在这一篇文章中，我们开始学习描述符集和统一缓冲。

统一缓冲（Uniform Buffer）的本质是显存中开辟的一块物理空间，存储着我们定义的 MVP 矩阵、光照参数等常量。

描述符集（Descriptor Set）是一个资源包句柄，它包含了 Shader 所需的一组资源引用，不仅仅是统一缓冲，还可以是贴图、采样器等。它解决了 Shader 去哪里找数据的问题。整体运作流程如下：

1. 定义合约（Layout）：VkDescriptorSetLayout 规定 Shader 里 "binding = 0" 的位置存放什么。

2. 准备空间（Pool）：VkDescriptorPool 提前向 GPU 申请一块专门管理描述符的内存。

3. 实例化（Set）：vkAllocateDescriptorSets 从池子里领一个具体的资源包。

4. 绑定数据（Update）：vkUpdateDescriptorSets 将物理 VkBuffer 的地址填进资源包。

5. 告知 GPU（Bind）：vkCmdBindDescriptorSets 在渲染时把整个包传递给管线。

本章的代码记录在 Commit 7f4fe28。如图 1 所示，我们会得到一个旋转的图形。

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如代码清单 1 所示，我们在顶点着色器中引入了统一变量，包含 MVP 变换矩阵。

1. #version 450        // Use GLSL 4.5
2.  
3. layout(location = 0) in vec3 pos;
4. layout(location = 1) in vec3 col;
5.  
6. layout(binding = 0) uniform MVP {
7.     mat4 projection;
8.     mat4 view;
9.     mat4 model;
10. } mvp;
11.  
12. layout(location = 0) out vec3 fragColor;
13.  
14. void main()
15. {
16.     gl_Position = mvp.projection * mvp.view * mvp.model * vec4(pos, 1.0);
17.     fragColor = col;
18. }

注意，在 Vulkan 中我们需要显式指定 binding。在 OpenGL 中，我们可以不写 binding，然后通过 glGetUniformLocation() 在运行时动态查询。但在 Vulkan 中，着色器和资源的连接关系必须在流水线创建时就确定。

在 Vulkan 中，binding 是着色器代码和 C++ 代码之间的约定索引。通过显式指定 binding，驱动程序不需要在运行时去查找字符串名称，直接通过索引就能找到资源，减少了 CPU 开销。

binding 也是描述符集（Descriptor Set）体系的一部分。比如 "binding = 0" 的意思是，需要在当前描述符集里寻找编号为 0 的槽位。

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代码清单 1 中的写法其实是一个 Uniform Buffer Object (UBO)。在 OpenGL 4.x+ 中也有类似的写法，但在 Vulkan 里是强制的。

Vulkan 不鼓励一个一个的传递 float 或 int。它要求我们把此处所有的变换矩阵打包成一个结构体，一次性传给 GPU。它在内存中是一个连续的块。在 C++ 端，我们也需要定义一个一模一样的结构体，然后通过 memcpy 直接把数据拷贝进显存。

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在 Vulkan 中，要让代码清单 1 中的 MVP 流程跑起来，我们需要在 C++ 代码里完成以下链路：

1. Descriptor Set Layout：它告诉 GPU，我们打算用一个包含 1 个统一缓冲的集合。

2. Descriptor Pool：提前申请一大块内存，用来存放这些“票据”（描述符）。

3. Descriptor Set：具体的实例。它会把我们的 VkBuffer（实际存放数据的地方）和着色器里的 "binding = 0" 绑定在一起。

4. Pipeline Layout：在创建流水线时，把这些布局信息填写进去。

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如果把 Vulkan 的资源连接比作“插座”和“插头”，那么 VkDescriptorSetLayoutBinding 结构体就是在定义“插座”的规格。

在 Vulkan 中，我们不能把 Buffer 丢给 Shader，我们需要先定义一个布局，告诉 GPU：在 binding 0 号位置，我们准备放一个 Uniform Buffer，而且是给顶点着色器用的。结构体的核心字段如下：

1. binding：指定槽位索引，必须和我们 GLSL 代码里面的 binding 完全对应。

2. descriptorType：指定描述符类型。此处我们指定为 VK_DESCRIPTOR_TYPE_UNIFORM_BUFFER，表示普通的 Uniform 块。

3. descriptorCount：指定描述符数量。通常填 1。如果我们想在 Shader 里传入一个数组，比如 "layout(binding = 0) uniform MyBuffer { ... } data[10];"，那么此处就填写 10。

4. stageFlags：指定失效阶段。此处我们指定为 VK_SHADER_STAGE_VERTEX_BIT，表示只有顶点着色器能用。

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我们已经定义好了单个“插座”的规格（VkDescriptorSetLayoutBinding）,下一步就是把这些插座打包，做成一整块“插线板”。

整合通过 VkDescriptorSetLayoutCreateInfo 结构体。bindingCount 和 pBindings 是最关键的字段。

然后我们通过 vkCreateDescriptorSetLayout() 函数，生成布局句柄。其函数原型为：

其中 pSetLayout 参数就是返回的布局句柄，类型为 VkDescriptorSetLayout。

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我们重温一下 VkPipelineLayoutCreateInfo 结构体，它的作用是告诉图形流水线：在这个渲染任务中，我们一共要用到多少个描述符集，以及是否有一些动态常量。

需要关注的字段是 setLayoutCount 和 pSetLayouts。在 GLSL 中，我们可以看到比如 "layout(set = 0, binding = 0)" 和 "layout(set = 1, binding = 0)"。这里的 pSetLayouts 数组索引，就直接对应的 Shader 里的 "set = N"。

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我们再重温一下之前创建 Buffer 的流程，它涉及资源定义和内存分配两个阶段：

1. vkCreateBuffer：创建一个“空壳”对象。它定义了大小和用途，但此时并没有真正的物理内存。

2. vkGetBufferMemoryRequirements：询问 GPU，这个 Buffer 需要多少内存，对齐要求是什么。

3. vkAllocateMemory：根据要求，从显存中切出一块“蛋糕”。

4. vkBindBufferMemory：把“空壳”和“蛋糕”粘在一起。

此处我们需要创建 Uniform Buffer，它的用途设置为 VK_BUFFER_USAGE_UNIFORM_BUFFER_BIT。属性设置为 VK_MEMORY_PROPERTY_HOST_VISIBLE_BIT 和 VK_MEMORY_PROPERTY_HOST_COHERENT_BIT，因为后续我们需要使用 vkMapMemory() 把 CPU 端的矩阵数据拷贝进去。

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在 Vulkan 中，描述符不是凭空产生的，它们必须从一个池子里分配出来。VkDescriptorPoolSize 结构体告诉 Vulkan，这个池子里要准备多少个某种类型的插槽。它的字段含义如下：

1. type：指定描述符的类型。必须和之前在 VkDescriptorSetLayoutBinding 中定义的一致，此处我们定义为 VK_DESCRIPTOR_TYPE_UNIFORM_BUFFER。

2. descriptorCount：指定该类型描述符的总配额。这是最容易产生误解的地方。这个数字不是指 Set 的数量，而是该类型描述符的总消耗量。比如我们有 3 帧缓冲，每一帧都需要 1 个 Uniform Buffer，那么此处的数量为 3。

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VkDescriptorPoolCreateInfo 结构体定义了整个描述符池的容量上限和行为准则。它的核心字段含义如下：

1. maxSets：指定该池子允许分配的 VkDescriptorSet 实例总数。这个值通常等于“帧数 × 每帧用到的 Set 数量”。

2. poolSizeCount 和 pPoolSizes：指定指向 VkDescriptorPoolSize 的数组。

vkCreateDescriptorPool() 函数用于在 GPU 显存中开辟出那块专门用于存放描述符的区域。其函数原型为：

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目前我们的“插线板模板”（VkDescriptorSetLayout）和“物资仓库”（ VkDescriptorPool）都已经就位。

VkDescriptorSetAllocateInfo 结构体为我们切分出真正可以使用的 VkDescriptorSet 实例。它的核心字段如下：

1. descriptorPool：指定从哪个池子里领取。

2. descriptorSetCount：指定打算领取多少个 Set。

3. pSetLayouts：指定按照哪些模板来领取。如果我们要分配 3 个结构完全一样的 Set，比如此处我们给三缓冲使用，我们需要提供一个包含 3 个相同 Layout 句柄的数组。

vkAllocateDescriptorSets() 函数将抽象的布局转化成真实的、可操作的描述符集实例。其函数原型为：

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当我们已经分配好了 Descriptor Set 并创建了 Uniform Buffer，我们需要两者之间的“导线”。即我们要哪个 Buffer 里的哪一段内存，连接到描述符插槽上。

VkDescriptorBufferInfo 结构体解决第一个问题，即要哪个 Buffer 里的哪一段内存。它的字段含义如下：

1. buffer：指定实际存储数据的 Buffer 句柄。

2. offset：指定数据在该 Buffer 中的起始偏移量。

3. range：指定要读取的数据长度。

VkWriteDescriptorSet 结构体继续解决第二个问题，即把准备好的资源送到哪个 Set 的哪个 binding 槽位里。它的核心字段如下：

1. dstSet：指定更新哪一个描述符集。

2. dstBinding：指定更新哪一个槽位，对应 GLSL 代码里的 "binding = N"。

3. descriptorCount：通常填 1。如果 Shader 里面定义的是数组，则填写元素数量。

4. pBufferInfo 和 pImageInfo：两者是互斥的。此处我们更新的是 Uniform Buffer，给 pBufferInfo 传指针，pImageInfo 设置为 NULL。

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vkUpdateDescriptorSets() 函数负责真正执行任务，把 Buffer 或 Image 的物理地址录入到描述符集。其函数原型为：

我们可以发现参数分为 Write 和 Copy 两部分：

Write 是最常用的方式。通过 VkWriteDescriptorSet 将新资源绑定到 Set。

Copy 的用法是，如果我们有一个填好的 Set A，想要把它的内容原封不动的拷贝给 Set B 的某个位置，可以用 VkDescriptorCopy。

这个函数不像 vkCmd 系列函数那样录入命令缓冲，它是立即执行的：驱动程序会读取 pDescriptorWrites，检查目标 Set 是否合法，确认 Buffer 范围是否在显存。然后将 VkBuffer 的句柄和偏移量信息直接写入到 VkDescriptorSet 对应的显存区域。

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在完成了创建 Layout、分配 Pool、写入 Buffer 这些复杂的准备工作之后，vkCmdBindDescriptorSets() 函数就是最后的绑定操作。它在录制命令缓冲时，告诉 GPU：接下来的渲染请使用这组特定的资源包。其函数原型为：

其中，commandBuffer 参数指定正在录制的命令缓冲；pipelineBindPoint 参数指定绑定点，此处指定为 VK_PIPELINE_BIND_POINT_GRAPHICS，表示用于普通渲染；layout 指定为整个管线的布局。

firstSet 参数指定从第几个 Set 索引开始绑定；descriptorSetCount 参数指定绑定多少个 Set；pDescriptorSets 参数指定具体的 Set 句柄数组。

dynamicOffsetCount 和 pDynamicOffsets 是针对 VK_DESCRIPTOR_TYPE_UNIFORM_BUFFER_DYNAMIC 这种特殊类型的。

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目前剩下的任务就是更新 MVP 矩阵的内容了。之前我们使用 vkUpdateDescriptorSets() 时，实际上是在 GPU 的“地址簿”里进行了记录，比如 binding 0 指向显存地址 0x12345678。所以这个操作只需要做一次。

后续我们直接使用 vkMapMemory 并 memcpy，就能直接修改数据。还有需要考虑更新的时机，我们可以紧接着 vkAcquireNextImageKHR() 进行。

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投影矩阵需要注意：我们使用 glm::perspective() 生成投影矩阵，但是它是为 OpenGL 设计的。在 OpenGL 中，Y 轴向上为正；而在 Vulkan 中，Y 轴向下为主。

我们有一个 hack 一点的方法，因为投影矩阵只有第二行第二列的元素作用到 Y 值，所以我们将其取反。

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