2,
   D3D12_PRIMITIVE_TOPOLOGY_TYPE_TRIANGLE  = 3,
   D3D12_PRIMITIVE_TOPOLOGY_TYPE_PATCH   = 4
  } D3D12_PRIMITIVE_TOPOLOGY_TYPE

NumRenderTargets：同时所用的渲染目标数量（即 RTVFormats 数组中渲染目标格式的数量）。
RTVFormats：渲染目标的格式。利用该数组实现向多渲染目标同时进行写操作。使用此 PSO 的渲染目标的格式设定应当与此参数相匹配。
DSVFormat：深度/模板缓冲区的格式。使用此 PSO 的深度/模板缓冲区的格式设定应当与此参数相匹配。
SampleDesc：描述多重采样对每个像素采样的数量及其质量级别。此参数应与渲染目标的对应设置相匹配。

在 D3D12_GRAPHICS_PIPELINE_STATE_DESC 实例填写完毕后，我们即可用 ID3D12Device::CreateGraphicsPipelineState方法来创建 ID3D12PipelineState 对象。

cpp 复制代码

// BoxApp.cpp 58行
ComPtr mRootSignature;
std::vector mInputLayout;
ComPtr mvsByteCode;
ComPtr mpsByteCode;
...
// BoxApp.cpp 436行 BuildPSO()
D3D12_GRAPHICS_PIPELINE_STATE_DESC psoDesc;
ZeroMemory(&psoDesc, sizeof(D3D12_GRAPHICS_PIPELINE_STATE_DESC));
psoDesc.InputLayout = { mInputLayout.data(), (UINT)mInputLayout.size() };
psoDesc.pRootSignature = mRootSignature.Get();
psoDesc.VS = 
{ 
  reinterpret_cast(mvsByteCode->GetBufferPointer()),
  mvsByteCode->GetBufferSize() 
};
psoDesc.PS = 
{ 
  reinterpret_cast(mpsByteCode->GetBufferPointer()), 
  mpsByteCode->GetBufferSize() 
};
psoDesc.RasterizerState = CD3DX12_RASTERIZER_DESC(D3D12_DEFAULT);
psoDesc.BlendState = CD3DX12_BLEND_DESC(D3D12_DEFAULT);
psoDesc.DepthStencilState = CD3DX12_DEPTH_STENCIL_DESC(D3D12_DEFAULT);
psoDesc.SampleMask = UINT_MAX;
psoDesc.PrimitiveTopologyType = D3D12_PRIMITIVE_TOPOLOGY_TYPE_TRIANGLE;
psoDesc.NumRenderTargets = 1;
psoDesc.RTVFormats[0] = mBackBufferFormat;
psoDesc.SampleDesc.Count = m4xMsaaState ? 4 : 1;
psoDesc.SampleDesc.Quality = m4xMsaaState ? (m4xMsaaQuality - 1) : 0;
psoDesc.DSVFormat = mDepthStencilFormat;

ComPtr mPSO;
md3dDevice->CreateGraphicsPipelineState(&psoDesc, IID_PPV_ARGS(&mPSO)));

ID3D12PipelineState 对象集合了大量的流水线状态信息。为了保证性能，我们将所有这些对象都集总在一起，一并送至渲染流水线。通过这样的一个集合，Direct3D 便可以确定所有的状态是否彼此兼容，而驱动程序则能够据此而提前生成硬件本地指令及其状态。

注意：由于 PSO 的验证和创建操作过于耗时，所以应在初始化期间就生成 PSO。除非有特别的需求，例如，在运行时创建 PSO 伊始就要当即对它进行第一次引用的这种情况。随后，我们就可将它存于如散列表（哈希表）这样的集合里，以便在后续使用时快速获取。

并非所有的渲染状态都封装于 PSO 内，如视口（viewport）和裁剪矩形（scissor rectangle）等属性就独立于 PSO。由于将这些状态的设置与其他的流水线状态分隔开来会更有效，所以把它们强行集中在 PSO 内也并不会为之增添任何优势。

Direct3D 实质上就是一种状态机（state machine），里面的事物会保持它们各自的状态，直到我们将其改变。如果我们以不同的 PSO 去绘制不同物体，则需要像下面那样来组织代码：

cpp 复制代码

// 重置命令列表并指定初始 PSO
mCommandList->Reset(mDirectCmdListAlloc.Get(), mPSO1.Get());
/* ......使用 PSO 1绘制物体...... */

// 改变 PSO
mCommandList->SetPipelineState(mPSO2.Get());
/* ......使用 PSO 2绘制物体...... */

// 改变 PSO
mCommandList->SetPipelineState(mPSO3.Get());
/* ......使用 PSO 3绘制物体...... */

换句话说，如果把一个 PSO 与命令列表相绑定，那么，在我们设置另一个 PSO 或重置命令列表之前，会一直沿用当前的 PSO 绘制物体。

考虑到程序的性能问题，我们应当尽可能减少改变 PSO 状态的次数。为此，若能以一个 PSO 绘制出所有的物体，绝不用第二个 PSO。切记，不要在每次绘制调用时都修改 PSO。