Android GPU编程入门指南：从OpenGL ES到Vulkan的实践路径

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移动端 GPU 编程与桌面端有着显著差异，这主要体现在三个方面：

功耗限制：移动设备的电池容量有限，GPU 渲染需要特别注意功耗控制。过高的负载会导致设备发热和性能下降。
碎片化问题：Android 设备的 GPU 型号众多，不同厂商的驱动实现可能存在差异，这增加了兼容性问题的风险。
内存限制：移动设备的内存资源相对有限，需要特别关注内存管理和资源释放。

移动端 GPU 编程主要有两种 API 选择：OpenGL ES 和 Vulkan。它们在架构设计上存在显著差异：

上下文管理
OpenGL ES 使用全局状态机模型，上下文切换成本较高
Vulkan 采用显式对象管理，可以更好地控制资源生命周期
线程模型
OpenGL ES 对多线程支持有限，通常需要在单一渲染线程操作
Vulkan 原生支持多线程，可以并行创建命令缓冲区
内存管理
OpenGL ES 采用隐式内存管理，驱动自动处理内存分配
Vulkan 要求开发者显式管理内存，控制粒度更细

下面是一个简单的三角形渲染实现，使用 Kotlin 编写：

// EGL 初始化部分
val egl = EGL14.eglGetDisplay(EGL14.EGL_DEFAULT_DISPLAY)
EGL14.eglInitialize(egl, intArrayOf(0), 0, intArrayOf(0), 0)

val configAttribs = intArrayOf(
    EGL14.EGL_RENDERABLE_TYPE, EGL14.EGL_OPENGL_ES2_BIT,
    EGL14.EGL_SURFACE_TYPE, EGL14.EGL_WINDOW_BIT,
    EGL14.EGL_RED_SIZE, 8,
    EGL14.EGL_GREEN_SIZE, 8,
    EGL14.EGL_BLUE_SIZE, 8,
    EGL14.EGL_ALPHA_SIZE, 8,
    EGL14.EGL_DEPTH_SIZE, 16,
    EGL14.EGL_NONE
)

// 创建 OpenGL ES 上下文
val contextAttribs = intArrayOf(
    EGL14.EGL_CONTEXT_CLIENT_VERSION, 3,
    EGL14.EGL_NONE
)
val context = EGL14.eglCreateContext(egl, config, EGL14.EGL_NO_CONTEXT, contextAttribs, 0)

// 顶点着色器 (GLSL 300 es)
val vertexShader = """
#version 300 es
layout(location = 0) in vec4 vPosition;
void main() {gl_Position = vPosition;}
"""

// 片段着色器
val fragmentShader = """
#version 300 es
precision mediump float;
out vec4 fragColor;
void main() {fragColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);
}
"""

Vulkan 的初始化过程更为复杂，下面是核心流程：

创建 Instance

val appInfo = VkApplicationInfo.calloc()
    .sType(VK_STRUCTURE_TYPE_APPLICATION_INFO)
    .pApplicationName("VulkanApp")
    .applicationVersion(1)
    .pEngineName("NoEngine")
    .engineVersion(1)
    .apiVersion(VK_API_VERSION_1_0)

val createInfo = VkInstanceCreateInfo.calloc()
    .sType(VK_STRUCTURE_TYPE_INSTANCE_CREATE_INFO)
    .pApplicationInfo(appInfo)

val ppInstance = MemoryUtil.memAllocPointer(1)
vkCreateInstance(createInfo, null, ppInstance)
val instance = VkInstance(ppInstance.get(0), createInfo)

交换链配置

val surfaceCapabilities = VkSurfaceCapabilitiesKHR.calloc()
vkGetPhysicalDeviceSurfaceCapabilitiesKHR(physicalDevice, surface, surfaceCapabilities)

val presentModeCount = intArrayOf(0)
vkGetPhysicalDeviceSurfacePresentModesKHR(physicalDevice, surface, presentModeCount, null)

纹理压缩格式选择
ASTC：支持多种块尺寸，压缩质量高，但需要硬件支持
ETC2：所有支持 OpenGL ES 3.0 的设备都必须支持，兼容性更好
绘制调用批处理
使用实例化渲染(glDrawArraysInstanced)
合并相似对象的绘制调用
使用纹理数组代替多个单独纹理
GPU 时间戳查询

// 创建查询池
val queryPoolInfo = VkQueryPoolCreateInfo.calloc()
    .sType(VK_STRUCTURE_TYPE_QUERY_POOL_CREATE_INFO)
    .queryType(VK_QUERY_TYPE_TIMESTAMP)
    .queryCount(2)

val pQueryPool = MemoryUtil.memAllocLong(1)
vkCreateQueryPool(device, queryPoolInfo, null, pQueryPool)
val queryPool = pQueryPool.get(0)