Vulkan系列教程—VMA教程（三）—内存映射（Memory Mapping）-摩杜云开发者社区

前言

VMA（Vulkan Memory Allocator），是AMD提供的Vulkan内存分配管理器，那么Vulkan的内存分配为何要使用VMA这种内存分配器呢？原因就在于其显存的分配次数是有限的（比如4096次），那么我们就需要分配一整块显存，然后自己使用offset以及size来进行分割使用，这个过程冗长繁杂，而且容易出错，那么VMA就成为了我们管理Vulkan内存的首要选择。

Memory Mapping技术，是指把Vulkan当中生成的任何内存（VkDeviceMemory）映射到CPU端的一个void*指针的过程，这样我们就可以从CPU端读取或者写入这块内存。这种可以映射的内存可能只能适用于拥有VK_MEMORY_PROPERTY_HOST_VISIBLE_BIT标识符的内存块。在Vulkan当中，我们是使用vkMapMemory这个函数进行映射操作，使用vkUnmapMemory这个函数进行映射解除操作。你可以直接使用Vulkan的这两个函数对VMA生成的内存进行操作，但是呢，我们并不推荐这么做，因为：多次对同一块VkDeviceMemory进行Mapping的操作，在Vulkan当中是禁止的，一块内存只能够Mapping一次。所以在Vulkan当中，Mapping这个操作是没有操作计数这一说的，在VMA当中，我们就能够做到操作计数以及多次映射。

一、Mapping Functions

VMA（Vulkan Memory Allocator）提供了如下函数进行映射以及关闭映射操作： vmaMapMemory(), vmaUnmapMemory()。这组函数比Vulkan更加的便捷且安全。你可以同时对同一块内存（VmaAllocation）进行多次Mapping操作——Mapping这个操作是拥有操作计数的（Mapping一次就+1，UnMapping一次就-1）。对于多个VmaAllocation，他们可能来自同一个VkDeviceMemory，那么你仍然可以对他们进行各自的Mapping操作，这是安全的！原因是，VMA对于每一个VmaAllocation的Mapping操作，其实是把整个内存Chunk都进行了Mapping操作，并不是只Mapping了一个区域，我们可以这么写代码：

代码如下（示例）：

// Having these objects initialized:
 
struct ConstantBuffer
{
    ...
};
ConstantBuffer constantBufferData;
 
VmaAllocator allocator;
VkBuffer constantBuffer;
VmaAllocation constantBufferAllocation;
 
// You can map and fill your buffer using following code:
 
void* mappedData;
vmaMapMemory(allocator, constantBufferAllocation, &mappedData);
memcpy(mappedData, &constantBufferData, sizeof(constantBufferData));
vmaUnmapMemory(allocator, constantBufferAllocation);

当进行Mapping操作的时候，你可能在Vulkan的Validation Layer看到一个警告：

Mapping an image with layout VK_IMAGE_LAYOUT_DEPTH_STENCIL_ATTACHMENT_OPTIMAL can result in undefined behavior if this memory is used by the device. Only GENERAL or PREINITIALIZED should be used.

这个警告被发出，是因为VMA把整个VkDeviceMemory都给映射了，不同的Image或者Buffer可能会在同一块内存上，特别是在集成显卡上（比如Intel），如果你有完全把握，可以忽略这个警告。

二、Persistently mapped memory（永久Mapping）

在 Vulkan当种，我们可以永久的让一块内存处于Mapping状态。在GPU使用数据前你可以不进行Unmapping操作。VMA定义了一个特殊的特性Flags：使用VMA_ALLOCATION_CREATE_MAPPED_BIT 这个标识符生成的VmaAllocation会永久性的保持Mapping状态，你可以通过VkAllocationInfo这个结构体对象的pMappedData成员对内存进行直接访问，你可以这么写代码：

代码如下（示例）：

VkBufferCreateInfo bufCreateInfo = { VK_STRUCTURE_TYPE_BUFFER_CREATE_INFO };
bufCreateInfo.size = sizeof(ConstantBuffer);
bufCreateInfo.usage = VK_BUFFER_USAGE_TRANSFER_SRC_BIT;
 
VmaAllocationCreateInfo allocCreateInfo = {};
allocCreateInfo.usage = VMA_MEMORY_USAGE_CPU_ONLY;
allocCreateInfo.flags = VMA_ALLOCATION_CREATE_MAPPED_BIT;
 
VkBuffer buf;
VmaAllocation alloc;
VmaAllocationInfo allocInfo;
vmaCreateBuffer(allocator, &bufCreateInfo, &allocCreateInfo, &buf, &alloc, &allocInfo);
 
// Buffer is already mapped. You can access its memory.
memcpy(allocInfo.pMappedData, &constantBufferData, sizeof(constantBufferData));

当然，在某些情况下，你也得考虑只对内存进行短时间的Mapping操作：

当系统是Windows7或者8.x（Windows10不会受到影响，因为他使用了WDDM2图形驱动模型），设备是AMD独显，并且分配的内存是符合DEVICE_LOCAL + HOST_VISIBLE 特性的那个特殊的256M内存（也就是选择了VMA_MEMORY_USAGE_CPU_TO_GPU）。如果本内存满足如上所有条件且做了永久Mapping，那么当调用vkQueueSubmit()或者vkQueuePresentKHR()的时候，那么命令当中绑定的或者关联的内存就会被WDDM（Windows图形驱动模型）给移动到RAM当中，就会降低运行效率。这个行为不管本内存是否真正被提交的命令使用到了，都会触发。
保持大的内存块Mapping状态，会影响运行效率，并且影响Debug工具的稳定性。

三、Cache flush and invalidate

在Vulkan当中，除非GPU上要使用，你是不需要对Mapped内存进行UnMap操作的。但是呢，如果这块内存不具备VK_MEMORY_PROPERTY_HOST_COHERENT_BIT这个能力的话，CPU与GPU的数据就无法及时更新入内存（存在缓存）。你就得在CPU端读取之前，调用invalidate cache操作；在CPU写入数据后，进行flush cache操作（CPU的Cache到主存RAM都会有一些延迟）。Map/UnMap并不会自动的执行相关操作。所以Vulkan提供了vkFlushMappedMemoryRanges(), vkInvalidateMappedMemoryRanges()作为CPU写入/CPU读取相关的刷新函数。VMA提供了更为方便的接口 vmaFlushAllocation(), vmaInvalidateAllocation()，并且我们可以同时操作多个内存，使用如下接口： vmaFlushAllocations(), vmaInvalidateAllocations()。

当不使用VK_MEMORY_PROPERTY_HOST_COHERENT_BIT的时候，我们flush/invalidate的内存区域大小需要符合VkPhysicalDeviceLimits::nonCoherentAtomSize的基本对齐。VMA会自动保证这个对齐。在任何的HOST_VISIBLE且非HOST_COHERENT的内存当中，所有的内存分配都是自动符合这个规则的。所以他们的offset值总是nonCoherentAtomSize的整数倍且两个不同的allocation是不会在同一个AtomSize内部重叠的。

请注意使用VMA_MEMORY_USAGE_CPU_ONLY 这种方式分配的VMA内存是保证HOST_COHERENT的。

当然，作为Windows的图形驱动，在如下三个GPU供应商上（AMD，Intel，NVIDIA），只要本内存拥有HOST_VISIBLE属性，就直接打开了HOST_COHERENT，所以在这些平台上你不需要烦恼这个问题哦。

四、检查内存是否可Mapping

在VMA当中，可能在你没有强制要求的情况下，给你分配的内存就拥有了HOST_VISIBLE的属性。比如你在Intel的集成显卡上工作或者在显存上分配失败而给到了你一个RAM的内存作为补偿。

你可以检测这种情况是否发生，如果发生了就可以直接对内存进行Mapping操作，从而直接操作其数据。为了做到这点，你可以调用 vmaGetAllocationMemoryProperties()，然后看下是否拥有VK_MEMORY_PROPERTY_HOST_VISIBLE_BIT这个Flag。你可以这么写代码：

代码如下（示例）：

VkBufferCreateInfo bufCreateInfo = { VK_STRUCTURE_TYPE_BUFFER_CREATE_INFO };
bufCreateInfo.size = sizeof(ConstantBuffer);
bufCreateInfo.usage = VK_BUFFER_USAGE_UNIFORM_BUFFER_BIT | VK_BUFFER_USAGE_TRANSFER_DST_BIT;
 
VmaAllocationCreateInfo allocCreateInfo = {};
allocCreateInfo.usage = VMA_MEMORY_USAGE_GPU_ONLY;
allocCreateInfo.preferredFlags = VK_MEMORY_PROPERTY_HOST_VISIBLE_BIT;
 
VkBuffer buf;
VmaAllocation alloc;
vmaCreateBuffer(allocator, &bufCreateInfo, &allocCreateInfo, &buf, &alloc, nullptr);
 
VkMemoryPropertyFlags memFlags;
vmaGetAllocationMemoryProperties(allocator, alloc, &memFlags);
if((memFlags & VK_MEMORY_PROPERTY_HOST_VISIBLE_BIT) != 0)
{
    // Allocation ended up in mappable memory. You can map it and access it directly.
    void* mappedData;
    vmaMapMemory(allocator, alloc, &mappedData);
    memcpy(mappedData, &constantBufferData, sizeof(constantBufferData));
    vmaUnmapMemory(allocator, alloc);
}
else
{
    // Allocation ended up in non-mappable memory.
    // You need to create CPU-side buffer in VMA_MEMORY_USAGE_CPU_ONLY and make a transfer.
}

你也可以直接使用VMA_ALLOCATION_CREATE_MAPPED_BIT这个标识符直接创建Allocation（这个不一定是HOST_VISIBLE的要求），如果得到的内存属于HOST_VISIBLE，那么就可以测试下VmaALlocationInfo当中的pMappedData这个成员，看看是否已经被开启了永久Mapping，你可以这么写代码：

代码如下（示例）：

VkBufferCreateInfo bufCreateInfo = { VK_STRUCTURE_TYPE_BUFFER_CREATE_INFO };
bufCreateInfo.size = sizeof(ConstantBuffer);
bufCreateInfo.usage = VK_BUFFER_USAGE_UNIFORM_BUFFER_BIT | VK_BUFFER_USAGE_TRANSFER_DST_BIT;
 
VmaAllocationCreateInfo allocCreateInfo = {};
allocCreateInfo.usage = VMA_MEMORY_USAGE_GPU_ONLY;
allocCreateInfo.flags = VMA_ALLOCATION_CREATE_MAPPED_BIT;
 
VkBuffer buf;
VmaAllocation alloc;
VmaAllocationInfo allocInfo;
vmaCreateBuffer(allocator, &bufCreateInfo, &allocCreateInfo, &buf, &alloc, &allocInfo);
 
if(allocInfo.pMappedData != nullptr)
{
    // Allocation ended up in mappable memory.
    // It is persistently mapped. You can access it directly.
    memcpy(allocInfo.pMappedData, &constantBufferData, sizeof(constantBufferData));
}
else
{
    // Allocation ended up in non-mappable memory.
    // You need to create CPU-side buffer in VMA_MEMORY_USAGE_CPU_ONLY and make a transfer.
}

总结

以上就是今天的内容，大家对于vulkan的学习，也可以参考我出品的vulkan系列教程，下面给大家贴出链接。

Vulkan原理与实战—铸造渲染核武器—基石篇