DX12中的异步计算模式：如何利用异步计算优化游戏性能


参考资源链接：[龙书DX12版：入门指南与差异化阅读策略](https://wenku.csdn.net/doc/64643a7d5928463033c1d601?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. DX12异步计算模式概述

DirectX 12引入了异步计算模式，这是一个革命性的特性，旨在提升图形处理效率和游戏性能。在这一章中，我们将对DX12的异步计算模式进行概述，探讨其对于现代游戏和应用程序的潜在影响。

## 1.1 异步计算模式的起源

异步计算并非新鲜事物，但在DX12中，它得到了更深层次的整合和优化。开发者可以利用这一模式减少CPU和GPU之间的等待时间，让CPU在GPU工作时执行其他任务，从而提高资源利用率和整体性能。

## 1.2 异步计算模式的优势

异步计算模式的优势主要体现在其能够减少渲染延迟和提升帧率。此外，它可以更加有效地利用多核心CPU资源，实现真正的并行处理，这对于现代多核心处理器的游戏和应用程序来说是非常有益的。

## 1.3 异步计算模式在DX12中的实现

在DX12中，异步计算模式通过创建命令列表和命令队列来实现。开发者可以并行地提交渲染和计算任务到不同的队列，让GPU自主地管理这些任务，实现更高效的处理。这种方式使得GPU在处理图形渲染的同时，CPU可以进行物理计算、AI处理等其他工作，显著提升了处理效率。

# 2. 异步计算基础理论

### 2.1 异步计算的定义和原理

异步计算是一种先进的计算模型，它允许程序的不同部分独立地执行，不需要等待前一个操作完成即可开始后续操作。与传统的同步计算模式相比，异步计算能够提高资源利用率和系统的吞吐量。

#### 2.1.1 传统图形管线与异步计算的对比

在传统的图形管线中，每一步操作都必须等待前一个步骤完成后才能开始。这样的顺序执行方式虽然简单直观，但在多核处理器和高度并行的硬件结构中，这种方式并不能有效地利用所有可用的计算资源。

相比之下，异步计算允许渲染和计算任务相互独立地执行，从而大幅提高了并行处理能力。这种模式特别适用于那些高负载的计算任务，它们可以独立于图形渲染管线之外运行。

#### 2.1.2 异步计算在图形处理中的作用

异步计算在图形处理中起到至关重要的作用，尤其是在复杂场景渲染和高精度物理模拟方面。它允许游戏引擎在执行渲染任务的同时，对复杂的物理模拟进行计算，而不必阻塞渲染管线。这样的计算模式可以显著减少帧渲染时间，提升游戏性能。

### 2.2 DX12中的异步计算架构

DirectX 12 引入了对异步计算的原生支持，这使得开发者可以更高效地利用现代GPU的并行处理能力。

#### 2.2.1 硬件加速与异步计算

硬件加速是异步计算的基础，因为它提供了执行异步任务所需的并行处理能力。在硬件层面，现代GPU设计为高度并行化的处理单元，非常适合执行独立的计算任务。

DX12通过减少CPU与GPU之间的通信开销，并允许直接进行异步资源传输，使得硬件加速的能力得到了更好的发挥。

#### 2.2.2 Direct3D 12异步资源传输模型

Direct3D 12引入了一个新的异步资源传输模型，它允许开发者利用GPU的计算和图形处理能力来执行渲染和计算任务，而无需等待同步的完成。通过引入命令队列和Fences（栅栏）等概念，开发者可以控制资源传输的时机和顺序，优化GPU和CPU的工作负载。

#### 2.2.3 异步计算与计算着色器

DX12中的计算着色器（Compute Shaders）是实现异步计算的关键技术之一。计算着色器允许开发者编写通用的计算任务代码，这些代码可以在GPU上独立于传统的渲染管线之外执行。

例如，物理模拟、AI计算等耗时任务可以使用计算着色器进行异步执行，这样不仅可以利用GPU的强大计算能力，而且还可以避免影响游戏的渲染性能。

// 示例：DX12中的计算着色器代码片段
[numthreads(8,8,1)]
void CSMain(uint3 dispatchThreadID : SV_DispatchThreadID)
{
    // 执行独立的计算任务
    // 例如，处理一个像素点的颜色值
    uint index = dispatchThreadID.x + dispatchThreadID.y * DispatchWidth;
    Color[index] = ComputePixelColor(index);
}

以上代码展示了如何使用计算着色器处理一个像素点的颜色值。`numthreads`属性定义了每个工作组内线程的数量，而`SV_DispatchThreadID`是系统值，表示当前线程的索引。这个计算任务可以在GPU上独立于渲染管线执行，从而实现异步计算。

在实际应用中，开发者需要仔细规划如何将任务分配到不同的计算着色器中，并确保它们不会互相冲突。此外，异步计算任务的执行还需要考虑到同步问题，以确保在执行过程中数据的一致性和正确性。

# 3. 异步计算技术实践

## 3.1 异步计算的编程模型
### 3.1.1 创建和管理异步计算任务

在Direct3D 12中，异步计算任务的创建和管理是通过Command List和Fence来实现的。这些组件允许开发者把渲染任务分解为可以在后台处理的更小的单元，从而不会阻塞CPU和GPU之间的流水线。

// 创建Command List
ID3D12CommandList* pCommandList = nullptr;
m_device->CreateCommandList(0, D3D12_COMMAND_LIST_TYPE_DIRECT, m_commandAllocator, m_pipelineState, IID_PPV_ARGS(&pCommandList));

// 使用Command List
pCommandList->Reset(m_commandAllocator, m_pipelineState);
pCommandList->SetPipelineState(m_pipelineState);
pCommandList->SetGraphicsRootSignature(m_rootSignature);
pCommandList->IASetVertexBuffers(0, 1, &m_vertexBufferView);
pCommandList->DrawInstanced(m_vertexCount, 1, 0, 0);

// 提交Command List
pCommandList->Close();
m_commandQueue->ExecuteCommandLists(1, (ID3D12CommandList* const*)&pCommandList);

上述代码展示了创建并使用一个Command List的基本流程。创建后，可以对Command List进行各种状态设置和渲染操作。执行完成后，提交到Command Queue中，以便GPU可以按照顺序执行这些操作。

### 3.1.2 异步计算与同步点的协调

异步计算中的同步点用于确保多个任务间的执行顺序，以及在需要时防止资源竞争。在Direct3D 12中，Fence对象可以实现这一功能。

// 创建Fence
UINT64 fenceValue = m fences[m_frameIndex]->GetCompletedValue();
if (fenceValue < m fenceValues[m_frameIndex])
{
    HANDLE eventHandle = CreateEventEx(nullptr, FALSE, FALSE, EVENT_ALL_ACCESS);
    m fences[m_frameIndex]->SetEventOnCompletion(fenceValue, eventHandle);