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Vulkan入门教程 | 第二部分：创建实例

news 2025/7/30 6:34:02

前言：本教程为笔者依据教程https://docs.vulkan.net.cn/spec/latest/index.html#_about进行Vulkan学习并结合自己的理解整理的笔记，供大家学习和参考。

（注意：代码仅为片段，非完整程序）

学习前提：

支持Vulkan的显卡以及驱动程序(NVIDIA，AMD，Intel)
具备C++编程经验(熟悉RAII，初始化列表)
支持C++的编译器(Visual Studio 2017+，GCC 7+)

往期回顾：
Vulkan入门教程 | 第一部分：Vulkan简介

一、概述

本教程将逐步解释如何创建一个基础的Vulkan实例，这是所有Vulkan程序的起点。Vulkan实例是应用程序与Vulkan驱动程序之间的连接桥梁，它相当于一个"会话"，告诉系统"我的程序要使用Vulkan了，请为我分配相应的资源"。传统的OpenGL采用全局状态机模式，而Vulkan采用显式的对象模型。这意味着：

  • 显式控制：你必须明确告诉系统你要做什么
  • 多实例支持：同一个程序可以创建多个Vulkan实例
  • 更好的错误检测：每个操作都有明确的返回值

实例负责以下关键功能：

  • 初始化Vulkan系统 - 加载驱动和底层资源

  • 管理扩展和验证层 - 控制额外功能和调试工具

  • 查询可用硬件 - 发现系统中的物理设备（GPU）

  • 平台抽象 - 提供跨不同操作系统的一致接口

二、完整流程

1、添加头文件

#define GLFW_INCLUDE_VULKAN
#include <GLFW/glfw3.h>#include <iostream>
#include <stdexcept>
#include <cstdlib>

（1） #define GLFW_INCLUDE_VULKAN 是GLFW库的配置宏，它的核心作用是启用GLFW对Vulkan的原生支持。当定义此宏后，GLFW会在内部进行以下关键操作：

  • 自动包含Vulkan核心头文件<vulkan/vulkan.h>

  • 激活GLFW中与Vulkan相关的函数实现

  • 建立GLFW窗口系统与Vulkan之间的连接桥梁

  • 处理不同平台上Vulkan头文件的包含差异

没有这个宏定义，GLFW将无法提供Vulkan所需的窗口表面扩展，导致实例创建失败。它是连接GLFW窗口系统和Vulkan API的关键开关。

（2）#include <GLFW/glfw3.h>是GLFW库的主头文件，提供跨平台的窗口创建和事件处理功能。在Vulkan开发中，它具体负责：

  • 创建和管理操作系统原生窗口

  • 处理键盘、鼠标等输入事件

  • 提供与Vulkan兼容的窗口表面

  • 封装不同操作系统的原生窗口API（Windows的Win32、macOS的Cocoa、Linux的X11/Wayland）

  • 实现glfwGetRequiredInstanceExtensions()函数，获取平台特定的Vulkan扩展

GLFW抽象了底层平台的窗口创建细节，使开发者能够用统一的API创建适用于Vulkan的渲染窗口，无需编写平台特定的代码。

（3）#include <iostream>是C++标准输入输出库头文件，主要用于错误报告和控制台输出。

（4）#include <stdexcept>是C++标准异常处理头文件，提供标准异常类。这个头文件实现了错误处理的标准化，使代码能通过统一的异常处理机制管理Vulkan API可能返回的各种错误。

（5）#include <cstdlib>是C标准库的C++封装头文件，提供程序基本控制功能：

  • 定义程序退出码EXIT_SUCCESS和EXIT_FAILURE

  • 当捕获到异常时，返回EXIT_FAILURE表示异常终止

  • 程序正常结束时返回EXIT_SUCCESS

  • 提供内存管理、随机数生成等基础功能

2、类封装的整体架构设计

class HelloTriangleApplication {
public:void run() {initWindow();//1、初始化阶段initVulkan();//2、资源准备阶段mainLoop();//3、运行阶段cleanup();//4、清理阶段}
private:GLFWwindow* window;//GLFW窗口指针VkInstance instance;//Vulkan实例句柄，这是我们与Vulkan驱动通信的桥梁// 其他私有成员...
};

类封装遵循RAII原则，资源获取即初始化，离开作用域自动清理，确保了资源的正确分配和释放，保证即使程序出现异常，析构函数也会被调用。

run()函数体现了一个经典的应用程序生命周期模式：初始化—>资源准备—>运行主循环—>清理资源，每个阶段都可以独立测试。

3、初始化窗口系统（GLFW）

const uint32_t WIDTH = 800;//定义窗口的宽度
const uint32_t HEIGHT = 600;//定义窗口的高度//类的私有成员函数
void initWindow() {glfwInit();//初始化GLFW库glfwWindowHint(GLFW_CLIENT_API, GLFW_NO_API);//不使用OpenGLglfwWindowHint(GLFW_RESIZABLE, GLFW_FALSE);//禁用窗口大小调整//创建实际的窗口，参数分别是宽度、高度、窗口标题、显示器和共享上下文window = glfwCreateWindow(WIDTH, HEIGHT, "Vulkan", nullptr, nullptr);
}

 这个函数只负责窗口相关的初始化，不涉及任何Vulkan代码。其中窗口大小变化涉及交换链重建等复杂概念，初学时选择禁用窗口大小调整。

4、创建Vulkan实例

//类的私有成员函数
void initVulkan() {createInstance();
}void createInstance() {// 配置应用程序信息VkApplicationInfo appInfo{};appInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_APPLICATION_INFO;appInfo.pApplicationName = "Hello Triangle";appInfo.applicationVersion = VK_MAKE_VERSION(1, 0, 0);appInfo.pEngineName = "No Engine";appInfo.engineVersion = VK_MAKE_VERSION(1, 0, 0);appInfo.apiVersion = VK_API_VERSION_1_0;// 获取GLFW所需的Vulkan扩展uint32_t glfwExtensionCount = 0;const char** glfwExtensions;glfwExtensions = glfwGetRequiredInstanceExtensions(&glfwExtensionCount);// 配置实例创建信息VkInstanceCreateInfo createInfo{};createInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_INSTANCE_CREATE_INFO;createInfo.pApplicationInfo = &appInfo;createInfo.enabledExtensionCount = glfwExtensionCount;createInfo.ppEnabledExtensionNames = glfwExtensions;createInfo.enabledLayerCount = 0; // 禁用验证层// 创建Vulkan实例if (vkCreateInstance(&createInfo, nullptr, &instance) != VK_SUCCESS) {throw std::runtime_error("failed to create instance!");}
}

目前只在Vulkan初始化函数initVulkan()中调用了createInstance()，这是Vulkan初始化的第一步，在完成的Vulkan应用中，这里还会包括物理设备选择、逻辑设备创建等步骤。createInstance() 是创建实例的核心内容，分为以下几个部分：

//第一部分：应用程序信息结构体
VkApplicationInfo appInfo{};//描述应用程序的基本信息
appInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_APPLICATION_INFO;//结构体类型标识符，Vulkan的所有结构体都需要设置这个字段
appInfo.pApplicationName = "Hello Triangle";//应用程序名称，可以被驱动程序用于优化
appInfo.applicationVersion = VK_MAKE_VERSION(1, 0, 0);//应用程序版本号，使用VK_MAKE_VERSION宏创建
appInfo.pEngineName = "No Engine";//使用的引擎名称，这里写"No Engine"表示没有使用特定引擎
appInfo.engineVersion = VK_MAKE_VERSION(1, 0, 0);//引擎版本号
appInfo.apiVersion = VK_API_VERSION_1_0;//应用程序期望使用的Vulkan API版本

sType是结构体类型标识符，Vulkan的所有结构体都需要设置这个字段。在Vulkan的C语言环境中，由于缺乏C++的类型系统，每个结构体都必须通过sType字段来声明自己的类型。当这个结构体稍后被传递给驱动程序时，驱动程序会首先检查这个字段，确认接收到的确实是一个ApplicationInfo结构体，然后才会按照相应的格式来解析其他字段。

为什么需要sType？

  • 类型安全：Vulkan使用C语言编写，没有C++的类型系统，sType提供运行时类型检查
  • 版本兼容性：不同版本的Vulkan可能有不同的结构体布局，sType帮助驱动程序正确解析
  • 扩展支持：未来的扩展可以通过sType识别新的结构体类型
//第二部分：实例创建信息结构体
VkInstanceCreateInfo createInfo{};//用于创建Vulkan实例的信息结构体
createInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_INSTANCE_CREATE_INFO;//同样需要设置结构体类型标识符
createInfo.pApplicationInfo = &appInfo;//指向前面创建的应用程序信息结构体

这个阶段开始构建实例创建的主控制结构。VkInstanceCreateInfo是整个创建过程的核心数据结构，它将收集所有必要的信息，然后一次性传递给实例创建函数。

createInfo.pApplicationInfo = &appInfo;这行代码建立了创建信息与应用程序信息之间的引用关系。通过指针传递而不是值拷贝，避免了大量数据的复制开销。当稍后调用vkCreateInstance时，驱动程序会通过这个指针访问应用程序信息。pApplicationInfo指针的作用：

  • 信息传递：将应用程序信息传递给实例创建过程
  • 内存效率：避免复制大量数据，使用指针引用
  • 可选性：pApplicationInfo可以为nullptr，但提供信息有助于优化
//第三部分：GLFW扩展配置
uint32_t glfwExtensionCount = 0;
const char** glfwExtensions;
glfwExtensions = glfwGetRequiredInstanceExtensions(&glfwExtensionCount);//GLFW告诉我们需要哪些Vulkan扩展才能与窗口系统交互
createInfo.enabledExtensionCount = glfwExtensionCount;//指定要启用的扩展数量
createInfo.ppEnabledExtensionNames = glfwExtensions;//指定要启用的扩展名称列表

前三行代码执行了一个需求查询过程。GLFW作为窗口管理库，了解当前平台需要哪些Vulkan扩展才能实现窗口与Vulkan的集成。glfwGetRequiredInstanceExtensions函数的执行过程是这样的：GLFW内部会检测当前的操作系统和窗口系统，然后返回相应的扩展名称列表。在Windows上，它可能返回VK_KHR_surface和VK_KHR_win32_surface；在Linux上，可能返回VK_KHR_surface和VK_KHR_xlib_surface。

GLFW需要的典型扩展：

  • VK_KHR_surface：跨平台窗口表面抽象
  • VK_KHR_win32_surface（Windows）或VK_KHR_xlib_surface（Linux）：平台特定的表面扩展

后两行代码将GLFW提供的扩展需求注册到创建信息中。enabledExtensionCount告诉驱动程序有多少个扩展需要启用，ppEnabledExtensionNames提供了扩展名称的字符串数组。

当驱动程序稍后处理创建请求时，会逐一检查这些扩展是否可用，如果任何一个扩展不存在或不兼容，整个创建过程就会失败。

//第四部分：验证层配置
createInfo.enabledLayerCount = 0;//设置为0表示不启用任何验证层，适用于发布版本

这行代码明确设置不启用任何验证层。验证层是Vulkan提供的调试和开发辅助工具，它们会拦截API调用进行额外的检查和验证。将计数设置为0表示这是一个发布版本的配置，追求最佳性能而不是调试便利性。下一篇会详细介绍验证层，验证层的拦截机制为：

应用程序调用 → 验证层 → 驱动程序
     ↑                ↓
   返回结果        检查参数/状态

//第五部分：创建实例
if (vkCreateInstance(&createInfo, nullptr, &instance) != VK_SUCCESS) {throw std::runtime_error("failed to create instance!");//如果不等于VK_SUCCESS，说明创建失败，抛出异常
}

 这段代码执行了整个过程的核心系统调用。vkCreateInstance函数接收三个参数：

第一个参数&createInfo将前面精心准备的所有配置信息传递给驱动程序。驱动程序会详细检查这个结构体中的每一个字段，验证应用程序的需求是否可以满足。

第二个参数nullptr表示使用默认的内存分配器。Vulkan允许应用程序提供自定义的内存分配策略，但在这个简单示例中使用系统默认的分配器。

第三个参数&instance是一个输出参数，成功创建后，新实例的句柄会被写入这个变量中。

函数调用完成后，代码立即检查返回值，可能的返回值及含义：

  • VK_SUCCESS：创建成功
  • VK_ERROR_OUT_OF_HOST_MEMORY：主机内存不足
  • VK_ERROR_OUT_OF_DEVICE_MEMORY：设备内存不足
  • VK_ERROR_INITIALIZATION_FAILED：初始化失败
  • VK_ERROR_LAYER_NOT_PRESENT：请求的验证层不可用
  • VK_ERROR_EXTENSION_NOT_PRESENT：请求的扩展不可用
  • VK_ERROR_INCOMPATIBLE_DRIVER：驱动程序不兼容

5、主循环

void mainLoop() {while (!glfwWindowShouldClose(window)) {//检查窗口是否应该关闭glfwPollEvents();//处理窗口事件（如键盘、鼠标输入）}
}

 标准的GLFW事件循环。

6、资源清理

void cleanup() {vkDestroyInstance(instance, nullptr);//销毁Vulkan实例，释放相关资源glfwDestroyWindow(window);//销毁GLFW窗口glfwTerminate();//终止GLFW库
}

 7、主函数和异常处理

int main() {HelloTriangleApplication app;//对象创建//如果运行过程中抛出任何继承自std::exception的异常，程序会捕获并处理try {app.run();//应用程序的主要执行函数} catch (const std::exception& e) {std::cerr << e.what() << std::endl;//错误信息输出到标准错误流return EXIT_FAILURE;}return EXIT_SUCCESS;
}

使用异常处理机制，确保程序能够优雅地处理错误，如果出现异常，打印错误信息并返回失败状态。

总结

当vvkCreateInstance成功返回后，instance变量中就包含了一个有效的Vulkan实例句柄。这个句柄实际上是一个指向复杂内部结构的指针，该结构包含了：

  • 所有启用扩展的函数指针表
  • 应用程序信息的副本
  • 平台特定的窗口系统集成代码
  • 内存分配器的配置信息
  • 错误处理和调试回调的设置

此时，应用程序就获得了访问Vulkan功能的基础凭证，可以进行后续的物理设备枚举、逻辑设备创建等操作。实例的生命周期将贯穿整个应用程序运行期间，直到程序退出时在cleanup()函数中被销毁。

这整个创建过程体现了Vulkan先配置后执行的设计哲学：应用程序需要详细描述自己的需求和配置，然后系统根据这些描述一次性完成所有初始化工作，避免了运行时的不确定性和性能开销。

该部分的完整代码如下：
（1）无注释版：

#define GLFW_INCLUDE_VULKAN
#include <GLFW/glfw3.h>#include <iostream>
#include <stdexcept>
#include <cstdlib>const uint32_t WIDTH = 800;
const uint32_t HEIGHT = 600;class HelloTriangleApplication {
public:void run() {initWindow();initVulkan();mainLoop();cleanup();}private:GLFWwindow* window;VkInstance instance;void initWindow() {glfwInit();glfwWindowHint(GLFW_CLIENT_API, GLFW_NO_API);glfwWindowHint(GLFW_RESIZABLE, GLFW_FALSE);window = glfwCreateWindow(WIDTH, HEIGHT, "Vulkan", nullptr, nullptr);}void initVulkan() {createInstance();}void mainLoop() {while (!glfwWindowShouldClose(window)) {glfwPollEvents();}}void cleanup() {vkDestroyInstance(instance, nullptr);glfwDestroyWindow(window);glfwTerminate();}void createInstance() {VkApplicationInfo appInfo{};appInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_APPLICATION_INFO;appInfo.pApplicationName = "Hello Triangle";appInfo.applicationVersion = VK_MAKE_VERSION(1, 0, 0);appInfo.pEngineName = "No Engine";appInfo.engineVersion = VK_MAKE_VERSION(1, 0, 0);appInfo.apiVersion = VK_API_VERSION_1_0;VkInstanceCreateInfo createInfo{};createInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_INSTANCE_CREATE_INFO;createInfo.pApplicationInfo = &appInfo;uint32_t glfwExtensionCount = 0;const char** glfwExtensions;glfwExtensions = glfwGetRequiredInstanceExtensions(&glfwExtensionCount);createInfo.enabledExtensionCount = glfwExtensionCount;createInfo.ppEnabledExtensionNames = glfwExtensions;createInfo.enabledLayerCount = 0;if (vkCreateInstance(&createInfo, nullptr, &instance) != VK_SUCCESS) {throw std::runtime_error("failed to create instance!");}}
};int main() {HelloTriangleApplication app;try {app.run();} catch (const std::exception& e) {std::cerr << e.what() << std::endl;return EXIT_FAILURE;}return EXIT_SUCCESS;
}

（2）详细注释版：

// 定义GLFW_INCLUDE_VULKAN宏，让GLFW自动包含Vulkan头文件
// 这样我们就不需要单独包含vulkan.h了
#define GLFW_INCLUDE_VULKAN
#include <GLFW/glfw3.h>// 标准C++库头文件
#include <iostream>    // 用于输出错误信息
#include <stdexcept>   // 用于异常处理
#include <cstdlib>     // 用于EXIT_SUCCESS和EXIT_FAILURE常量// 定义窗口的宽度和高度常量
const uint32_t WIDTH = 800;
const uint32_t HEIGHT = 600;class HelloTriangleApplication {
public:// 主运行函数，按顺序执行初始化、主循环和清理void run() {initWindow();    // 初始化GLFW窗口initVulkan();    // 初始化Vulkan相关资源mainLoop();      // 进入主事件循环cleanup();       // 清理所有资源}private:GLFWwindow* window;    // GLFW窗口指针VkInstance instance;   // Vulkan实例句柄，这是使用Vulkan API的入口点// 初始化GLFW窗口void initWindow() {// 初始化GLFW库glfwInit();// 设置窗口提示：不使用任何图形API（因为我们要使用Vulkan）glfwWindowHint(GLFW_CLIENT_API, GLFW_NO_API);// 设置窗口提示：禁止窗口大小调整（简化示例代码）glfwWindowHint(GLFW_RESIZABLE, GLFW_FALSE);// 创建窗口：宽度、高度、标题、监视器（nullptr表示窗口模式）、共享窗口（nullptr表示不共享）window = glfwCreateWindow(WIDTH, HEIGHT, "Vulkan", nullptr, nullptr);}// 初始化Vulkan相关资源void initVulkan() {createInstance();    // 创建Vulkan实例}// 主事件循环void mainLoop() {// 持续运行直到用户关闭窗口while (!glfwWindowShouldClose(window)) {glfwPollEvents();    // 处理窗口事件（如键盘、鼠标输入）}}// 清理所有资源void cleanup() {// 销毁Vulkan实例（必须在glfwTerminate之前调用）vkDestroyInstance(instance, nullptr);// 销毁GLFW窗口glfwDestroyWindow(window);// 终止GLFW库glfwTerminate();}// 创建Vulkan实例的核心函数void createInstance() {// 步骤1：填充应用程序信息结构体VkApplicationInfo appInfo{};    // {}初始化所有成员为零// 指定结构体类型（Vulkan中每个结构体都需要指定类型）appInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_APPLICATION_INFO;// 应用程序名称（可选，但有助于驱动程序优化）appInfo.pApplicationName = "Hello Triangle";// 应用程序版本（使用VK_MAKE_VERSION宏创建版本号：主版本.次版本.补丁版本）appInfo.applicationVersion = VK_MAKE_VERSION(1, 0, 0);// 引擎名称（如果使用游戏引擎的话）appInfo.pEngineName = "No Engine";// 引擎版本appInfo.engineVersion = VK_MAKE_VERSION(1, 0, 0);// 要使用的Vulkan API版本appInfo.apiVersion = VK_API_VERSION_1_0;// 步骤2：填充实例创建信息结构体VkInstanceCreateInfo createInfo{};// 指定结构体类型createInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_INSTANCE_CREATE_INFO;// 指向应用程序信息的指针createInfo.pApplicationInfo = &appInfo;// 步骤3：获取GLFW需要的Vulkan扩展uint32_t glfwExtensionCount = 0;    // 扩展数量const char** glfwExtensions;        // 扩展名称数组// GLFW告诉我们它需要哪些Vulkan扩展来创建窗口表面glfwExtensions = glfwGetRequiredInstanceExtensions(&glfwExtensionCount);// 将GLFW需要的扩展添加到实例创建信息中createInfo.enabledExtensionCount = glfwExtensionCount;      // 扩展数量createInfo.ppEnabledExtensionNames = glfwExtensions;        // 扩展名称数组// 步骤4：验证层设置（这里暂时设为0，不启用任何验证层）createInfo.enabledLayerCount = 0;// 步骤5：创建Vulkan实例// 参数：创建信息、自定义分配器（nullptr使用默认）、实例句柄的指针if (vkCreateInstance(&createInfo, nullptr, &instance) != VK_SUCCESS) {// 如果创建失败，抛出运行时异常throw std::runtime_error("failed to create instance!");}}
};// 主函数
int main() {HelloTriangleApplication app;    // 创建应用程序对象try {app.run();    // 运行应用程序} catch (const std::exception& e) {    // 捕获异常std::cerr << e.what() << std::endl;    // 输出错误信息return EXIT_FAILURE;    // 返回失败状态码}return EXIT_SUCCESS;    // 返回成功状态码
}

 欢迎学习和交流，欢迎指正！🌹🌹 

http://www.lryc.cn/news/603313.html

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