在 Vulkan 中，由于驱动层不会隐式地进行任何自动同步，因此所有的资源读写、执行顺序等操作都需要手动地进行管理。 Vulkan 核心的同步原语有四种：Fence（栅栏）、Semaphore（信号量）、Event（事件） 和 Pipeline Barrier（管线屏障）。

1. Fence（栅栏）：CPU 与 GPU 之间的同步#

Fence 主要用于让 CPU 等待 GPU 完成某些操作。

  • 特点： 它有两种状态：Signaled（触发/绿灯）和 Unsignaled（未触发/红灯）。通常由 GPU 在执行完某个 Queue 的命令后将其置为 Signaled，而 CPU 在另一端阻塞等待。
  • 常见用途： 帧率控制（避免 CPU 提交命令的速度远超 GPU 渲染速度）。例如，在开始录制新一帧的 Command Buffer 之前，CPU 必须等待上一帧对应的 Fence 被触发。
  • 核心 API： * vkQueueSubmit（传入 Fence，当 Queue 中的任务执行完毕时，GPU 会自动将该 Fence 设为 Signaled）
  • vkWaitForFences（CPU 端阻塞等待）
  • vkResetFences（使用前必须手动重置为 Unsignaled）

2. Semaphore（信号量）：GPU Queue 之间的同步#

Semaphore 用于 GPU 内部不同 Queue 之间 或者 同一 Queue 内不同提交（Submit）之间 的粗粒度同步。CPU 无法直接等待或触发它。

Vulkan 中的 Semaphore 分为两种：

  • Binary Semaphore（二元信号量）： 只有两种状态（Signaled/Unsignaled）。常用于交换链图像获取与渲染的同步。
  • Timeline Semaphore（时间轴信号量，Vulkan 1.2+）： 包含一个单调递增的 64 位整数值。当它的值大于或等于指定的等待值时，同步完成。它允许更灵活的粗粒度依赖管理（甚至支持 CPU 等待或增加其数值）。
  • 常见用途：vkAcquireNextImageKHR（获取交换链图像后触发 Semaphore） $\rightarrow$vkQueueSubmit（等待该 Semaphore 产生后才开始渲染渲染管线）。
  • 核心机制： 在 vkQueueSubmit 的 VkSubmitInfo 结构体中，分别填入 pWaitSemaphores（执行前需要等待谁）和 pSignalSemaphores（执行完后去触发谁）。

3. Pipeline Barrier（管线屏障）：GPU 内部 / 管线阶段之间的同步#

Pipeline Barrier 是 Vulkan 中最频繁、最精细、也最复杂的同步手段。它用于 同一 Queue 内部的不同命令之间 的同步，解决管线内各阶段（Pipeline Stages）的读写冲突，并负责处理内存可见性（Memory Visibility）和图像布局转换（Layout Transition）。

当你在 Command Buffer 中插入一个 Barrier 时，需要显式指定以下几个要素：

  • Source Stage / Destination Stage（源阶段 / 目标阶段）：
  • 规定了哪些先前的指令（Src）必须在哪些后续指令（Dst）开始之前执行完毕。例如：等待顶点着色器（VS）写完，才允许片段着色器（FS）去读。
  • Access Masks（访问掩码）：
  • 规定了内存的读写类型，解决 RAW（写后读）、WAR（读后写）、WAW（写后写）冲突。
  • Execution Dependency（执行依赖）： 确保 Dst 阶段在 Src 阶段结束后才执行。
  • Memory Dependency（内存依赖）： 确保 Src 阶段写入 L1/L2 Cache 的数据刷新到全局内存（Make Available），并让 Dst 阶段能正确从内存读取（Make Visible）。
  • Image Layout Transitions（图像布局转换）：
  • GPU 对不同用途的 Image 有不同的内部瓦片（Tiling）或压缩优化。在将一个 Image 从“渲染目标（Color Attachment）”变成“采样纹理（Shader Read Only）”时，必须通过 Image Memory Barrier 进行布局转换，否则会导致硬件读取错误。

4. Event（事件）：GPU 内部的细粒度延迟同步#

Event 类似于 Pipeline Barrier 的“拆分版”，它允许异步的、非阻塞的在 GPU 管线中标记进度。

  • 特点： Barrier 是立刻在命令流中划定一道分界线，而 Event 允许你在前面的命令走到某个阶段时“设置（Set）”它，在很久之后的另一个地方再去“等待（Wait）”它。
  • 常见用途： 减少 GPU 的管线气泡（Bubble）。例如，你在管线早期生成了一段数据，只要在该数据真正被使用的后继阶段之前进行等待即可，中途的其他管线阶段可以并发执行。
  • 核心 API：vkCmdSetEvent 和 vkCmdWaitEvents。

总结与对比#

为了理清它们的关系，可以通过它们在流水线中的协作层次来区分：

同步原语控制主体作用域粒度主要应用场景
FenceCPU 与 GPU整个 Queue 提交的任务最粗帧同步、等待一帧彻底渲染完、重建交换链
SemaphoreGPU 与 GPUQueue 之间 或 Submit 之间粗等待 Image 可用、计算队列与渲染队列交替
Pipeline BarrierGPU 内部同一 Queue 的 Command 之间细（管线阶段级）资源读写保护、Texture Layout 转换
EventGPU 内部同一 Queue 的 Command 之间精细（支持异步拆分）消除复杂的依赖气泡、细粒度资源复用

原文：同步原语