1. 前言

D3D12伴隨DirectX12自2014年正式釋出以來已經近3年多時間了。遺憾的是我最近才有時間仔細研究D3D12介面及程式設計方面的內容。D3D12給我總體的感覺用一句話來概括就是——D3D12是一個“顯示卡作業系統！”。
得益於我對Windows核心程式設計的深入瞭解和掌握，突然發現掌握起D3D12多執行緒渲染時居然可以無障礙學習，看來並不是學過的東西都會過時，這也是讓我暗自竊喜的地方。正所謂“眾裡尋他千百度，驀然回首，那人卻在燈火闌珊處！”
對比自D3D11中添加了對多執行緒渲染的支援以後，D3D12更是將多執行緒渲染支援發揮到了極致。如果說D3D11中對多執行緒渲染的支援還只是停留在“小荷才露尖尖角”的話，那麼D3D12中的多執行緒渲染則是一番“接天蓮葉無窮碧，映日荷花別樣紅”的盛況了。
本文就將從概念、程式設計原理、程式設計框架方面解刨一下D3D的多執行緒渲染技術。因本人知識水平有限，同時期待您的閱讀與批評指正！

2. D3D11多執行緒渲染基本原理

在D3D11中，對於多執行緒渲染的支援主要可以概括為幾個“小點”：
首先利用ID3D11Device::CreateDeferredContext方法建立一個（或多個）延遲渲染（Deferred Device Context）的裝置上下文介面ID3D11DeviceContext；
接著利用這個Deferred Device Context介面呼叫諸如：IASetPrimitiveTopology、IASetInputLayout、RSSetState、OMSetBlendState 、OMSetDepthStencilState、DrawIndexed、DrawIndexedInstanced（最後兩個為Draw Call）等等方法（可以統稱為命令）像往常一樣進行渲染呼叫；
所有的渲染呼叫都結束後，接著呼叫ID3D11DeviceContext::FinishCommandList方法，得到一個ID3D11CommandList介面；
最終通過即時裝置介面（Immediate Device Context）的ID3D11DeviceContext::ExecuteCommandList方法執行這個Command List；
當所有的Command List都Execute完成之後，就可以呼叫IDXGISwapChain::Present方法呈現最終渲染畫面了。
其中最（ling）最（ren）吸（jing）引（tan）人的就是Deferred Device Context的ID3D11DeviceContext介面可以有多個，並且每一個可以在不同的CPU執行緒（Windows執行緒）中分別記錄命令（Command），然後提交給Immediate Device Context所對應的CPU執行緒（Windows執行緒）進行Execute（MSDN中稱之為Queues commands，這不是巧合！），然後也在同樣的執行緒中呼叫Present即可。這也就是D3D11多執行緒渲染的全部核心奧祕了。
當然這不是全貌，只是一個示意性的核心原理說明，但至少說明使用D3D11加入多執行緒渲染在程式設計原理和具體實現上其實並不複雜。在D3D11中命令列表中的命令（其實主要是CPU傳送給GPU執行的命令）是被快速記錄下來，而不是立即執行的（包括那些可怕的被稱之為Draw Call的效能殺手，當然一定要記得升級你的顯示卡驅動程式），直到你呼叫ExecuteCommandList方法（呼叫即返回，不等待）才被GPU真正的執行，此時那些使用延遲渲染裝置介面的CPU執行緒以及主渲染執行緒（不一定是程序的主執行緒，此處是指呼叫Immediate Device Context::ExecuteCommandList方法的執行緒）又可以去幹別的事情了，比如繼續下一幀的輸入變換、碰撞檢測、物理變換、動畫矩陣調色盤準備、光照準備等等，從而為記錄形成新的命令列表做準備。而此時GPU就忙碌的開始執行渲染命令了。這也就是延遲渲染裝置名字的真正含義。最終這就形成了CPU和GPU同時都在忙碌的高效渲染效果。
而在擁有D3D11多執行緒渲染之前，CPU和GPU的工作就好像兩個人打檯球一樣，一個擊球時，另一個只能在旁邊觀望（CPU執行緒在Draw Call上等待GPU完成渲染）。如果你對遊戲程式設計瞭解深刻的話，你就會明白，讓任何硬體裝置閒置等待另一個裝置工作完成都是嚴重的犯罪（我們不怕費電）！而D3D11引入的多執行緒渲染，不但讓CPU和GPU可以同時處於忙碌狀態，更讓現代多核CPU及多GPU（前提是你要很有錢！）並行執行任務的能力得到根本上的解放。由此也可以看出來多執行緒渲染也是為解放生產力而生！

3. D3D12多執行緒渲染基本原理

而在D3D12中多執行緒渲染與D3D11中是異曲同工的：
首先在D3D12中利用命令佇列（Command Queue 介面：ID3D12CommandQueue）代替了ID3D11DeviceContext介面，更準確的說是代替了Immediate Device Context的ID3D11DeviceContext介面（名字差別好大的樣子…注意前面的小暗示），在D3D12中不論什麼佇列（Queues）都需要自己建立，而不是像D3D11中Immediate Device Context伴隨ID3D11Device一同被建立。
在D3D12中Command Queue被進一步細分為D3D12_COMMAND_LIST_TYPE_DIRECT（直接命令佇列）, D3D12_COMMAND_LIST_TYPE_BUNDLE（捆綁包）, D3D12_COMMAND_LIST_TYPE_COMPUTE（計算命令佇列）,D3D12_COMMAND_LIST_TYPE_COPY（複製命令佇列）, D3D12_COMMAND_LIST_TYPE_VIDEO_DECODE（視訊解碼命令佇列）, D3D12_COMMAND_LIST_TYPE_VIDEO_PROCESS（視訊處理命令佇列）。
不論什麼命令佇列，它們本質上就是用來執行命令列表的，相當於D3D11中的Immediate Device Context，同樣也是呼叫ExecuteCommandLists方法來執行命令列表。因此從其豐富的種類就可以感受到D3D12中命令佇列本身就已經開始大大擴充套件了。
在D3D12中也有與D3D11中相類似的命令列表的概念，具體是用ID3D12GraphicsCommandList介面來表達，它就相當於D3D11中的Deferred Device Context。當然其內涵比在D3D11中要豐富的多，在D3D11中記錄命令列表是由Deferred Device Context代俎越庖的，也就是我們按邏輯呼叫一堆ID3D11DeviceContext的方法，結束的時候使用FinishCommandList方法得到一個命令佇列的介面ID3D11CommandList，而這個介面幾乎沒什麼方法，僅僅是個“概念標誌物”，或者直白的說就是僅僅代表GPU上的一個命令佇列而已，其自身並沒有什麼方法可供呼叫。而在D3D12中ID3D12GraphicsCommandList卻包含了幾乎所有的可供放入命令佇列中的命令方法（幾乎全部是渲染相關的方法），並且在D3D12中命令佇列本身是被建立的，使用的是ID3D12Device::CreateCommandList方法，有了這個介面以後你就可以在對應的其它CPU執行緒中按照渲染邏輯呼叫ID3D12GraphicsCommandList介面的方法生成一個命令列表（Command List）了，通常這個過程被稱作“記錄（或錄製）”一個命令列表。同樣錄製只是說記錄了你呼叫的順序和使用的資源（CPU從記憶體傳入視訊記憶體），而不是立即執行這些方法，這些方法都會快速返回，因為是CPU呼叫這些方法，這個過程可以想象為你到餐館去點菜，並不是你點一個菜，就做一個菜上一個菜再點下一個，而是生成一個選單（Command Lists），統一提交到廚房（Queues Commands & Execute）。對應於不同的命令佇列，命令列表也分為很多種類，基本上就是有多少種命令佇列，就有多少種命令列表。
最後在命令列表（Command Lists）記錄完成後，與D3D11中相同，提交到對應的命令佇列（Command Queues）上去執行（ExecuteCommandLists）即可。
在命令佇列執行命令列表的對應關係上，D3D12中基本的原則就是直接命令佇列幾乎可以執行所有種類的命令列表，而其它的命令佇列只能執行對應種類的命令列表，如複製命令佇列原則上只執行復制命令列表。
最終當所有的命令列表都執行結束後，主渲染執行緒（這時往往指的就是執行直接命令佇列的CPU執行緒了）再呼叫Present方法將最終畫面呈現出來即可。
需要注意的就是在D3D12中最終的Execute Command Lists操作也是立即返回，此時CPU執行緒可以進行其它的操作，而GPU就同時忙著執行各種渲染命令了，只有到所有都結束後才呼叫Present。當然這很好理解，在所有渲染沒有完成之前，後臺緩衝區裡還不是我們想要的最終畫面。
由此可以看出，至少從原理上來說D3D12與D3D11多執行緒渲染框架基本是一致的。都是通過在不同的CPU執行緒中錄製命令列表（Command Lists），最後再統一執行（Execute）的方式完成多執行緒渲染。並且都從根本上遮蔽了令人髮指的Draw Call同步呼叫，而改為CPU和GPU完全非同步執行的方式（並行！），從而在整體渲染效率和效能上獲得巨大的提升。
當然如果你看到這裡就覺得原來D3D12與D3D11在多執行緒渲染上沒多大區別，或者D3D12相對於D3D11沒多大改進的話，甚至認為我說D3D12是一個顯示卡作業系統有些太誇張了的話，那麼我只能說你圖樣圖森破了！當然你能理解到這一步，也已經非常不錯了，至少說明你不但明白了D3D11多執行緒渲染是怎麼回事，同時對D3D12的多執行緒渲染框架也有了一個初步的認識。
接下來就讓我們更詳細的瞭解下D3D12多執行緒渲染的一些更深入的內容（注意還不是細節，本文中我不打算寫過多細節，那樣這篇文章會被寫成一本書的，考慮到我還要養家餬口，所以你懂的！）