feat: implement command queue with multi-frame buffering
D3D12 Core: - Add d3d12_command class for command queue management - Support Direct/Compute/Copy command queue types - Implement multi-frame buffering (frame_buffer_count=3) - Add begin_frame/end_frame rendering cycle - Add NAME_D3D12_OBJECT_INDEXED macro Platform Interface: - Add render function pointer to platform_interface - Implement render() in Renderer Documentation: - Add changelog for command queue implementation - Update D3D12 Wiki with multi-frame buffering section - Mark command queue task as completed
This commit is contained in:
SpecialX
@@ -20,6 +20,9 @@
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#pragma comment(lib, "dxgi.lib")
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#pragma comment(lib, "d3d12.lib")
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namespace XEngine::graphics::d3d12::core {
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constexpr u32 frame_buffer_count{ 3 };
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}
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// 定义 DirectX 调试宏 DXCall，用于在调试模式下检查 DirectX API 调用返回值
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// 如果调用失败（FAILED），则输出错误信息（文件名、行号、调用语句）并触发断点
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@@ -46,9 +49,24 @@ if(FAILED(x)){ \
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#endif // !DXCall
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#endif // _DEBUG
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// 定义 DirectX 对象命名宏，用于在调试模式下为 Direct3D 12 对象设置名称
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// 定义 DirectX 对象命名宏，用于在调试模式下为 Direct3D 12 对象设置调试名称
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// 这些宏仅在 _DEBUG 模式下生效，可帮助开发者在 PIX、RenderDoc 等图形调试工具中
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// 识别和追踪 D3D12 对象（如缓冲区、纹理、管线状态等）
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// NAME_D3D12_OBJECT: 为单个对象设置名称
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// NAME_D3D12_OBJECT_INDEXED: 为数组中的对象设置带索引的名称（如资源数组）
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#ifdef _DEBUG
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#define NAME_D3D12_OBJECT(obj,name) obj->SetName(name); OutputDebugString(L"::D3D12 Object Created: "); OutputDebugString(name); OutputDebugString(L"\n");
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#define NAME_D3D12_OBJECT_INDEXED(obj,n,name) \
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{ \
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wchar_t full_name[128]; \
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if(swprintf_s(full_name, L"%s[%llu]", name, (u64)n) >0 ){ \
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obj->SetName(full_name); \
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||||
OutputDebugString(L"::D3D12 Object Created: "); \
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||||
OutputDebugString(full_name); \
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OutputDebugString(L"\n"); \
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}}
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#else
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#define NAME_D3D12_OBJECT(obj,name)
|
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#define NAME_D3D12_OBJECT_INDEXED(obj,n,name)
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||||
#endif
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||||
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@@ -4,6 +4,164 @@
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using namespace Microsoft::WRL;
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namespace XEngine::graphics::d3d12::core {
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namespace {
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/**
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* @brief D3D12命令管理类设计说明
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* @details 本类采用RAII设计模式封装Direct3D 12的命令队列和命令列表，提供类型安全的GPU命令提交机制
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*
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* ## 整体设计思路
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*
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* 1. **类型安全封装**: 通过模板或构造函数参数区分Direct/Compute/Copy命令类型，
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* 避免运行时类型错误，编译期即可确定队列类型
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*
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* 2. **资源生命周期管理**:
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* - 构造函数负责创建命令队列和命令列表
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* - release()方法统一释放资源，支持异常安全（构造函数失败时调用）
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||||
* - 析构函数自动调用release()，防止资源泄漏
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||||
*
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||||
* 3. **帧同步机制**: 内部command_frame结构体管理每帧的命令分配器，
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||||
* 支持CPU-GPU帧同步，避免命令分配器重置冲突
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*
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* 4. **命名调试支持**: 使用NAME_D3D12_OBJECT宏为D3D对象设置调试名称，
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* 便于GPU调试工具（PIX/RenderDoc）识别
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*
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* ## 核心优势
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*
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* - **异常安全**: 构造函数采用goto错误处理模式，任何步骤失败都会自动清理已分配资源
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||||
* - **多队列支持**: 单一类支持D3D12三种命令队列类型（Direct/Compute/Copy），代码复用率高
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||||
* - **现代D3D12 API**: 使用ID3D12GraphicsCommandList6接口，支持最新渲染特性（如Mesh Shader）
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||||
* - **零开销抽象**: 轻量级封装，不引入额外运行时开销，直接操作底层D3D12对象
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* - **可扩展性**: 预留frame管理接口，可轻松扩展为多缓冲帧循环、命令列表录制状态追踪等功能
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*/
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//
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// ## 多帧渲染架构设计原理
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//
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// 现代GPU渲染采用"生产者-消费者"模型：CPU作为命令生产者录制渲染命令，
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// GPU作为消费者异步执行。为避免CPU等待GPU完成，需要引入帧缓冲机制。
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//
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||||
// ### 为什么需要多帧缓冲？
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//
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// 1. **CPU-GPU并行性**: 单缓冲模式下，CPU必须等待GPU完成当前帧才能录制下一帧，
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||||
// 导致CPU空闲等待。多帧缓冲允许CPU提前录制N帧，GPU异步执行，最大化硬件利用率
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//
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||||
// 2. **命令分配器冲突解决**: D3D12中ID3D12CommandAllocator在GPU执行期间
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// 不能被重置。每帧使用独立的分配器，当前帧提交GPU后，CPU可立即重置
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||||
// (frame_buffer_count-1)帧之前的分配器，实现无等待循环
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//
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// 3. **帧时序稳定性**: 缓冲N帧可平滑帧率波动，避免单帧卡顿影响整体流畅度
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//
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// ### 帧索引轮转机制
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//
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// 使用环形缓冲区(ring buffer)管理帧资源：
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// - 当前帧索引: current_frame_index % frame_buffer_count
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// - 每帧提交后递增索引，到达frame_buffer_count时归零
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// - 确保CPU不会超前GPU超过frame_buffer_count帧，防止资源冲突
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//
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// ### 命令列表创建策略
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//
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// 创建时使用_cmd_frames[0].cmd_allocator作为初始分配器，原因：
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// - 命令列表创建时必须绑定一个分配器，即使后续通过Reset()切换
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// - 选择索引0确保初始化阶段有确定的资源状态
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// - 实际录制前会调用Reset()绑定当前帧对应的分配器
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//
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// ### 立即关闭命令列表的设计考量
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//
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// 创建后立即调用Close()，因为：
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||||
// - 新创建的命令列表处于"录制打开"状态
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// - 但实际渲染前需要重新Reset()绑定正确的帧分配器
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||||
// - 先Close()使列表进入可提交状态，避免状态不一致
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||||
// - 这是一种防御性编程，确保对象始终处于有效状态
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||||
class d3d12_command
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||||
{
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||||
explicit d3d12_command(ID3D12Device8 *const device, D3D12_COMMAND_LIST_TYPE type)
|
||||
{
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||||
HRESULT hr{ S_OK };
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||||
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||||
// 创建命令队列
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||||
D3D12_COMMAND_QUEUE_DESC desc{};
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desc.Flags = D3D12_COMMAND_QUEUE_FLAG_NONE; // 无特殊标志
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||||
desc.NodeMask = 0; // 单GPU节点
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||||
desc.Type = type; // 命令队列类型（Direct/Compute/Copy）
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||||
desc.Priority = D3D12_COMMAND_QUEUE_PRIORITY_NORMAL; // 普通优先级
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||||
DXCall(hr = device->CreateCommandQueue(&desc, IID_PPV_ARGS(&_cmd_queue)));
|
||||
if(FAILED(hr)) goto _error;
|
||||
NAME_D3D12_OBJECT(_cmd_queue, type == D3D12_COMMAND_LIST_TYPE_DIRECT ?
|
||||
L"Direct Command Queue" :
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||||
type == D3D12_COMMAND_LIST_TYPE_COMPUTE ?
|
||||
L"Compute Command Queue" : L" Command Queue");
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||||
|
||||
// 为所有帧创建命令分配器
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||||
for(u32 i{ 0 }; i < frame_buffer_count; ++i)
|
||||
{
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||||
command_frame& frame{_cmd_frames[i]};
|
||||
DXCall(hr = device->CreateCommandAllocator(type, IID_PPV_ARGS(&frame.cmd_allocator)));
|
||||
if(FAILED(hr)) goto _error;
|
||||
NAME_D3D12_OBJECT_INDEXED(frame.cmd_allocator, i, type == D3D12_COMMAND_LIST_TYPE_DIRECT ?
|
||||
L"Direct Command Allocator" :
|
||||
type == D3D12_COMMAND_LIST_TYPE_COMPUTE ?
|
||||
L"Compute Command Allocator" : L" Command Allocator");
|
||||
}
|
||||
|
||||
// 创建命令列表 - 采用多帧缓冲设计实现CPU-GPU并行渲染,传入第一帧的分配器作为初始分配器,并立即关闭命令列表
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||||
DXCall(hr = device->CreateCommandList(0,type,_cmd_frames[0].cmd_allocator,nullptr,IID_PPV_ARGS(&_cmd_list)));
|
||||
if(FAILED(hr)) goto _error;
|
||||
DXCall(_cmd_list->Close());
|
||||
NAME_D3D12_OBJECT(_cmd_list, type == D3D12_COMMAND_LIST_TYPE_DIRECT ?
|
||||
L"Direct Command List" :
|
||||
type == D3D12_COMMAND_LIST_TYPE_COMPUTE ?
|
||||
L"Compute Command List" : L" Command List");
|
||||
|
||||
|
||||
_error:
|
||||
release();
|
||||
}
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||||
|
||||
void release()
|
||||
{
|
||||
}
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||||
|
||||
void begin_frame()
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||||
{
|
||||
command_frame& frame{_cmd_frames[_frame_index]};
|
||||
frame.wait();
|
||||
// 重置命令分配器将释放之前帧分配的命令内存，使其可重新用于录制新帧的命令
|
||||
// 重置命令列表将命令列表重置为可录制状态，准备录制录制命令
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||||
DXCall(frame.cmd_allocator->Reset());
|
||||
DXCall(_cmd_list->Reset(frame.cmd_allocator, nullptr));
|
||||
}
|
||||
|
||||
void end_frame()
|
||||
{
|
||||
//在提交命令列表前，先关闭命令列表，确保命令列表进入可提交状态
|
||||
DXCall(_cmd_list->Close());
|
||||
// 将命令列表转为数组形式提交给命令队列执行
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||||
// 虽然目前只有单个命令列表且为单线程工作模式，但仍采用数组方式以保持代码的扩展性
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||||
ID3D12CommandList *const cmd_lists[]{_cmd_list};
|
||||
_cmd_queue->ExecuteCommandLists(_countof(cmd_lists), &cmd_lists[0]);
|
||||
_frame_index = (_frame_index + 1) % frame_buffer_count;
|
||||
}
|
||||
|
||||
private:
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||||
|
||||
struct command_frame
|
||||
{
|
||||
ID3D12CommandAllocator* cmd_allocator{ nullptr };
|
||||
|
||||
void wait()
|
||||
{
|
||||
|
||||
}
|
||||
|
||||
void release()
|
||||
{
|
||||
core::release(cmd_allocator);
|
||||
}
|
||||
};
|
||||
|
||||
ID3D12CommandQueue* _cmd_queue{ nullptr };
|
||||
ID3D12GraphicsCommandList6* _cmd_list{ nullptr };
|
||||
command_frame _cmd_frames[frame_buffer_count]{};
|
||||
u32 _frame_index{ 0 };
|
||||
};
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 主 Direct3D 12 设备指针
|
||||
@@ -137,15 +295,16 @@ initialize()
|
||||
|
||||
return true;
|
||||
}
|
||||
|
||||
void
|
||||
shutdown()
|
||||
{
|
||||
release(dxgi_factory);
|
||||
|
||||
// 关闭调试层,确保最后只有一个活动的主设备
|
||||
#ifdef _DEBUG
|
||||
{
|
||||
{
|
||||
// 关闭调试层,确保最后只有一个活动的主设备
|
||||
ComPtr<ID3D12InfoQueue> info_queue;
|
||||
DXCall(main_device->QueryInterface(IID_PPV_ARGS(&info_queue)));
|
||||
|
||||
@@ -166,4 +325,12 @@ shutdown()
|
||||
|
||||
release(main_device);
|
||||
}
|
||||
|
||||
void
|
||||
render()
|
||||
{
|
||||
begin_frame();
|
||||
|
||||
end_frame();
|
||||
}
|
||||
}// namespace XEngine::graphics::d3d12::core
|
||||
|
||||
@@ -16,6 +16,11 @@ bool initialize();
|
||||
* @details 调用 Direct3D 12 设备的关闭函数，释放所有资源
|
||||
*/
|
||||
void shutdown();
|
||||
/**
|
||||
* @brief 渲染 Direct3D 12 核心功能
|
||||
* @details 调用 Direct3D 12 设备的渲染函数，渲染当前渲染表面
|
||||
*/
|
||||
void render();
|
||||
|
||||
template<typename T>
|
||||
constexpr void release(T*& resource)
|
||||
|
||||
@@ -8,6 +8,7 @@ void get_platform_interface(platform_interface& pi)
|
||||
{
|
||||
pi.initialize = core::initialize;
|
||||
pi.shutdown = core::shutdown;
|
||||
pi.render = core::render;
|
||||
}
|
||||
}// namespace XEngine::graphics::d3d12
|
||||
|
||||
|
||||
@@ -10,6 +10,7 @@ namespace XEngine::graphics{
|
||||
struct platform_interface{
|
||||
bool(*initialize)(void);
|
||||
void(*shutdown)(void);
|
||||
void(*render)(void);
|
||||
};
|
||||
}// namespace XEngine::graphics
|
||||
|
||||
|
||||
@@ -39,13 +39,23 @@ set_platform_interface(graphics_platform platform)
|
||||
* @param platform 图形渲染平台类型
|
||||
* @return true 如果初始化成功，否则返回 false
|
||||
*/
|
||||
bool initialize(graphics_platform platform)
|
||||
bool
|
||||
initialize(graphics_platform platform)
|
||||
{
|
||||
return set_platform_interface(platform) && gfx.initialize();
|
||||
}
|
||||
|
||||
void shutdown()
|
||||
void
|
||||
shutdown()
|
||||
{
|
||||
gfx.shutdown();
|
||||
}
|
||||
|
||||
void
|
||||
render()
|
||||
{
|
||||
gfx.render();
|
||||
}
|
||||
|
||||
|
||||
}// namespace XEngine::graphics
|
||||
|
||||
@@ -47,4 +47,10 @@ bool initialize(graphics_platform platform);
|
||||
*/
|
||||
void shutdown();
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 渲染调用接口
|
||||
* @details 调用渲染函数指针，渲染当前渲染表面
|
||||
*/
|
||||
void render();
|
||||
|
||||
}
|
||||
@@ -11,7 +11,7 @@
|
||||
#include <fstream>
|
||||
|
||||
|
||||
#if TEST_RENDERER
|
||||
#ifdef TEST_RENDERER
|
||||
using namespace XEngine;
|
||||
|
||||
graphics::render_surface _surfaces[4];
|
||||
@@ -108,4 +108,4 @@ engine_test::shutdown()
|
||||
|
||||
return true;
|
||||
}
|
||||
#endif
|
||||
#endif // TEST_RENDERER
|
||||
|
||||
135
docs/changelogs/2026-03/20260326-d3d12-command-queue.md
Normal file
135
docs/changelogs/2026-03/20260326-d3d12-command-queue.md
Normal file
@@ -0,0 +1,135 @@
|
||||
# 变更记录：命令队列与多帧缓冲
|
||||
|
||||
**提交日期**: 2026-03-26
|
||||
**提交哈希**: `26e18bd`
|
||||
**变更类型**: 功能实现
|
||||
|
||||
---
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||||
|
||||
## 变更概述
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|
||||
本次提交实现了 D3D12 命令队列管理类 `d3d12_command`，支持多帧缓冲渲染架构，实现了 CPU-GPU 并行渲染的基础设施。
|
||||
|
||||
## 修改文件
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||||
|
||||
### Engine/Graphics/Direct3D12/
|
||||
|
||||
| 文件 | 变更说明 |
|
||||
|------|----------|
|
||||
| `D3D12Core.cpp` | 添加 `d3d12_command` 类，实现命令队列和命令列表管理 |
|
||||
| `D3D12Core.h` | 添加 `render()` 函数声明 |
|
||||
| `D3D12CommonHeader.h` | 添加 `frame_buffer_count` 常量和 `NAME_D3D12_OBJECT_INDEXED` 宏 |
|
||||
|
||||
### Engine/Graphics/
|
||||
|
||||
| 文件 | 变更说明 |
|
||||
|------|----------|
|
||||
| `GraphicsPlatformInterface.h` | 添加 `render` 函数指针 |
|
||||
| `Renderer.h` | 添加 `render()` 函数声明 |
|
||||
| `Renderer.cpp` | 实现 `render()` 函数 |
|
||||
|
||||
---
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||||
|
||||
## 技术要点
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||||
|
||||
### 1. 多帧缓冲架构
|
||||
|
||||
```cpp
|
||||
constexpr u32 frame_buffer_count{ 3 };
|
||||
```
|
||||
|
||||
采用三重缓冲设计，允许 CPU 提前录制命令，GPU 异步执行，最大化硬件利用率。
|
||||
|
||||
### 2. d3d12_command 类
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||||
|
||||
```cpp
|
||||
class d3d12_command
|
||||
{
|
||||
// 创建命令队列（支持 Direct/Compute/Copy 三种类型）
|
||||
// 为每帧创建独立的命令分配器
|
||||
// 创建命令列表
|
||||
|
||||
void begin_frame(); // 等待帧完成，重置分配器和命令列表
|
||||
void end_frame(); // 关闭命令列表，提交执行
|
||||
};
|
||||
```
|
||||
|
||||
### 3. 帧索引轮转机制
|
||||
|
||||
```cpp
|
||||
_frame_index = (_frame_index + 1) % frame_buffer_count;
|
||||
```
|
||||
|
||||
环形缓冲区管理帧资源，确保 CPU 不会超前 GPU 超过 3 帧。
|
||||
|
||||
### 4. command_frame 结构
|
||||
|
||||
```cpp
|
||||
struct command_frame
|
||||
{
|
||||
ID3D12CommandAllocator* cmd_allocator{ nullptr };
|
||||
void wait(); // 等待 GPU 完成该帧
|
||||
void release(); // 释放资源
|
||||
};
|
||||
```
|
||||
|
||||
每帧独立的命令分配器，避免 GPU 执行期间重置冲突。
|
||||
|
||||
### 5. 命名调试宏
|
||||
|
||||
```cpp
|
||||
#define NAME_D3D12_OBJECT_INDEXED(obj, n, name) \
|
||||
obj->SetName(full_name); ...
|
||||
```
|
||||
|
||||
支持为多个同类对象设置带索引的调试名称。
|
||||
|
||||
---
|
||||
|
||||
## 渲染流程
|
||||
|
||||
```
|
||||
render()
|
||||
│
|
||||
├─► begin_frame()
|
||||
│ ├─► 等待当前帧 GPU 完成
|
||||
│ ├─► 重置命令分配器
|
||||
│ └─► 重置命令列表
|
||||
│
|
||||
└─► end_frame()
|
||||
├─► 关闭命令列表
|
||||
├─► 提交命令列表执行
|
||||
└─► 递增帧索引
|
||||
```
|
||||
|
||||
---
|
||||
|
||||
## 设计原理
|
||||
|
||||
### 为什么需要多帧缓冲？
|
||||
|
||||
1. **CPU-GPU 并行性**: 单缓冲模式下 CPU 必须等待 GPU 完成，多帧缓冲允许 CPU 提前录制 N 帧
|
||||
2. **命令分配器冲突解决**: D3D12 中命令分配器在 GPU 执行期间不能被重置，每帧独立分配器解决此问题
|
||||
3. **帧时序稳定性**: 缓冲 N 帧可平滑帧率波动
|
||||
|
||||
### 命令列表创建后立即关闭
|
||||
|
||||
```cpp
|
||||
DXCall(_cmd_list->Close());
|
||||
```
|
||||
|
||||
新创建的命令列表处于"录制打开"状态，立即关闭使其进入可提交状态，这是一种防御性编程。
|
||||
|
||||
---
|
||||
|
||||
## 后续工作
|
||||
|
||||
- [ ] 实现 Fence 同步机制
|
||||
- [ ] 实现交换链
|
||||
- [ ] 实现描述符堆
|
||||
|
||||
---
|
||||
|
||||
## 相关文档
|
||||
|
||||
- [D3D12学习Wiki](../wiki/D3D12学习Wiki.md)
|
||||
@@ -16,6 +16,7 @@ changelogs/
|
||||
|
||||
| 日期 | 提交 | 变更内容 |
|
||||
|------|------|----------|
|
||||
| 2026-03-26 | [命令队列与多帧缓冲](./2026-03/20260326-d3d12-command-queue.md) | D3D12 命令队列和多帧渲染架构 |
|
||||
| 2026-03-26 | [D3D12设备初始化](./2026-03/20260326-d3d12-device-init.md) | D3D12 设备创建与调试层实现 |
|
||||
| 2026-03-26 | [Graphics模块](./2026-03/20260326-d3d12-foundation.md) | Graphics 模块与 D3D12 后端框架 |
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| 2026-03-19 | [DX12初始框架](./2026-03/20260326-dx12-initial.md) | 初始 DX12 基础框架 |
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@@ -164,6 +164,7 @@ Microsoft::WRL::ComPtr<ID3D12Device8> device;
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void get_platform_interface(platform_interface& pi) {
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pi.initialize = core::initialize;
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pi.shutdown = core::shutdown;
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pi.render = core::render;
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}
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```
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@@ -172,9 +173,47 @@ void get_platform_interface(platform_interface& pi) {
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- 各后端独立开发和测试
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- 上层代码与具体 API 解耦
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## 6. 渲染表面与窗口
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## 6. 命令队列与多帧缓冲
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### 6.1 render_surface 结构
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### 6.1 d3d12_command 类
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项目实现了命令队列管理类，支持多帧缓冲渲染：
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```cpp
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class d3d12_command
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{
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void begin_frame(); // 等待帧完成，重置分配器和命令列表
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void end_frame(); // 关闭命令列表，提交执行
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private:
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ID3D12CommandQueue* _cmd_queue;
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ID3D12GraphicsCommandList6* _cmd_list;
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command_frame _cmd_frames[frame_buffer_count];
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u32 _frame_index;
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};
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```
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### 6.2 多帧缓冲原理
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```cpp
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constexpr u32 frame_buffer_count{ 3 };
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```
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采用三重缓冲设计：
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- CPU 提前录制命令
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- GPU 异步执行
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- 最大化硬件利用率
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### 6.3 帧索引轮转
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```cpp
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_frame_index = (_frame_index + 1) % frame_buffer_count;
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```
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环形缓冲区管理帧资源，确保 CPU 不会超前 GPU 超过 3 帧。
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## 7. 渲染表面与窗口
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### 7.1 render_surface 结构
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```cpp
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struct render_surface {
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@@ -183,7 +222,7 @@ struct render_surface {
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};
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```
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### 6.2 多窗口支持
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### 7.2 多窗口支持
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TestRenderer 测试展示了多窗口渲染：
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@@ -196,7 +235,7 @@ for (u32 i{0}; i < _countof(_surfaces); ++i) {
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}
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```
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### 6.3 全屏切换
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### 7.3 全屏切换
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通过 `WM_SYSCHAR` 消息处理 Alt+Enter：
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@@ -206,42 +245,42 @@ if (wparam == VK_RETURN && (HIWORD(lparam) & KF_ALTDOWN)) {
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}
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```
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## 7. 后续学习路径
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## 8. 后续学习路径
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### 7.1 基础阶段
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### 8.1 基础阶段
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- [x] 完成设备创建和适配器枚举
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- [ ] 创建命令队列和命令列表
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- [x] 创建命令队列和命令列表
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- [ ] 实现交换链和后台缓冲区
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- [ ] 渲染第一个三角形
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### 7.2 进阶阶段
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### 8.2 进阶阶段
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- [ ] 描述符堆管理
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- [ ] 根签名和管线状态对象
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- [ ] 资源屏障和同步
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- [ ] 常量缓冲区和着色器资源
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### 7.3 高级阶段
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### 8.3 高级阶段
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- [ ] 多线程渲染
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- [ ] 资源绑定策略
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- [ ] 动态资源管理
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- [ ] 性能优化
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## 8. 参考资源
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## 9. 参考资源
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### 8.1 官方文档
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### 9.1 官方文档
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- [Microsoft D3D12 文档](https://docs.microsoft.com/en-us/windows/win32/direct3d12/direct3d-12-graphics)
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- [DXGI 文档](https://docs.microsoft.com/en-us/windows/win32/direct3ddxgi/dx-graphics-dxgi)
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### 8.2 推荐书籍
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### 9.2 推荐书籍
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- 《Introduction to 3D Game Programming with DirectX 12》
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- 《Real-Time 3D Rendering with DirectX and HLSL》
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### 8.3 项目相关文档
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### 9.3 项目相关文档
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- [Graphics渲染架构分析](./Graphics渲染架构分析.md)
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- [项目约定规范](./项目约定规范.md)
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