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Chromium Command Buffer原理解析

2023-10-26 18:00:25

Command Buffer 是支撐 Chromium 多程序硬體加速渲染的核心技術之一。它基於 OpenGLES2.0 定義了一套序列化協定，這套協定規定了所有 OpenGLES2.0 命令的序列化格式，使得應用對 OpenGL 的呼叫可以被快取並傳輸到其他的程序中去執行（GPU程序），從而實現多個程序配合的渲染機制。

1. Command Buffer 命令的序列化

在 CommandBuffer 中共有三類命令，一類是直接對接OpenGLES的命令。例如下面的GL命令：

 

 他們的序列化格式定義為：

可以看到序列化的方式並不複雜，每個命令都有個 CommandId 和 header。header 佔用 32 位，高 21 位表示當前命令的長度，低 11 位表示命令的 Id。其他欄位表示命令的引數。

第二類命令是 CommandBuffer 自己需要用到的，這類命令稱為公共命令（common command，Id<256），比如下面這兩個：

這兩個命令一個用於建立Bucket，一個用於向Bucket中放資料（關於Bucket後面會講到）。他們都不是 OpenGL 定義的命令，是 CommandBuffer 為了自己的某種用途而新增的命令。

最後一種命令如下：

 可以看到 CommandBuffer 針對 glShaderSource 命令定義了不同的序列化格式，沒有一種是按照原本的引數來定義的，這主要是因為 glShaderSource 命令可能會傳輸比較大的資料（第3個引數），如果直接把資料通過 IPC 傳輸可能會比較低效，因此方法1將資料存放在了共用記憶體，然後在命令中保留了對共用記憶體的參照，方法2是將資料儲存在 Bucket，然後在命令中參照了 Bucket。這種處理方式主要是針對那些需要傳輸大批次資料的GL命令。

2. Command Buffer 命令的自動生成

Command Buffer 提供了三種 GL Context，分別時 GLES Context,Raster Context,WebGPU Context，它們用於不同的目的。GLES Context 用於常規的繪製，Raster Context 用於 Raster，WebGPU Context 用於 WebGPU。

在 gpu/command_buffer/gles2_cmd_buffer_functions.txt 檔案中定義了 GLES Context 使用到的 GL 命令，包括 150 多個 OpenGLES2.0 命令，以及由 19 個擴充套件提供的 230 多個擴充套件命令，在編譯過程中 gpu/command_buffer/build_gles2_cmd_buffer.py 指令碼會讀取該檔案並生成相應的 *_autogen.* 檔案。

在 gpu/command_buffer/raster_cmd_buffer_functions.txt 檔案中定義了 Raster Context 使用到的 30 多個 GL 命令，它被 gpu/command_buffer/build_raster_cmd_buffer.py 指令碼使用來生成相應的 *_autogen.* 檔案。

用於 WebGPU Context 的命令定義在 gpu/command_buffer/webgpu_cmd_buffer_functions.txt 中，被指令碼 gpu/command_buffer/build_webgpu_cmd_buffer.py 用來生成相關程式碼。

Command Buffer 通過這些自動生成的程式碼包裝了所有的 GL 呼叫，然後將這些呼叫序列化後傳送到 GPU 程序去執行。

3. Command Buffer 的架構設計

前面已經提到，Command Buffer 主要是為了解決多程序的渲染問題，因此它在設計上分兩個端，分別是 client 端和 service 端。下圖反映了 Chromium 中各種程序和 Command Buffer 中兩個端的對應關係：

 

可以看到，Browser和Render程序都是 client 端， GPU 程序是 service 端。client 端負責呼叫 GL 命令來產生繪製操作，但是這些GL命令並不會真正執行而是被序列化為 Command Buffer 命令，然後通過 IPC 傳輸到 GPU 程序，GPU 程序負責反序列化 Command Buffer 命令並最終執行 GL 呼叫。

在 Chromium 的實現中，引入了更多的概念：

  • 每個client端和server端之間都通過 IPC channel (IPC::Channel) 通道進行連線。
  • 每個 IPC channel 可以有多個排程組（scheduling groups），每個排程組稱為一個 stream，每個 stream 有自己的排程優先順序。
  • 每個 stream 可以承載多個 command buffer。
  • 每個 command buffer 都對應一個 GL context，在相同stream中的GL Context都屬於同一個share group。
  • 每個 command buffer 都包含一系列的 GL 命令。

下圖反映了 context,commandbuffer,stream,channel 之間的關係：

 下面是 Command Buffer 的模組依賴關係：

 content 模組通過呼叫 GL 或者 Skia 來產生 GL 命令， 然後 Command Buffer client 將這些 GL 命令序列化，然後通過 IPC 傳輸到了 Command Buffer service 端，service 將命令反序列化然後呼叫 ui/gl 模組執行真正的 GL 呼叫。

4. Command Buffer 命令的傳輸方式

Command Buffer 定義了三種命令傳輸方式：

  1. 命令和命令涉及到的資料都直接放在 Command Buffer 中傳輸，在多程序模式下 Command Buffer 本身位於共用記憶體中；
  2. 命令放在 Command Buffer 中，資料放在共用記憶體中，在命令中參照該共用記憶體；
  3. 先使用 SetBucketSize 命令在 service 程序中建立一個足夠大的 Bucket，然後將資料的一部分放在共用記憶體中，然後使用 SetBucketData 命令將該共用記憶體中的資料放到 service 程序的 Bucket 中，然後再放一部分資料到共用記憶體，再使用 SetBucketData 命令將資料傳輸到 service 程序中，迴圈這個操作直到將所有的資料都放到 service 程序中，最後呼叫原本的 GL 命令並參照這個 Bucket 的 Id 。Bucket 機制主要用在共用記憶體不足以存放所有要傳輸的資料的時候。由於涉及到多次資料從共用記憶體拷貝到程序空間的操作，因此效能較低。

5. Command Buffer 的具體實現

 6. 總結

Command Buffer 可以用於實現多程序的渲染架構，並且提供全平臺支援。可以通過設定 is_component_build=true 來將 Command Buffer 模組編譯為動態連結庫，從而嵌入到自己的專案中。例如，Skia 專案就提供了對 Command Buffer 的。

7. 參考文獻