众所周知，Vulkan 编程的代码量相对于 OpenGL 多了一个数量级（不用害怕，后面Vulkan封装一下，用起来也会非常简洁），本文避免一上去就讲一大堆代码，奉行概念先行。
概念掌握的差不多了，再去看代码, 这样思路不容易卡住，大致就可以把握住整体代码逻辑，知道这一块代码是干嘛的，那一块是什么目的。
Vulkan 内存管理
Vulkan 将内存管理的工作交给了开发者自己负责，如何分配释放内存，怎样制定内存策略都由开发者自己决定，当然出了问题也是由开发者自己负责。
Vulkan 将内存划分为两大类：主机内存 Host Memory 和 设备内存 Device Memory。
在移动设备上，主机内存就是 CPU 内存，设备内存就是 GPU 内存，显存。在此基础上，每种内存类型还可以单独按照属性进一步划分。
Vulkan提供了一种透明的机制来显示内部内存的细节以及相关属性。这样的做法在OpenGL中是完全不可能的，后者不允许应用程序显示地控制内存区域和布局。
Vulkan 系统中的内存有四种类型（并不是所有设备都支持这四种类型）：
- Host Local Memory，只对 Host 可见的内存，通常称之为普通内存
- Device Local Memory，只对 Device 可见的内存，通常称之为显存
- Host Local Device Memory，由 Host 管理的，对 Device 可见的内存
- Device Local Host Memory，由 Device 管理的，对 Host 可见的内存（不常见）
对比这两种内存类型的话，主机内存比设备内存更慢，但是宿主机内存的容量通常更大。
设备内存，它对于物理设备是直接可见的。物理设备可以直接读取其中的内存区块。设备内存与物理设备之间的关系非常紧密，因此它的性能比宿主机内存更高。
图像对象（VkImage） 、缓存对象（VkBuffer），以及一致变量的缓存对象（Uniform Buffer）都是在设备内存端分配的。
单一的物理设备可能有多种类型的内存；根据它们的堆类型以及属性的不同还可能进一步细分。
函数 vkGetPhysicalDeviceMemoryProperties() 负责查询物理设备上可用的内存堆和内存属性。
VkPhysicalDeviceMemoryProperties
typedef struct VkPhysicalDeviceMemoryProperties {
uint32_t memoryTypeCount;
VkMemoryType memoryTypes[VK_MAX_MEMORY_TYPES];
uint32_t memoryHeapCount;
VkMemoryHeap memoryHeaps[VK_MAX_MEMORY_HEAPS];
} VkPhysicalDeviceMemoryProperties;- memoryTypeCount 支持的内存类型数量。
- memoryTypes 有效元素个数为 memoryTypeCount 的内存类型信息数组。
- memoryHeapCount 支持的内存堆数量。
- memoryHeaps 有效元素个数为 memoryHeapCount 的内存堆信息数组。
其中 memoryHeaps 中就是用于获取具体内存堆是哪一种。其中 VkMemoryHeap 定义如下：
VkMemoryHeap
typedef struct VkMemoryHeap {
VkDeviceSize size;
VkMemoryHeapFlags flags;
} VkMemoryHeap;- size 该堆大小。单位为字节。
- flags 该堆类型标志位。
其中 flags 就是用于指示该堆的类型。其有效值定义于 VkMemoryHeapFlagBits 中，如下：
VkMemoryHeapFlagBits
typedef enum VkMemoryHeapFlagBits {
VK_MEMORY_HEAP_DEVICE_LOCAL_BIT = 0x00000001,
VK_MEMORY_HEAP_MULTI_INSTANCE_BIT = 0x00000002,
VK_MEMORY_HEAP_MULTI_INSTANCE_BIT_KHR = VK_MEMORY_HEAP_MULTI_INSTANCE_BIT,
VK_MEMORY_HEAP_FLAG_BITS_MAX_ENUM = 0x7FFFFFFF
} VkMemoryHeapFlagBits;枚举值解释：
- VK_MEMORY_HEAP_DEVICE_LOCAL_BIT (0x00000001): 表示内存堆是设备本地的。这种内存通常是最快的，因为它与 GPU 紧密集成，适合存储需要频繁访问的数据。
- VK_MEMORY_HEAP_MULTI_INSTANCE_BIT (0x00000002): 用于多 GPU 配置，表示内存堆在多个物理设备实例中是独立的。
- VK_MEMORY_HEAP_MULTI_INSTANCE_BIT_KHR: 这是 VK_MEMORY_HEAP_MULTI_INSTANCE_BIT 的一个别名，为了兼容性而定义。KHR 后缀表示这是一个 Khronos 扩展（Khronos 是 Vulkan 标准的管理机构）。
- VK_MEMORY_HEAP_FLAG_BITS_MAX_ENUM (0x7FFFFFFF): 用于强制枚举类型为 32 位整数。这个值不实际使用，仅作为枚举类型的大小限制。
其中每个堆自身可以包含一到多个类型的内存，堆上的内存类型信息被定义在 memoryTypes 中，其 VkMemoryType 定义如下：
VkMemoryType
typedef struct VkMemoryType {
VkMemoryPropertyFlags propertyFlags;
uint32_t heapIndex;
} VkMemoryType;- propertyFlags 内存类型标志位。
- heapIndex 对应的 memoryHeaps 堆索引。
其中 propertyFlags 有效值被定义在了 VkMemoryPropertyFlagBits 枚举中，其定义如下：
VkMemoryPropertyFlagBits（重点关注）
typedef enum VkMemoryPropertyFlagBits {
VK_MEMORY_PROPERTY_DEVICE_LOCAL_BIT = 0x00000001,
VK_MEMORY_PROPERTY_HOST_VISIBLE_BIT = 0x00000002,
VK_MEMORY_PROPERTY_HOST_COHERENT_BIT = 0x00000004,
VK_MEMORY_PROPERTY_HOST_CACHED_BIT = 0x00000008,
VK_MEMORY_PROPERTY_LAZILY_ALLOCATED_BIT = 0x00000010,
} VkMemoryPropertyFlagBits;- VK_MEMORY_PROPERTY_DEVICE_LOCAL_BIT 表示在此内存类型上分配的内存可被物理设备高效访问。只有对应的堆为 VK_MEMORY_HEAP_DEVICE_LOCAL_BIT 才会有该内存类型。
- VK_MEMORY_PROPERTY_HOST_VISIBLE_BIT 表示在此内存类型上分配的内存可被 Host 端通过 vkMapMemory() 函数进行映射，进而进行访问。
- VK_MEMORY_PROPERTY_HOST_COHERENT_BIT 表示在此内存类型上分配的内存将会自动进行同步，不需要手动调用 vkFlushMappedMemoryRanges() 和 vkInvalidateMappedMemoryRanges() 来进行内存同步。
- VK_MEMORY_PROPERTY_HOST_CACHED_BIT 表示在此内存类型上分配的内存为 缓存 （高速缓存）内存， Host 端访问 非缓存 内存要比访问 缓存 内存慢。但是 非缓存 内存总是 同步内存 ( VK_MEMORY_PROPERTY_HOST_COHERENT_BIT )。
- VK_MEMORY_PROPERTY_LAZILY_ALLOCATED_BIT 表示在此内存类型上分配的内存只有物理设备可访问。内存类型不能同时为 VK_MEMORY_PROPERTY_LAZILY_ALLOCATED_BIT 和 VK_MEMORY_PROPERTY_HOST_VISIBLE_BIT 。此外其底层内存将会用于 惰性内存 。
内存分配
使用vkAllocateMemory函数分配的设备内存只能在设备端进行访问，它对于宿主机来说是不可见的。
宿主机只能访问那些支持映射的设备内存类型，即，内存属性包含了VK_MEMORY_PROPERTY_HOST_VISIBLE_BIT标识量的内存对象。
通过之前 vkGetPhysicalDeviceMemoryProperties() 函数我们可以获取到设备的内存信息，现在我们就可以通过这些信息进行内存分配了。
为此 Vulkan 为我们提供了 vkAllocateMemory() 函数进行内存分配。该函数定义如下：
vkAllocateMemory
VkResult vkAllocateMemory(
VkDevice device,
const VkMemoryAllocateInfo* pAllocateInfo,
const VkAllocationCallbacks* pAllocator,
VkDeviceMemory* pMemory);- device 分配内存的目标设备。
- pAllocateInfo 内存分配信息。
- pAllocator 句柄内存分配器。
- pMemory 分配的内存句柄。
其中 pAllocateInfo 用于指定内存的分配信息， pAllocator 用于指定创建 pMemory 内存句柄时的分配器。
其中主要的内存分配信息被定义在了 pAllocateInfo ，对应的 VkMemoryAllocateInfo 定义如下：
VkMemoryAllocateInfo
typedef struct VkMemoryAllocateInfo {
VkStructureType sType;
const void* pNext;
VkDeviceSize allocationSize;
uint32_t memoryTypeIndex;
} VkMemoryAllocateInfo;- sType 是该结构体的类型枚举值， 必须 是 VkStructureType::VK_STRUCTURE_TYPE_MEMORY_ALLOCATE_INFO 。
- pNext 要么是 NULL 要么指向其他结构体来扩展该结构体。
- allocationSize 要分配的内存大小。单位为 字节 。
- memoryTypeIndex 分配内存的目标内存类型索引。
其中 memoryTypeIndex 尤为重要，用于指定在 memoryTypes[memoryTypeIndex] 对应的内存类型上进行内存分配，对应分配的堆为 memoryHeaps[memoryTypes[memoryTypeIndex].heapIndex] 。
由于每个 memoryTypes 都有着不同的属性，所以一般会根据功能需求在某个内存类型上进行分配。
VkDevice device;
VkPhysicalDevice physicalDevice;
VkDeviceSize size = 1024;
VkDeviceMemory* memory = nullptr;
// 获取物理设备内存属性
vkGetPhysicalDeviceMemoryProperties(physicalDevice, &memoryProperties);
// 查找一个主机可见的内存类型
uint32_t memoryTypeIndex = VK_MAX_MEMORY_TYPES;
for (uint32_t i = 0; i < memoryProperties.memoryTypeCount; i++) {
if ((memoryProperties.memoryTypes[i].propertyFlags & VK_MEMORY_PROPERTY_HOST_VISIBLE_BIT) &&
(memoryProperties.memoryTypes[i].propertyFlags & VK_MEMORY_PROPERTY_HOST_COHERENT_BIT)) {
memoryTypeIndex = i;
break;
}
}
if (memoryTypeIndex == VK_MAX_MEMORY_TYPES) {
fprintf(stderr, "Could not find a suitable memory type!\n");
exit(EXIT_FAILURE);
}
// 准备内存分配信息
VkMemoryAllocateInfo allocInfo = {};
allocInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_MEMORY_ALLOCATE_INFO;
allocInfo.allocationSize = size;
allocInfo.memoryTypeIndex = memoryTypeIndex;
// 分配内存
VK_CHECK_RESULT(vkAllocateMemory(device, &allocInfo, nullptr, memory));
printf("Memory allocated successfully!\n");内存映射
我们通过API函数vkMapMemory（）来实现宿主机对设备内存的映射访问。这个函数会返回一个虚拟地址的指针，指向映射后的设备内存区域。
原则上所有的设备内存对于 CPU 来说并不像 new/malloc 分配出来的内存那样能够直接进行读写。
为了 CPU 能够读写设备内存，硬件供应商都会提供一部分带有 VkMemoryPropertyFlagBits::VK_MEMORY_PROPERTY_HOST_VISIBLE_BIT 属性的内存用于 CPU 访问。
而在 Vulkan 中分配的内存最终只会对应一个 VkDeviceMemory 句柄，为了能够获得 VkMemoryPropertyFlagBits::VK_MEMORY_PROPERTY_HOST_VISIBLE_BIT 内存类型分配的内存句柄底层的内存地址，可以通过 vkMapMemory() 函数将分配的设备内存底层的虚拟 （说明见下文）地址返回给 CPU （也就是 Host 端）。
vkMapMemory
VkResult vkMapMemory(
VkDevice device,
VkDeviceMemory memory,
VkDeviceSize offset,
VkDeviceSize size,
VkMemoryMapFlags flags,
void** ppData);- device 内存对应的逻辑设备。
- memory 要映射的目标内存。
- offset 内存映射从内存首地址开始的偏移量。从 0 开始。单位为 字节 。
- size 要映射的内存大小。单位为 字节 。如果指定为 VK_WHOLE_SIZE ，则表明映射范围为从 offset 开始到 memory 结尾。
- flags 内存映射的额外标志位参数。
- ppData 内存映射结果。为 void* 的指针。该指针减去 offset 的对齐大小最小 必须 为 VkPhysicalDeviceLimits::minMemoryMapAlignment 。
其中 memory 必须 在 VkMemoryPropertyFlagBits::VK_MEMORY_PROPERTY_HOST_VISIBLE_BIT 类型的内存上分配。
当该函数成功返回后， memory 就被认为在Host 端进行了内存映射 ，并处于映射态。
当内存映射并使用结束后，可进行解除映射，进而释放系统的虚拟内存。可通过 vkUnmapMemory() 函数将映射过的内存进行解映射 。
内存映射代码示例：
// 映射内存
void* data;
VK_CHECK_RESULT(vkMapMemory(device, *memory, 0, size, 0, &data));
printf("Memory mapped successfully!\n");
// 写入数据到内存
int* intData = (int*)data;
for (size_t i = 0; i < size / sizeof(int); i++) {
intData[i] = i;
}
printf("Data written to memory successfully!\n");
// 解除内存映射
vkUnmapMemory(device, *memory);
printf("Memory unmapped successfully!\n");内存同步
所谓内存同步是指：虚拟内存中的数据与对应的 VkDeviceMemory 设备内存底层数据保持一致。
当分配的设备内存所对应的内存类型 包含 VkMemoryPropertyFlagBits::VK_MEMORY_PROPERTY_HOST_COHERENT_BIT 时，内存同步将 会自动 进行。其同步规则如下：
- 当向映射的虚拟内存中写入时，写入虚拟内存中的数据也会同步到对应的 VkDeviceMemory 底层设备内存中。
- 如果 GPU 向 VkDeviceMemory 底层设备内存中写入数据时，这部分修改的设备内存也会同步到映射的虚拟内存中。
如果分配的设备内存所对应的内存类型 不包含 VkMemoryPropertyFlagBits::VK_MEMORY_PROPERTY_HOST_COHERENT_BIT 的话，内存同步将不会自动进行。需要手动进行内存同步。
换句话说就是，映射的虚拟内存和对应的 VkDeviceMemory 设备内存是两个独立的内存，如果分配的设备内存 包含 VkMemoryPropertyFlagBits::VK_MEMORY_PROPERTY_HOST_COHERENT_BIT 则无论对虚拟内存做修改，还是对设备内存做修改，双方数据将会自动保持一致。否则需要手动进行内存同步。
如此就有两个同步方：
- 映射的虚拟内存
- VkDeviceMemory 设备内存
虚拟内存同步到设备内存
当对映射的虚拟内存中的数据修改时，如果设备内存类型 不包含 VkMemoryPropertyFlagBits::VK_MEMORY_PROPERTY_HOST_COHERENT_BIT 的话，则需要通过调用 vkFlushMappedMemoryRanges() 函数手动将虚拟内存中的数据同步（拷贝）到设备内存中。
也就是将虚拟内存中的内容 冲刷 到设备内存中。其定义如下：
vkFlushMappedMemoryRanges
VkResult vkFlushMappedMemoryRanges(
VkDevice device,
uint32_t memoryRangeCount,
const VkMappedMemoryRange* pMemoryRanges);- device 内存对应的逻辑设备。
- memoryRangeCount 指定 pMemoryRanges 数组长度。
- pMemoryRanges 指向 VkMappedMemoryRange 数组。用于配置虚拟内存到设备内存的同步。
设备内存同步到虚拟内存
当对设备内存数据修改时，如果设备内存类型 不包含 VkMemoryPropertyFlagBits::VK_MEMORY_PROPERTY_HOST_COHERENT_BIT 的话，则需要通过调用 vkInvalidateMappedMemoryRanges() 函数手动将设备内存中的数据同步（拷贝）到虚拟内存中。
vkInvalidateMappedMemoryRanges
VkResult vkInvalidateMappedMemoryRanges(
VkDevice device,
uint32_t memoryRangeCount,
const VkMappedMemoryRange* pMemoryRanges);- device 内存对应的逻辑设备。
- memoryRangeCount 指定 pMemoryRanges 数组长度。
- pMemoryRanges 指向 VkMappedMemoryRange 数组。用于配置设备内存到虚拟内存的同步。
其中 VkMappedMemoryRange 定义如下：
VkMappedMemoryRange
typedef struct VkMappedMemoryRange {
VkStructureType sType;
const void* pNext;
VkDeviceMemory memory;
VkDeviceSize offset;
VkDeviceSize size;
} VkMappedMemoryRange;- sType 是该结构体的类型枚举值， 必须 是 VkStructureType::VK_STRUCTURE_TYPE_MAPPED_MEMORY_RANGE 。
- pNext 要么是 NULL 要么指向其他结构体来扩展该结构体。
- memory 要同步的目标设备内存。
- offset 要同步的目标设备内存的偏移。单位为 字节 。
- size 要同步的目标设备内存的大小。单位为 字节 。如果为 VK_WHOLE_SIZE 则表示同步范围为 [offset, memory 结尾] 。
其中 VkMappedMemoryRange::memory 在手动同步时必须处在映射态 。
也就是 VkMappedMemoryRange::memory 必须已经通过 vkMapMemory() 将设备内存进行映射，并且没有 映射 。当内存同步结束之后，就可以进行解映射 了。
内存释放
当内存成功分配之后，一般会对该内存进行一些列写入和读取操作，当该内存不再被需要时，就可以将该内存通过调用 vkFreeMemory() 进行回收了。其定义如下：
vkFreeMemory
void vkFreeMemory(
VkDevice device,
VkDeviceMemory memory,
const VkAllocationCallbacks* pAllocator);- device 要回收 memory 在分配时所对应的逻辑设备。
- memory 要回收的目标内存。
- pAllocator 要回收 memory 在分配时所对应的句柄分配器。
参考
- https://zhuanlan.zhihu.com/p/166387973
- https://mp.weixin.qq.com/s/wCqRYpOBWbJSQqncqgXhBA
- 《Vulkan学习指南》 — [新加坡] 帕敏德·辛格（Parminder Singh）
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