如何测量Vulkan管道的执行时间

Summary

我希望能够测量 GPU 上运行整个图形管道所花费的时间（以毫秒为单位）。目标：能够在优化代码之前/之后保存基准（下一步将是 mipmap 纹理）以查看改进。这在 OpenGL 中非常简单，但我是 Vulkan 新手，需要一些帮助。

我浏览了相关的现有答案（here https://stackoverflow.com/questions/49178289/measuring-the-time-of-the-fragment-shader-with-queries and here https://stackoverflow.com/questions/63121342/how-to-use-vulkan-timestamp-queries?rq=1），但它们实际上并没有多大帮助。而且我在任何地方都找不到代码示例，所以我敢在这里提问。

通过文档页面，我发现了一些我认为应该使用的函数，因此我设置了如下所示的功能：

1：创建查询池

void CreateQueryPool()
{
    VkQueryPoolCreateInfo createInfo{};
    createInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_QUERY_POOL_CREATE_INFO;
    createInfo.pNext = nullptr; // Optional
    createInfo.flags = 0; // Reserved for future use, must be 0!

    createInfo.queryType = VK_QUERY_TYPE_TIMESTAMP;
    createInfo.queryCount = mCommandBuffers.size() * 2; // REVIEW

    VkResult result = vkCreateQueryPool(mDevice, &createInfo, nullptr, &mTimeQueryPool);
    if (result != VK_SUCCESS)
    {
        throw std::runtime_error("Failed to create time query pool!");
    }
}

我的想法是queryCount = mCommandBuffers.size() * 2在渲染之前和之后有空间用于单独的查询时间戳，但我不知道这个假设是否正确。

2：记录命令缓冲区

// recording command buffer i:
vkCmdWriteTimestamp(mCommandBuffers[i], VK_PIPELINE_STAGE_TOP_OF_PIPE_BIT, mTimeQueryPool, i);
// render pass ...
vkCmdWriteTimestamp(mCommandBuffers[i], VK_PIPELINE_STAGE_BOTTOM_OF_PIPE_BIT, mTimeQueryPool, i);

vkCmdCopyQueryPoolResults(/* many parameters here */);

我正在寻找一些澄清：

• 写入同一个查询索引会产生什么后果？我是否需要两个单独的查询池 - 一个用于渲染前，一个用于渲染后？
• 我应该如何处理同步？我假设每个命令缓冲区都有一个单独的查询。
• 对于包含查询结果的目标缓冲区，是否足以存储具有“主机可见位”的地方，或者我是否需要暂存内存以用于“仅设备可见”？我对这个也有点迷失。

我无法找到任何关于如何测量渲染时间的在线示例，但我只是假设这是一项常见的任务，肯定在某个地方一定有一个示例。

所以，感谢@karlschultz，我设法让一些东西发挥作用。因此，为了防止其他人寻找相同的答案，我决定在这里发布我的发现。对于那里的 Vulkan 专家：如果我犯了明显的错误，请告诉我，我会在这里纠正它们！

查询池创建

我填写一个VkQueryPoolCreateInfo结构如我的问题中所述，并让它queryCount字段等于命令缓冲区数量的两倍，用于存储之前查询的空间and渲染后。

这里重要的是在使用查询之前重置查询池中的所有条目，and写入查询后重置查询。这需要进行一些更改：

1）询问图形队列是否支持时间戳

当选择图形队列系列时，结构体VkQueueFamilyProperties有一个字段timestampValidBits必须大于0，否则队列族不能用于时间戳查询！

2）确定时间戳周期

物理设备包含一个特殊值，该值指示时间戳查询加 1 所需的纳秒数。这对于将查询结果解释为例如纳秒或毫秒。该值是一个float，并且可以通过调用来检索vkGetPhysicalDeviceProperties并看着田野VkPhysicalDeviceProperties.limits.timestampPeriod.

3）请求查询重置支持

在逻辑设备创建期间，必须填写一个结构并将其添加到pNext链以启用主机查询重置功能：

VkDeviceCreateInfo createInfo{};
VkPhysicalDeviceHostQueryResetFeatures resetFeatures;
resetFeatures.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_PHYSICAL_DEVICE_HOST_QUERY_RESET_FEATURES;
resetFeatures.pNext = nullptr;
resetFeatures.hostQueryReset = VK_TRUE;

createInfo.pNext = &resetFeatures;

4) 记录命令缓冲区

时间戳查询应该在渲染过程的范围之外，如下所示。由于管道阶段（潜在的）时间重叠，无法测量单个着色器（例如片段着色器）的运行时间，只能测量整个管道或渲染通道范围之外的任何内容。

vkCmdWriteTimestamp(mCommandBuffers[i], VK_PIPELINE_STAGE_TOP_OF_PIPE_BIT, mTimeQueryPool, i * 2);

vkCmdBeginRenderPass(/* ... */);

// render here...

vkCmdEndRenderPass(mCommandBuffers[i]);

vkCmdWriteTimestamp(mCommandBuffers[i], VK_PIPELINE_STAGE_BOTTOM_OF_PIPE_BIT, mTimeQueryPool, i * 2 + 1);

5) 检索查询结果

为此我们有两种方法：vkCmdCopyQueryPoolResults and vkGetQueryPoolResults。我选择使用后者，因为它极大地简化了设置并且不需要与 GPU 缓冲区同步。

鉴于我有一个交换链索引（在我的场景中，命令缓冲区索引也是如此！），我有这样的设置：

void FetchRenderTimeResults(uint32_t swapchainIndex)
{
    uint64_t buffer[2];

    VkResult result = vkGetQueryPoolResults(mDevice, mTimeQueryPool, swapchainIndex * 2, 2, sizeof(uint64_t) * 2, buffer, sizeof(uint64_t),
    VK_QUERY_RESULT_64_BIT);
    if (result == VK_NOT_READY)
    {
        return;
    }
    else if (result == VK_SUCCESS)
    {
        mTimeQueryResults[swapchainIndex] = buffer[1] - buffer[0];
    }
    else
    {
        throw std::runtime_error("Failed to receive query results!");
    }

    // Queries must be reset after each individual use.
    vkResetQueryPool(mDevice, mTimeQueryPool, swapchainIndex * 2, 2);
}

变量mTimeQueryResults指的是std::vector<uint64_t>其中包含每个交换链的结果。我使用它通过使用步骤 2) 中确定的时间戳周期来计算每秒的平均渲染时间。

并且一定不要忘记通过调用来清理查询池vkDestroyQueryPool.

省略了很多细节，对于像我这样的 Vulkan 菜鸟来说，这个设置很可怕，花了几天时间才弄清楚。希望这能减轻其他人的头痛。

更多信息在文档 https://www.khronos.org/registry/vulkan/specs/1.1-extensions/html/vkspec.html#queries-timestamps.