面试题：Objective-C中Metal图形API的性能优化策略

1. 优化渲染管道状态对象（PSO）的创建和使用

复用PSO：

在Metal中，创建渲染管道状态对象（MTLRenderPipelineState）开销较大。尽量复用已创建的PSO，而不是在每次渲染时都创建新的。
例如，对于具有相同渲染状态（如顶点函数、片段函数、颜色附着格式等）的多个绘制调用，可以使用同一个PSO。可以通过一个字典来管理不同配置的PSO，以渲染状态的组合作为键，PSO对象作为值。
代码示例：

NSMutableDictionary<NSString *, id<MTLRenderPipelineState>> *pipelineStateCache = [NSMutableDictionary dictionary];
NSString *pipelineKey = [NSString stringWithFormat:@"%@_%@_%@", vertexFunctionName, fragmentFunctionName, colorAttachmentPixelFormat];
id<MTLRenderPipelineState> pipelineState = pipelineStateCache[pipelineKey];
if (!pipelineState) {
    MTLRenderPipelineDescriptor *pipelineStateDescriptor = [[MTLRenderPipelineDescriptor alloc] init];
    pipelineStateDescriptor.vertexFunction = vertexFunction;
    pipelineStateDescriptor.fragmentFunction = fragmentFunction;
    pipelineStateDescriptor.colorAttachments[0].pixelFormat = colorAttachmentPixelFormat;
    NSError *error;
    pipelineState = [device newRenderPipelineStateWithDescriptor:pipelineStateDescriptor error:&error];
    if (error) {
        NSLog(@"Error creating pipeline state: %@", error);
        return;
    }
    pipelineStateCache[pipelineKey] = pipelineState;
}
// 使用pipelineState进行渲染

延迟创建：
- 不要在应用启动时就创建所有可能用到的PSO，而是在需要渲染相关内容时才创建。这样可以避免在应用启动时占用过多资源，特别是对于一些不常用的渲染状态。
- 例如，可以在视图即将显示需要渲染特定内容时，创建相应的PSO。

2. 优化纹理使用

纹理压缩：

Metal支持多种纹理压缩格式，如ASTC、ETC等。使用压缩纹理可以显著减少纹理内存占用，从而提高性能，特别是在处理大纹理时。
要使用压缩纹理，首先需要确保目标设备支持相应的压缩格式。在创建纹理时，指定压缩格式。
代码示例：

MTLTextureDescriptor *textureDescriptor = [[MTLTextureDescriptor alloc] init];
textureDescriptor.pixelFormat = MTLPixelFormatASTC_4x4; // 例如ASTC 4x4格式
textureDescriptor.width = textureWidth;
textureDescriptor.height = textureHeight;
textureDescriptor.usage = MTLTextureUsageShaderRead;
id<MTLTexture> texture = [device newTextureWithDescriptor:textureDescriptor];

纹理分页：

对于大型纹理，可以将其分成多个较小的纹理页（mipmap levels）。Metal会根据物体与相机的距离自动选择合适的纹理页，减少内存带宽的使用。
在创建纹理时，设置mipmapLevelCount属性。并且可以使用generateMipmaps方法为纹理生成mipmap。
代码示例：

MTLTextureDescriptor *textureDescriptor = [[MTLTextureDescriptor alloc] init];
textureDescriptor.pixelFormat = MTLPixelFormatRGBA8Unorm;
textureDescriptor.width = textureWidth;
textureDescriptor.height = textureHeight;
textureDescriptor.mipmapLevelCount = 5; // 设置mipmap级别
textureDescriptor.usage = MTLTextureUsageShaderRead | MTLTextureUsageShaderWrite;
id<MTLTexture> texture = [device newTextureWithDescriptor:textureDescriptor];
id<MTLBlitCommandEncoder> blitEncoder = [commandBuffer blitCommandEncoder];
[blitEncoder generateMipmapsForTexture:texture];
[blitEncoder endEncoding];

3. 优化顶点数据处理

顶点缓存复用：

避免频繁创建和销毁顶点缓存（MTLBuffer）。如果多个物体使用相同的顶点数据，复用同一个顶点缓存。
例如，在场景中有多个相同的模型，可以将其顶点数据存储在一个顶点缓存中，通过设置不同的模型矩阵来绘制不同位置的模型。
代码示例：

// 创建顶点缓存
const size_t vertexBufferSize = sizeof(Vertex) * vertexCount;
id<MTLBuffer> vertexBuffer = [device newBufferWithLength:vertexBufferSize options:MTLResourceCPUCacheModeDefaultCache];
Vertex *vertices = (Vertex *)[vertexBuffer contents];
// 填充顶点数据
for (size_t i = 0; i < vertexCount; i++) {
    vertices[i].position = positions[i];
    vertices[i].color = colors[i];
}
// 多个物体复用该顶点缓存进行绘制
for (int i = 0; i < objectCount; i++) {
    matrix_float4x4 modelMatrix = getModelMatrixForObject(i);
    // 设置渲染参数，包括顶点缓存和模型矩阵
    [renderEncoder setVertexBuffer:vertexBuffer offset:0 atIndex:0];
    [renderEncoder setVertexBytes:&modelMatrix length:sizeof(matrix_float4x4) atIndex:1];
    [renderEncoder drawPrimitives:MTLPrimitiveTypeTriangle vertexStart:0 vertexCount:vertexCount];
}

减少顶点数据量：

使用顶点索引缓存（MTLBuffer for indices）来减少重复顶点数据。通过索引缓存，相同的顶点可以被多个三角形复用。
例如，对于一个复杂的模型，找出重复的顶点，然后创建顶点索引数组，在绘制时使用drawIndexedPrimitives方法。
代码示例：

// 创建顶点缓存
const size_t vertexBufferSize = sizeof(Vertex) * uniqueVertexCount;
id<MTLBuffer> vertexBuffer = [device newBufferWithLength:vertexBufferSize options:MTLResourceCPUCacheModeDefaultCache];
Vertex *vertices = (Vertex *)[vertexBuffer contents];
// 填充唯一顶点数据
// 创建索引缓存
const size_t indexBufferSize = sizeof(uint16_t) * indexCount;
id<MTLBuffer> indexBuffer = [device newBufferWithLength:indexBufferSize options:MTLResourceCPUCacheModeDefaultCache];
uint16_t *indices = (uint16_t *)[indexBuffer contents];
// 填充索引数据
[renderEncoder setVertexBuffer:vertexBuffer offset:0 atIndex:0];
[renderEncoder setFragmentTexture:texture atIndex:0];
[renderEncoder setIndexBuffer:indexBuffer offset:0 type:MTLIndexTypeUInt16];
[renderEncoder drawIndexedPrimitives:MTLPrimitiveTypeTriangle indexCount:indexCount indexType:MTLIndexTypeUInt16 indexBufferOffset:0];

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面试题：Objective-C中Metal图形API的性能优化策略

知识考点

面试题答案

1. 优化渲染管道状态对象（PSO）的创建和使用

2. 优化纹理使用

3. 优化顶点数据处理