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DirectX 12 游戏开发：入门与实践

引言：为什么选择 DirectX 12？

在现代游戏开发领域，图形 API 是连接游戏逻辑与 GPU 硬件的桥梁。作为微软主导的图形技术，DirectX 在 Windows 平台上占据着核心地位。自 DirectX 12 (DX12) 于 2015 年发布以来，它以其底层控制能力和性能潜力，成为了高端游戏开发的首选 API 之一。

相较于前辈 DirectX 11 (DX11)，DX12 最大的特点是提供了更接近硬件的底层控制。这包括了对内存管理、资源同步、指令提交等方面的精细控制。这种控制权的转移，虽然带来了更高的学习曲线和开发复杂度，但也赋予了开发者更大的优化空间，尤其是在多线程处理和 CPU 性能瓶颈的缓解上，DX12 展现出了显著优势。

对于追求极致性能、希望充分挖掘现代 GPU 潜力的开发者来说，学习 DX12 是非常有价值的。它不仅能帮助你开发出更高效、更复杂的图形效果，也能让你更深入地理解现代图形管线和 GPU 的工作原理。

本文将带领你踏上 DX12 游戏开发的入门之路，从环境搭建到核心概念，再到基础的渲染流程，为你提供一个全面的概览和实践指导。

第一部分：准备工作与环境搭建

在开始 DX12 开发之前，你需要准备好相应的软硬件环境。

  1. 操作系统： Windows 10 或更高版本（推荐 Windows 11），因为 DX12 是这些操作系统的原生特性。确保你的系统是 64 位。
  2. 硬件支持： 你的显卡必须支持 DirectX 12。大多数近些年发布的显卡都已支持。你可以通过运行 dxdiag 命令来查看系统信息中的 DirectX 版本。
  3. 开发工具：
    • Visual Studio： 推荐使用 Visual Studio 2019 或 2022 的社区版、专业版或企业版。这是 Windows 平台下最主要的 C++ 开发 IDE。
    • Windows SDK： 安装与你的 Windows 操作系统版本相匹配的 Windows SDK。在安装 Visual Studio 时，确保勾选了“使用 C++ 的桌面开发”以及相应的 Windows SDK 组件。SDK 包含了 DX12 的头文件、库文件以及相关的开发工具（如 FXC/DXC 着色器编译器）。
  4. 编程语言： C++。DX12 API 是一个 COM (Component Object Model) 接口，主要通过 C++ 进行调用。对 C++ 有扎实的基础是学习 DX12 的前提。

环境搭建步骤：

  1. 安装 Visual Studio。
  2. 在 Visual Studio 安装器中，选择“工作负载”，勾选“使用 C++ 的桌面开发”。
  3. 在右侧的安装详情中，展开“使用 C++ 的桌面开发”，确保勾选了适合你操作系统的最新版 Windows SDK。
  4. 完成安装。

创建一个新的 Visual Studio 项目：

  1. 打开 Visual Studio。
  2. 创建新项目，选择“空项目 (C++)”。
  3. 配置项目属性：
    • 确保项目平台为 x64 (64 位)。
    • 在“配置属性”->“链接器”->“输入”->“附加依赖项”中，添加 d3d12.lib 和 dxgi.lib。这两个是 DX12 和 DXGI (DirectX Graphics Infrastructure) 的核心库文件。
    • 根据需要，可能还需要其他库，例如用于数学运算的 DirectXMath，或者用于着色器编译的 d3dcompiler.lib。
    • 为了方便调试，建议在“配置属性”->“调试”->“环境”中设置 D3D12_ENABLE_DEBUG_LAYER=1。这会启用 DX12 的调试层，帮助你发现 API 使用错误。

至此，你的 DX12 开发环境就基本搭建好了。

第二部分：DirectX 12 核心概念概览

DX12 与 DX11 的编程模型有很大区别。理解这些核心概念是掌握 DX12 的关键。

  1. Explicit Control (显式控制): 这是 DX12 的灵魂。它将许多原本由驱动程序自动管理的任务（如状态管理、资源同步、内存上传）交给了开发者。这意味着你需要更关心底层细节，但能获得更高的灵活性和性能潜力。
  2. Command Lists (命令列表) 和 Command Queues (命令队列):
    • Command List (ID3D12GraphicsCommandList): 记录 GPU 需要执行的一系列命令（如设置管线状态、绑定资源、绘制调用）。它可以由 CPU 在多个线程上并行生成。生成后的命令列表是不可变的（或在记录后可关闭），可以提交到队列中执行。
    • Command Allocator (ID3D12CommandAllocator): 命令列表所需的内存分配器。一个命令列表必须从一个命令分配器中获取内存。为了支持多线程，通常每个线程或每帧都有自己的命令分配器。
    • Command Queue (ID3D12CommandQueue): GPU 执行命令的队列。CPU 通过将封闭的命令列表提交到命令队列来指示 GPU 工作。GPU 按提交顺序执行队列中的命令列表。
  3. Resources (资源): 显存中的数据，如顶点缓冲区、索引缓冲区、纹理、常量缓冲区等。在 DX12 中，资源由 ID3D12Resource 接口表示。资源的创建、状态转换（如从写入状态到读取状态）都需要显式管理。
  4. Descriptors (描述符) 和 Descriptor Heaps (描述符堆):
    • Descriptor (描述符): 对资源的轻量级描述，包含了 GPU 如何访问资源的信息。它不是资源本身，而是一个指向资源的“句柄”或“视图”。常见的描述符类型有：
      • SRV (Shader Resource View): 着色器读取资源的描述符（如纹理、缓冲区）。
      • UAV (Unordered Access View): 着色器无序读写资源的描述符。
      • CBV (Constant Buffer View): 常量缓冲区的描述符。
      • RTV (Render Target View): 渲染目标（帧缓冲）的描述符，用于输出像素。
      • DSV (Depth Stencil View): 深度/模板缓冲区的描述符。
      • Sampler (采样器): 定义纹理采样方式（过滤、寻址模式）的描述符。
    • Descriptor Heap (ID3D12DescriptorHeap): 存储描述符的显存区域。GPU 不能直接通过资源指针访问资源，必须通过描述符堆中的描述符来访问。有不同类型的描述符堆，有的仅供 CPU 写入（如 RTV, DSV），有的供 CPU 写入并供 GPU 读取（如 SRV, UAV, CBV, Sampler）。
  5. Root Signature (根签名): 定义了 GPU 如何访问描述符堆中的描述符以及绑定内联常量（Root Constants）的布局。它是 CPU 和 GPU 之间关于资源绑定的“约定”。根签名是绑定到命令列表上的，并且必须与正在使用的管线状态对象 (PSO) 兼容。
  6. Pipeline State Objects (PSO) (管线状态对象): 封装了渲染管线的绝大多数固定和可编程状态，包括顶点着色器、像素着色器、混合状态、光栅化状态、深度/模板状态、输入布局等。在 DX11 中，这些状态是动态设置的，而在 DX12 中，它们被打包成一个不可变的对象。切换 PSO 通常比在 DX11 中设置多个动态状态更快。
  7. Synchronization (同步): 由于命令的异步执行和多线程，同步变得至关重要。
    • Fences (ID3D12Fence): 用于 CPU-GPU 或 GPU-GPU 之间的同步。CPU 可以向命令队列插入一个信号 (Signal) 命令，当 GPU 执行到这个命令时，会触发一个 Fence 值。CPU 可以等待 (WaitFor) 这个 Fence 值，或者查询它的完成状态。
    • Resource Barriers (D3D12_RESOURCE_BARRIER): 用于管理资源的转换状态。资源在使用前必须处于正确的状态（如作为常量缓冲区读取、作为渲染目标写入、作为纹理采样读取等）。转换资源状态（Transition Barrier）是同步的一种形式，确保 GPU 的不同部分或不同命令列表不会在资源处于不一致状态时访问它。DX12 要求开发者显式地插入资源屏障。
  8. Memory Management (内存管理): 开发者需要更直接地管理显存的分配和使用。包括选择合适的堆类型（如上传堆 D3D12_HEAP_TYPE_UPLOAD 用于 CPU-GPU 传输，默认堆 D3D12_HEAP_TYPE_DEFAULT 用于 GPU 访问），以及使用映射 (Map) 和解除映射 (Unmap) 来访问 CPU 可见的显存区域。

第三部分：基础渲染流程实践 (概念性描述)

下面是一个使用 DX12 渲染一个简单三角形的典型流程，我们将侧重于 API 调用的逻辑和顺序，而不是具体的代码实现（代码会非常冗长）。

1. 初始化阶段

  • 创建 DXGI 工厂 (IDXGIFactory): 用于枚举适配器（显卡）和创建交换链。
  • 枚举适配器 (IDXGIAdapter): 选择一个合适的显卡设备。通常选择支持 DX12 的高性能适配器。
  • 创建 D3D12 设备 (ID3D12Device): 这是 DX12 API 的核心对象，用于创建所有其他 DX12 资源和对象。通过 D3D12CreateDevice 函数创建。通常也会在这里启用调试层。
  • 创建命令队列 (ID3D12CommandQueue): 用于提交命令列表到 GPU。需要指定队列类型（如图形、计算、复制）。
  • 创建交换链 (IDXGISwapChain3/4): 管理前后缓冲区，用于显示渲染结果。需要绑定到一个窗口句柄，并关联到命令队列。交换链会创建渲染目标资源 (ID3D12Resource)，通常至少有两个缓冲区（双缓冲）。
  • 创建渲染目标视图 (RTV) 描述符堆： 用于存储交换链后缓冲区的 RTV 描述符。由于 RTV 堆只供 CPU 写入，通常不需要 GPU 可见。
  • 为交换链的每个后缓冲区创建 RTV 描述符： 调用 ID3D12Device::CreateRenderTargetView，将后缓冲区资源关联到 RTV 描述符堆中的一个位置。
  • 创建深度/模板缓冲资源 (ID3D12Resource) 和 DSV 描述符堆 (可选但常见): 用于深度测试和模板测试。创建资源时需要指定 DSV 资源状态和合适的格式。创建 DSV 描述符堆并为深度缓冲区创建 DSV 描述符。
  • 创建命令分配器 (ID3D12CommandAllocator): 用于后续命令列表的记录。通常每一帧都会“重置”这个分配器，或者使用一个分配器的循环池。
  • 创建命令列表 (ID3D12GraphicsCommandList): 从命令分配器创建。初始化时通常处于记录状态。

2. 资源创建阶段

  • 定义顶点数据和索引数据： 在 CPU 内存中准备三角形的顶点数据（位置、颜色、纹理坐标等）和索引数据（顶点连接顺序）。
  • 创建上传堆资源 (ID3D12Resource): 在 CPU 可写、GPU 可读/写的上传堆中创建缓冲区，用于临时存放顶点和索引数据，以便传输到 GPU 的默认堆。使用 D3D12_HEAP_TYPE_UPLOAD。
  • 创建默认堆资源 (ID3D12Resource): 在 GPU 专用的默认堆中创建缓冲区，这将是 GPU 实际读取顶点和索引数据的地方。使用 D3D12_HEAP_TYPE_DEFAULT。
  • 上传数据： 将 CPU 内存中的顶点/索引数据拷贝到上传堆资源中（通过 Map 获取 CPU 可访问指针）。然后，使用命令列表记录 CopyBufferRegion 命令，将数据从上传堆资源拷贝到默认堆资源。这个拷贝命令需要在 GPU 上执行。
  • 创建着色器程序： 编写 HLSL (High-Level Shading Language) 代码，包括顶点着色器和像素着色器。使用 DXC 或 FXC 编译器将 HLSL 代码编译成字节码。
  • 创建根签名 (ID3D12RootSignature): 定义着色器如何访问资源的布局。例如，如果着色器需要读取一个常量缓冲区和一个纹理，根签名就需要包含 CBV 描述符和 SRV 描述符的定义，并指定它们在描述符堆中的绑定方式（如通过描述符表或内联）。
  • 创建描述符堆 (GPU 可见): 如果根签名需要 GPU 访问描述符（如 SRV, CBV, Sampler），则需要创建 GPU 可见的描述符堆（D3D12_DESCRIPTOR_HEAP_FLAG_SHADER_VISIBLE）。为常量缓冲区、纹理等创建相应的 SRV/CBV/Sampler 描述符，并将它们放置在这个 GPU 可见堆中。
  • 创建管线状态对象 (PSO) (ID3D12PipelineState): 填充 D3D12_GRAPHICS_PIPELINE_STATE_DESC 结构体，指定顶点着色器字节码、像素着色器字节码、输入布局、根签名、混合状态、光栅化状态、深度/模板状态、图元拓扑类型等信息。调用 ID3D12Device::CreateGraphicsPipelineState 创建 PSO。

3. 渲染循环阶段 (每帧)

这个阶段是周期性执行的，通常与显示器的刷新率同步。

  • 获取当前后缓冲区索引： 从交换链获取当前应该渲染的后缓冲区的索引 (IDXGISwapChain3::GetCurrentBackBufferIndex)。
  • 重置命令分配器： 调用 ID3D12CommandAllocator::Reset()。只有当与该分配器关联的所有命令列表都已在 GPU 上执行完毕后才能重置。
  • 重置命令列表： 调用 ID3D12GraphicsCommandList::Reset(commandAllocator, pipelineStateObject)。将命令列表与其关联的分配器重新绑定，并可以选择设置一个初始的 PSO。
  • 设置视口和裁剪矩形： 调用 SetViewport 和 SetScissorRects 设置渲染区域。
  • 插入资源屏障 (Transition Barrier)： 将当前后缓冲区资源从呈现状态 (D3D12_RESOURCE_STATE_PRESENT) 转换到渲染目标状态 (D3D12_RESOURCE_STATE_RENDER_TARGET)。如果使用深度缓冲区，也需要将其转换为深度写入状态 (D3D12_RESOURCE_STATE_DEPTH_WRITE)。
  • 设置渲染目标： 调用 OMSetRenderTargets 绑定当前后缓冲区的 RTV 描述符和深度缓冲区的 DSV 描述符。
  • 清除渲染目标和深度缓冲区： 调用 ClearRenderTargetView 和 ClearDepthStencilView，用指定的颜色和深度值清除缓冲区。
  • 设置根签名： 调用 SetGraphicsRootSignature。
  • 设置描述符堆 (GPU 可见)： 如果使用了 GPU 可见的描述符堆，需要调用 SetDescriptorHeaps 绑定它们。
  • 绑定资源： 根据根签名和 PSO 的要求，使用 SetGraphicsRootDescriptorTable, SetGraphicsRootConstantBufferView, SetGraphicsRoot32BitConstants 等方法绑定描述符堆中的描述符或上传内联常量。
  • 设置图元拓扑类型： 调用 IASetPrimitiveTopology（如 D3D_PRIMITIVE_TOPOLOGY_TRIANGLELIST）。
  • 设置顶点/索引缓冲区： 调用 IASetVertexBuffers 和 IASetIndexBuffer，使用之前创建的默认堆资源及其视图（如 D3D12_VERTEX_BUFFER_VIEW, D3D12_INDEX_BUFFER_VIEW）。
  • 绘制调用： 调用 DrawIndexedInstanced (如果使用索引缓冲区) 或 DrawInstanced (如果不使用索引缓冲区) 来触发 GPU 的绘制操作。
  • 插入资源屏障 (Transition Barrier)： 将当前后缓冲区资源从渲染目标状态 (D3D12_RESOURCE_STATE_RENDER_TARGET) 转换回呈现状态 (D3D12_RESOURCE_STATE_PRESENT)。
  • 关闭命令列表： 调用 ID3D12GraphicsCommandList::Close()。关闭后的命令列表才能被提交到队列。
  • 执行命令列表： 创建一个包含要执行的命令列表的数组，调用 ID3D12CommandQueue::ExecuteCommandLists() 提交到命令队列。
  • 呈现： 调用 IDXGISwapChain::Present() 将后缓冲区显示到屏幕上。
  • 同步 (等待)： 为了避免 CPU 跑得太快导致 GPU 工作来不及，需要进行同步。通常是向命令队列插入一个 Fence 信号 (ID3D12CommandQueue::Signal)，然后 CPU 等待前几帧的 Fence 值 (ID3D12Fence::WaitForCompletion)，确保 GPU 完成了相应的工作，回收资源（如命令分配器）供新的一帧使用。这实现了 CPU 和 GPU 之间的流水线并行。

4. 清理阶段

  • 在程序退出时，释放所有创建的 DX12 和 DXGI 对象。由于 DX12 使用 COM 对象，需要调用每个接口的 Release() 方法来减少引用计数，直到对象被销毁。确保在释放 DXGI 工厂之前释放所有依赖它的对象（如交换链、设备）。

第四部分：DX12 的优势与挑战

优势：

  1. CPU 性能提升： 通过降低驱动程序开销、支持多线程命令列表生成、改进资源管理，显著减少了 CPU 在图形提交上的开销，尤其在绘制调用密集或 CPU 负载重的场景下。
  2. 更好的多线程利用： 开发者可以在多个 CPU 线程上并行记录命令列表，充分利用多核处理器的性能。
  3. 更精细的内存控制： 开发者可以更灵活地管理显存分配、上传和资源状态，有助于优化内存带宽和延迟。
  4. 更低的延迟： 部分底层控制（如显式的资源同步）可以帮助减少渲染管线中的延迟。
  5. 新特性支持： DX12 支持一些 DX11 不具备或不完善的高级特性，如异步计算、光线追踪 (DXR)、可变速率着色 (VRS) 等。

挑战：

  1. 更高的学习曲线： DX12 的抽象层次更低，概念更多，对开发者的底层知识要求更高。
  2. 更高的开发复杂度： 原本由驱动程序处理的任务现在需要开发者自己管理，如资源状态管理、内存上传同步、多线程同步等，代码量和复杂度显著增加。
  3. 调试难度： 显式控制意味着错误更容易发生，而且底层错误可能更难追踪。虽然 DX12 提供了强大的调试层和工具（如 PIX），但仍然需要开发者具备更强的调试能力。
  4. 需要更多 Boilerplate Code： 许多基础设置（如创建描述符堆、管理资源状态）需要大量的重复性代码。框架和引擎可以帮助封装这些细节。

第五部分：进阶方向与学习资源

掌握了 DX12 的基础后，你可以进一步探索以下方向：

  • 多线程渲染： 实现命令列表的并行记录和提交。
  • 异步计算 (Async Compute): 利用 GPU 的计算单元与图形单元并行执行任务，提高 GPU 利用率。
  • 资源管理： 实现高效的显存管理器，包括资源池化、上传和流式加载。
  • 图形管线优化： 深入理解 GPU 架构和 DX12 的性能特性，进行更底层的优化。
  • 高级渲染技术： 基于 DX12 实现延迟渲染、基于物理的渲染 (PBR)、全局光照等。
  • DirectX Raytracing (DXR): 学习如何使用 DX12 的光线追踪扩展，实现更真实的渲染效果。
  • 使用辅助库和框架： 学习使用 D3D12MA (D3D12 Memory Allocator)、Effect-Composer 等辅助库，或者研究大型游戏引擎（如 Unreal Engine 5, Unity）中 DX12 的实现。

学习资源推荐：

  1. Microsoft 官方文档 (Microsoft Learn): 这是最权威、最全面的资料来源，包含了 DX12 API 的详细说明、概念指南和示例代码。
  2. 书籍： Frank Luna 的《Introduction to 3D Game Programming with DirectX 12》是经典的入门教材，提供了详细的示例代码和讲解。
  3. 在线教程和博客： 社区中有很多优秀的 DX12 教程和博客，可以搜索关键词 “DirectX 12 tutorial” 或 “DX12 入门”。
  4. 开源项目： 阅读一些优秀的开源图形引擎或渲染器的 DX12 部分代码，学习其设计和实现方式。
  5. 调试工具 PIX： PIX 是微软提供的强大的图形调试和性能分析工具，对于理解 DX12 的执行流程和优化性能至关重要。

结论

DirectX 12 是一个强大但复杂的图形 API。它将更多的控制权交给了开发者，带来了显著的性能提升潜力，尤其是在 CPU 端和多线程方面。然而，这种控制权也带来了更高的学习门槛和开发复杂度。

入门 DX12 需要扎实的 C++ 基础、对线性代数和 3D 图形基本概念的理解，以及投入大量时间和精力去理解其独特的编程模型（命令列表、描述符、根签名、PSO 等）和底层机制（资源状态、同步、内存管理）。

通过本文的介绍，希望你能对 DX12 的核心概念和基础开发流程有一个初步的认识。实践是掌握任何技术的最佳途径。建议从简单的例子开始，逐步构建一个基本的 DX12 渲染框架，然后尝试添加更复杂的特性和渲染技术。

DX12 的学习之旅充满挑战，但也充满回报。一旦掌握了它，你将能够开发出性能更优异、视觉效果更震撼的现代游戏和图形应用。祝你学习顺利！

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