feat(d3d12): 完善描述符堆延迟释放机制与FreeList栈式索引管理
- 添加完整的中文Doxygen注释文档 - 实现process_deferred_release()延迟释放处理 - 添加deferred_release模板函数和current_frame_index() - 实现延迟释放队列和帧索引管理 - 详细说明FreeList栈式索引分配/释放算法 - 更新D3D12学习Wiki，添加延迟释放机制章节
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SpecialX
@@ -1,67 +1,420 @@
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#pragma once
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#include "D3D12CommonHeaders.h"
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#include "D3D12CommonHeader.h"
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namespace XEngine::graphics::d3d12{
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namespace XEngine::graphics::d3d12::core {
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/**
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* @brief 前向声明，用于友元类关系
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*/
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class descriptor_heap;
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/**
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* @struct descriptor_handle
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* @brief 封装 CPU 和 GPU 描述符句柄的包装结构体
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*
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* @details
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* 该结构体为 D3D12 中的描述符句柄管理提供统一接口。
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* 描述符句柄表示描述符堆中特定描述符的指针。
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*
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* - **CPU 句柄**：CPU 用于创建和修改描述符视图（SRV、UAV、CBV、RTV、DSV）
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* - **GPU 句柄**：GPU 在着色器执行期间访问描述符（仅着色器可见）
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*
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* @note
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* - CPU 句柄在分配后始终有效
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* - GPU 句柄仅在从着色器可见的描述符堆分配时有效
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||||
* - DEBUG 模式下存储额外的跟踪信息用于验证和调试
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*
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* @see descriptor_heap
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* @see D3D12_CPU_DESCRIPTOR_HANDLE
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||||
* @see D3D12_GPU_DESCRIPTOR_HANDLE
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||||
*
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||||
* @example
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||||
* @code
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* descriptor_handle handle = heap.allocate();
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* if (handle.is_valid()) {
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* device->CreateShaderResourceView(texture, &srvDesc, handle.cpu);
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||||
* if (handle.is_shader_visible()) {
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* cmdList->SetGraphicsRootDescriptorTable(0, handle.gpu);
|
||||
* }
|
||||
* }
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||||
* @endcode
|
||||
*/
|
||||
struct descriptor_handle
|
||||
{
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||||
/**
|
||||
* @brief CPU 端描述符句柄
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*
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||||
* @details
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||||
* 用于 CPU 端操作，如创建视图（CreateShaderResourceView、
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* CreateUnorderedAccessView、CreateRenderTargetView 等）。
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||||
* 从任何类型的描述符堆成功分配后，此句柄始终有效。
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*/
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D3D12_CPU_DESCRIPTOR_HANDLE cpu{};
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||||
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||||
/**
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||||
* @brief GPU 端描述符句柄
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||||
*
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||||
* @details
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* 用于通过根描述符表将描述符绑定到图形管线。
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||||
* 仅当从着色器可见的描述符堆分配时有效
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||||
* （CBV_SRV_UAV 或 SAMPLER 类型，带有 D3D12_DESCRIPTOR_HEAP_FLAG_SHADER_VISIBLE）。
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||||
*
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||||
* @note 值为 0 表示此句柄不是着色器可见的
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*/
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||||
D3D12_GPU_DESCRIPTOR_HANDLE gpu{};
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||||
|
||||
/**
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||||
* @brief 检查此句柄是否指向有效的描述符
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||||
*
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||||
* @return 如果 CPU 句柄非空则返回 true，否则返回 false
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||||
*
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||||
* @note 有效句柄不保证底层描述符已正确初始化
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||||
*/
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||||
constexpr bool is_valid() const { return cpu.ptr != 0; }
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||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 检查此句柄是否可从 GPU 着色器访问
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||||
*
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||||
* @return 如果 GPU 句柄非空（着色器可见）则返回 true，否则返回 false
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||||
*
|
||||
* @details
|
||||
* 着色器可见句柄可通过 SetGraphicsRootDescriptorTable 或
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||||
* SetComputeRootDescriptorTable 绑定到管线。非着色器可见句柄（RTV、DSV）
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||||
* 只能通过 OMSetRenderTargets 或类似方法绑定。
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||||
*/
|
||||
constexpr bool is_shader_visible() const { return gpu.ptr != 0; }
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||||
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||||
#ifdef _DEBUG
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||||
private:
|
||||
/**
|
||||
* @brief 指向所属描述符堆的指针（仅 DEBUG 模式）
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||||
*
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||||
* @details
|
||||
* 用于验证以确保句柄被释放到正确的堆。
|
||||
* 此指针在分配时设置，在释放操作时验证。
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||||
*/
|
||||
friend class descriptor_heap;
|
||||
descriptor_heap* container{ nullptr };
|
||||
u32 index{ u32_invalid_id };
|
||||
descriptor_heap* container{nullptr};
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 描述符堆内的索引（仅 DEBUG 模式）
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||||
*
|
||||
* @details
|
||||
* 存储此描述符在其所属堆中的逻辑索引。
|
||||
* 用于调试和验证目的，跟踪描述符分配情况。
|
||||
*/
|
||||
u32 index{u32_invalid_id};
|
||||
#endif
|
||||
}; // descriptor_handle
|
||||
};
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @class descriptor_heap
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||||
* @brief 管理 D3D12 描述符堆的分配、释放和生命周期
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||||
*
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||||
* @details
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||||
* 该类为 D3D12 描述符堆提供高级抽象，实现：
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*
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||||
* - **池化分配**：基于空闲列表管理，实现 O(1) 分配/释放
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||||
* - **线程安全**：互斥锁保护操作，支持多线程资源创建
|
||||
* - **延迟释放**：帧感知的资源生命周期管理，防止 GPU 危险
|
||||
* - **类型安全**：通过构造函数参数实现编译时类型绑定
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||||
*
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||||
* ## 描述符堆类型
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*
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* | 类型 | 着色器可见 | 典型用途 |
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* |------|------------|----------|
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||||
* | CBV_SRV_UAV | 可选 | 常量缓冲区、纹理、UAV |
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||||
* | SAMPLER | 可选 | 纹理采样器 |
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||||
* | RTV | 否 | 渲染目标视图 |
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||||
* | DSV | 否 | 深度模板视图 |
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||||
*
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||||
* ## 内存模型
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||||
*
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||||
* - **着色器可见堆**：分配在 GPU 可见内存（显存或映射到 GPU 的系统内存）
|
||||
* - **非着色器可见堆**：仅分配在系统内存（CPU 可访问）
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||||
*
|
||||
* ## 线程安全
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||||
*
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||||
* 所有公有方法都是线程安全的。多个线程可以同时从同一个堆分配和释放描述符。
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||||
* 内部互斥锁确保操作的原子性。
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||||
*
|
||||
* ## 延迟释放机制
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||||
*
|
||||
* 当描述符被释放时，不会立即返回到空闲池。而是放入帧索引的延迟释放队列。
|
||||
* 当对应帧在 GPU 上完成后，调用 process_deferred_release() 时，描述符才会
|
||||
* 返回到空闲池，确保不会发生 GPU-GPU 或 CPU-GPU 危险。
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||||
*
|
||||
* @see descriptor_handle
|
||||
* @see D3D12_DESCRIPTOR_HEAP_TYPE
|
||||
* @see ID3D12DescriptorHeap
|
||||
*
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||||
* @example
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||||
* @code
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||||
* // 创建一个包含 1024 个描述符的着色器可见 CBV/SRV/UAV 堆
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||||
* descriptor_heap cbv_srv_heap{D3D12_DESCRIPTOR_HEAP_TYPE_CBV_SRV_UAV};
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||||
* cbv_srv_heap.initialize(1024, true);
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||||
*
|
||||
* // 分配描述符
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||||
* descriptor_handle tex_handle = cbv_srv_heap.allocate();
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||||
* device->CreateShaderResourceView(texture, &srvDesc, tex_handle.cpu);
|
||||
*
|
||||
* // 绑定到管线
|
||||
* ID3D12DescriptorHeap* heaps[] = {cbv_srv_heap.heap()};
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||||
* cmdList->SetDescriptorHeaps(1, heaps);
|
||||
* cmdList->SetGraphicsRootDescriptorTable(0, tex_handle.gpu);
|
||||
*
|
||||
* // 不再需要时释放（延迟到帧完成）
|
||||
* cbv_srv_heap.free(tex_handle);
|
||||
* @endcode
|
||||
*/
|
||||
class descriptor_heap
|
||||
{
|
||||
public:
|
||||
explicit descriptor_heap(const D3D12_DESCRIPTOR_HEAP_TYPE type): _type(type){}
|
||||
DISABLE_COPY_AND_MOVE(descriptor_heap);
|
||||
~descriptor_heap(){assert(!_heap);}
|
||||
/**
|
||||
* @brief 构造指定类型的描述符堆
|
||||
*
|
||||
* @param type D3D12 描述符堆类型（CBV_SRV_UAV、SAMPLER、RTV 或 DSV）
|
||||
*
|
||||
* @note 此构造函数不分配任何资源。调用 initialize() 创建堆
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||||
*/
|
||||
explicit descriptor_heap(const D3D12_DESCRIPTOR_HEAP_TYPE type) : _type(type) {}
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 禁用拷贝构造以防止资源重复
|
||||
*/
|
||||
DISABLE_COPY_AND_MOVE(descriptor_heap);
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 析构函数，断言所有资源已释放
|
||||
*
|
||||
* @note 堆必须在析构前通过 release() 显式释放
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||||
*/
|
||||
~descriptor_heap() { assert(!_heap); }
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 初始化具有指定容量的描述符堆
|
||||
*
|
||||
* @param capacity 此堆可容纳的最大描述符数量
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||||
* @param is_shader_visible 堆是否应着色器可见
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||||
*
|
||||
* @return 初始化成功返回 true，否则返回 false
|
||||
*
|
||||
* @details
|
||||
* - 对于 RTV/DSV 堆，is_shader_visible 强制为 false（设计上 GPU 不可访问）
|
||||
* - 容量不得超过 D3D12_MAX_SHADER_VISIBLE_DESCRIPTOR_HEAP_SIZE_TIER_2
|
||||
* - 对于采样器堆，容量不得超过 D3D12_MAX_SHADER_VISIBLE_SAMPLER_HEAP_SIZE
|
||||
*
|
||||
* @pre 堆必须未初始化（如需重新初始化，先调用 release()）
|
||||
* @post 堆已准备好进行 allocate() 调用
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||||
*/
|
||||
bool initialize(u32 capacity, bool is_shader_visible);
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 处理特定帧的延迟释放
|
||||
*
|
||||
* @param frame_index 应处理其延迟释放的帧索引
|
||||
*
|
||||
* @details
|
||||
* 此方法应在新帧开始时调用，确认 GPU 已完成对应帧的处理。
|
||||
* 它将该帧期间释放的所有描述符返回到空闲池。
|
||||
*
|
||||
* @pre GPU 必须已完成指定帧（通过 Fence 同步确认）
|
||||
*/
|
||||
void process_deferred_release(u32 frame_index);
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 释放此堆持有的所有资源
|
||||
*
|
||||
* @details
|
||||
* - 通过 flush() 等待所有帧完成
|
||||
* - 释放底层 ID3D12DescriptorHeap
|
||||
* - 清除所有内部跟踪结构
|
||||
*
|
||||
* @post 堆处于未初始化状态，可重新初始化
|
||||
*/
|
||||
void release();
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 从堆中分配描述符
|
||||
*
|
||||
* @return 指向已分配描述符的 descriptor_handle
|
||||
*
|
||||
* @throws 如果堆已满或未初始化则触发断言失败
|
||||
*
|
||||
* @details
|
||||
* - 线程安全：使用互斥锁保护内部状态
|
||||
* - O(1) 复杂度：从空闲列表弹出
|
||||
* - 返回的句柄包含 CPU 和 GPU（如果着色器可见）地址
|
||||
*
|
||||
* @pre 堆必须已初始化且有可用容量
|
||||
* @note 标记 [[nodiscard]] 以防止意外丢弃句柄
|
||||
*/
|
||||
[[nodiscard]] descriptor_handle allocate();
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 释放描述符，将其放入延迟释放队列
|
||||
*
|
||||
* @param handle 要释放的描述符句柄
|
||||
*
|
||||
* @details
|
||||
* - 线程安全：使用互斥锁保护内部状态
|
||||
* - 描述符不会立即可重用
|
||||
* - 在 GPU 完成当前帧后调用 process_deferred_release() 时，
|
||||
* 描述符才会返回到空闲池
|
||||
* - 无效句柄会被安全忽略
|
||||
*
|
||||
* @note DEBUG 模式下验证句柄属于此堆
|
||||
*/
|
||||
void free(descriptor_handle handle);
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 返回 D3D12 描述符堆类型
|
||||
* @return 此堆的类型（CBV_SRV_UAV、SAMPLER、RTV 或 DSV）
|
||||
*/
|
||||
constexpr D3D12_DESCRIPTOR_HEAP_TYPE type() const { return _type; }
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 返回堆中第一个描述符的 CPU 句柄
|
||||
* @return 起始 CPU 描述符句柄
|
||||
*/
|
||||
constexpr D3D12_CPU_DESCRIPTOR_HANDLE cpu_start() const { return _cpu_start; }
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 返回堆中第一个描述符的 GPU 句柄
|
||||
* @return 起始 GPU 描述符句柄，如果非着色器可见则为 {0}
|
||||
*/
|
||||
constexpr D3D12_GPU_DESCRIPTOR_HANDLE gpu_start() const { return _gpu_start; }
|
||||
constexpr ID3D12DescriptorHeap *const heap() const { return _heap; }
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 返回底层 D3D12 描述符堆接口
|
||||
* @return 指向 ID3D12DescriptorHeap 的指针，如果未初始化则为 nullptr
|
||||
*/
|
||||
constexpr ID3D12DescriptorHeap* const heap() const { return _heap; }
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 返回此堆可容纳的最大描述符数量
|
||||
* @return 堆的总容量
|
||||
*/
|
||||
constexpr u32 capacity() const { return _capacity; }
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 返回当前已分配的描述符数量
|
||||
* @return 已分配描述符计数（不包括延迟释放的）
|
||||
*/
|
||||
constexpr u32 size() const { return _size; }
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 返回单个描述符的字节大小
|
||||
* @return 描述符大小，因堆类型和硬件而异
|
||||
*/
|
||||
constexpr u32 descriptor_size() const { return _descriptor_size; }
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 检查此堆是否着色器可见
|
||||
* @return 如果 GPU 句柄有效则返回 true，否则返回 false
|
||||
*/
|
||||
constexpr bool is_shader_visible() const { return _gpu_start.ptr != 0; }
|
||||
|
||||
private:
|
||||
// 一个描述符堆是一个内存块,基于他是否着色器可见,分配在系统内存还是显存
|
||||
ID3D12DescriptorHeap* _heap;
|
||||
/**
|
||||
* @brief 底层 D3D12 描述符堆接口
|
||||
*
|
||||
* @details
|
||||
* 内存位置取决于着色器可见性：
|
||||
* - 着色器可见：分配在 GPU 可访问内存（显存或映射到 GPU 的系统内存）
|
||||
* - 非着色器可见：仅分配在系统内存
|
||||
*/
|
||||
ID3D12DescriptorHeap* _heap{nullptr};
|
||||
|
||||
// CPU起始句柄（用于CPU端描述符操作）
|
||||
D3D12_CPU_DESCRIPTOR_HANDLE _cpu_start{};
|
||||
// GPU起始句柄（仅当堆为着色器可见时有效）
|
||||
D3D12_GPU_DESCRIPTOR_HANDLE _gpu_start{};
|
||||
/**
|
||||
* @brief 堆中第一个描述符的 CPU 句柄
|
||||
*
|
||||
* @details
|
||||
* 用作计算单个描述符 CPU 句柄的基地址。
|
||||
* initialize() 成功调用后立即有效。
|
||||
*/
|
||||
D3D12_CPU_DESCRIPTOR_HANDLE _cpu_start{};
|
||||
|
||||
// 空闲的描述符句柄
|
||||
std::unique_ptr<u32[]> _free_handles{};
|
||||
/**
|
||||
* @brief 堆中第一个描述符的 GPU 句柄
|
||||
*
|
||||
* @details
|
||||
* 仅对着色器可见堆有效。用作计算可通过根描述符表绑定到管线的
|
||||
* GPU 句柄的基地址。值为 {0} 表示非着色器可见堆。
|
||||
*/
|
||||
D3D12_GPU_DESCRIPTOR_HANDLE _gpu_start{};
|
||||
|
||||
// 用于保护资源初始化的互斥锁
|
||||
std::mutex _mutex;
|
||||
/**
|
||||
* @brief 存储可用描述符索引的空闲列表
|
||||
*
|
||||
* @details
|
||||
* 实现为预分配数组，实现 O(1) 分配/释放。
|
||||
* 初始填充所有索引 [0, capacity-1]。
|
||||
* 分配描述符时，从前面消耗索引。
|
||||
* 释放描述符后（延迟处理完成），索引返回。
|
||||
*/
|
||||
std::unique_ptr<u32[]> _free_handles{};
|
||||
|
||||
// 描述符堆的容量
|
||||
u32 _capacity{0};
|
||||
// 已经分配的描述符数量
|
||||
u32 _size{0};
|
||||
// 不同的描述符堆类型在不同的硬件上有不同的大小,所以需要记录下描述符的大小
|
||||
u32 _descriptor_size{0};
|
||||
const D3D12_DESCRIPTOR_HEAP_TYPE _type;
|
||||
/**
|
||||
* @brief 每帧的延迟释放队列
|
||||
*
|
||||
* @details
|
||||
* 当调用 free() 时，描述符索引放入当前帧的队列。
|
||||
* 只有在该帧 GPU 完成后调用 process_deferred_release() 时，
|
||||
* 索引才会返回到 _free_handles。
|
||||
*
|
||||
* 这防止了 GPU 危险：当描述符可能仍被 GPU 使用时被新资源重用。
|
||||
*
|
||||
* 数组大小为 frame_buffer_count（通常为 3，三重缓冲）。
|
||||
*/
|
||||
utl::vector<u32> _deferred_free_indices[frame_buffer_count]{};
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 用于线程安全访问内部状态的互斥锁
|
||||
*
|
||||
* @details
|
||||
* 保护所有可变状态：_size、_free_handles 和 _deferred_free_indices。
|
||||
* 必需，因为资源创建/销毁可能发生在多个线程上。
|
||||
*/
|
||||
std::mutex _mutex{};
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 此堆可容纳的最大描述符数量
|
||||
*
|
||||
* @details
|
||||
* 在 initialize() 时设置，此后不可变。
|
||||
* 用于边界检查和空闲列表初始化。
|
||||
*/
|
||||
u32 _capacity{0};
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 当前已分配的描述符数量
|
||||
*
|
||||
* @details
|
||||
* 表示从 _free_handles 消耗的索引数量。
|
||||
* 不包括延迟释放队列中的描述符。
|
||||
*/
|
||||
u32 _size{0};
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief 单个描述符的字节大小
|
||||
*
|
||||
* @details
|
||||
* 从 ID3D12Device::GetDescriptorHandleIncrementSize() 获取。
|
||||
* 因堆类型和硬件而异。用于句柄偏移计算。
|
||||
*/
|
||||
u32 _descriptor_size{0};
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* @brief D3D12 描述符堆类型
|
||||
*
|
||||
* @details
|
||||
* 构造时设置，不可变。决定：
|
||||
* - 可创建的视图类型（SRV、UAV、RTV 等）
|
||||
* - 是否支持着色器可见性
|
||||
* - 允许的最大容量
|
||||
*/
|
||||
const D3D12_DESCRIPTOR_HEAP_TYPE _type;
|
||||
};
|
||||
}
|
||||
|
||||
|
||||
|
||||
} // namespace XEngine::graphics::d3d12::core
|
||||
|
||||
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