导语
CPU和GPU是共享一份内存的吗?腾讯游戏学院专家Donald将在本文尝试以一张贴图纹理的虚拟内存占用为例,解答一些内存方面的问题。本篇主要分析iOS系统。
开发手机游戏时,常听到身边的人传授经验:“CPU和GPU是共享一份内存的”,但这句经验到底具体指的是什么,仿佛总得不到细节精确的回答。
因此,本文尝试以一张贴图纹理的虚拟内存占用为例,就以下问题进行分析和解答:
1)是否的确主存显存共享一份贴图虚拟内存?
2)如果问题1证实的确只有一份,纹理虚拟内存的完整流程是怎样?Unity将该纹理文件在主存加载好纹理数据后,是直接调用图形API传递该主存指针,从而GPU能直接访问该主存中的纹理数据?还是需要调用图形API将该主存中的纹理数据拷贝到另一份虚拟内存中,以供GPU访问?拷贝完成后纹理主存部分如何处置?
术语
为清晰表达避免概念混淆,本文采取以下术语:
物理内存(Physical Memory):具体的存储硬件,各种SDRAM,比如LPDDR是移动设备常用的一种低功耗SDRAM。
虚拟内存(Virtual Memory):对物理内存的一种逻辑映射。
主存(Main Memory/Primary Memory):CPU能读写的虚拟内存。
显存(Graphics Memory):GPU能读写的虚拟内存。
另外,外存(External storage):外部存储,“硬盘”,在移动设备一般是Flash。
iOS篇
2.1 硬件
如下4图[1][2]所示,iPhone6只有A8里拥有一块物理内存(1GB LPDDR3 RAM),且CPU/GPU晶片中并无物理内存(SDRAM),只有物理内存的接口(SDRAM Interface)。
且A8采取PoP封装(Package on Package),即将CPU/GPU晶片和物理内存竖直排列于A8芯片中,将CPU/GPU晶片移除后,在下一层露出了它俩共用的一块物理内存。
注:晶片中有高速Cache缓存,类型为SRAM。
![iPhone6的物理内存位于Apple A8里](http://imgtec.eetrend.com/files/2021-10/%E5%8D%9A%E5%AE%A2/100554381-223203-1.jpg)
![Apple A8 晶片里,只有SDRAM的接口,并无SDRAM](http://imgtec.eetrend.com/files/2021-10/%E5%8D%9A%E5%AE%A2/100554381-223204-2.jpg)
![A8 GPU PowerVR 6450里只有System Memory Interface,并无SDRAM](http://imgtec.eetrend.com/files/2021-10/%E5%8D%9A%E5%AE%A2/100554381-223260-3.jpg)
![A8 SoC CPU/GPU晶片 和 物理内存采取PoP封装。将CPU/GPU晶片从SoC移除后,露出下一层的DRAM物理内存](http://imgtec.eetrend.com/files/2021-10/%E5%8D%9A%E5%AE%A2/100554381-223261-4.jpg)
其他iOS设备,iPhone、iPad等,亦如此,硬件层面,它们的物理内存都为统一内存(Unified Memory)架构,即主存和显存都位于同样的物理内存硬件中。
而桌面电脑一般是分离物理内存(Discrete Memory)架构。
2.2 图形API
自2013年的AppleA7(iPhone 5s)起iOS设备便支持Metal[3],考虑当下(2018)的市场份额,故只讨论支持Metal的情况,而不讨论iOS上OpenGLES的情况。
系统层面,Metal支持主存显存同时访问同一块虚拟内存,即MTLBuffer的options为MTLStorageModeShared[4,5,6],此情况已无主存显存之分,Shared模式是Buffer(比如顶点缓存、索引缓存)的默认创建模式,在iOS中Shared也是纹理缓存的默认创建模式。
![Resource storage modes in iOS and tvOS](http://imgtec.eetrend.com/files/2021-10/%E5%8D%9A%E5%AE%A2/100554381-223262-5.png)
此时对该虚拟内存的修改,会同时反馈到CPU和GPU上,除非CPU准备好Buffer的内容后不再修改,但一旦CPU对Buffer进行了二次修改,为避免和GPU的访问冲突,需要有一定的同步机制,比如三重缓冲(Tripple Buffering)[7]。
Pirvate模式为GPU单独访问的虚拟内存,主要用于RenderTexture等情况[9],并非当前重点。
2.3 分析Unity在iOS的实现
虽然图形API机制如此,但引擎内部实现大相径庭,保守起见,具体结论应以引擎具体逻辑为准。
先以纹理为例,Unity在iOS+Metal上从纹理文件存储到最终纹理显存,其二进制流的完整流程是怎样的?
人肉阅读分析Unity源码是耗时且可能不准确的。结合Profiler等工具进行分析,会省时精确,事半功倍。这样也可顺带对Profile工具的综合应用进行介绍。所以下面,先假设我们不知道Metal的机制,试从现象推断出原因。
![GFXMemory测试Demo](http://imgtec.eetrend.com/files/2021-10/%E5%8D%9A%E5%AE%A2/100554381-223263-6.jpg)
先创建一个名为GFXMemory的测试demo,分别有3张分辨率足够大的4096x4096的纹理贴图,格式分别设为RGBA32、RGB24、ASTC5x5,通过运行时点击对应的区域,才单独加载对应贴图,显示在屏幕中。
准备做Profile测试先查证以下问题:
由于3张纹理分辨率非常大且开启Mipmaps,其内存占用理应是期待纹理虚拟内存 = 85.33MB + 64.00MB + 13.65MB = 162.98MB,如果最终内存稳定后,本进程的虚拟内存占用约为进程内存 ~= 启动内存 + 已加载纹理内存,即可证实纹理虚拟内存占用的确只有一份,否则如果进程虚拟内存约为进程内存 ~= 启动内存 + 2*已加载纹理内存,即可证实主存、显存各持一份纹理贴图。
Unity版本为2017.4.8f1、XCode版本为10.1、运行设备为iPhone6s。
先用Unity以Development Build进行XCode工程导出,Development Build仅仅是为了能用Unity Memory Profiler进行Profile。
XCode中对Unity-iPhone工程进行Edit Scheme,并如下图开启Malloc Stack,是为了在命令行对memorygraph使用malloc_history命令查看内存创建的堆栈。
![开启Malloc Stack才能对memorygraph方能使用malloc_history命令查看内存创建的堆栈](http://imgtec.eetrend.com/files/2021-10/%E5%8D%9A%E5%AE%A2/100554381-223264-7.jpg)
XCode中构建版本,USB连接iPhone6s并在其上运行,等待几秒钟待内存稳定后:
- 在XCode点击“Debug Memory Graph”,截取得出XCode的内存统计,并且Export为xcode_empty.memorygraph文件
点击UI加载上面3张纹理后,等待几秒钟待内存稳定后:
- 在Unity用Memory Profiler点击Take Snapshot,截取得出Unity的内存统计,并另存为unity.memsnap3文件
- 在XCode点击“Capture GPU Frame”,截取得到当前帧的GPU快照,并另存为xcode.gputrace文件
- 在XCode点击“Debug Memory Graph”,截取得出XCode的内存统计,并且Export为xcode.memorygraph文件
注意上述操作都确保游戏是一次运行针对同一进程的4次抓取结果,从而确保内存地址稳定。
我们在命令行执行命令vmmap --summary ./xcode_empty.memgraph,得到加载纹理前的虚拟内存占用约为111.3MB,如下图:
![加载纹理前,Native虚拟内存占用约为111.3MB](http://imgtec.eetrend.com/files/2021-10/%E5%8D%9A%E5%AE%A2/100554381-223265-8.jpg)
上图我们应关心“DIRTY SIZE”和“SWAPPED SIZE”,前者代表已写虚存大小、后者代表已写待压缩虚存大小。iOS和一般OS不一样,不采取虚存切页(Paging)的机制,而是采取压缩内存的机制。而在iOS中所谓的内存占用(Memory Footprint)事实上是MemoryFootprint = DirtySize + CompressedSize,iOS以MemoryFootprint的大小作为Killapp的依据。注意Swapped Size是待压缩的大小,压缩后方为Compressed Size。[8]
![Memory Footprint = Dirty Size + Compressed Size](http://imgtec.eetrend.com/files/2021-10/%E5%8D%9A%E5%AE%A2/100554381-223266-9.jpg)
我们再执行命令vmmap --summary ./xcode.memgraph,得到加载纹理后的虚拟内存占用约为297.8MB,如下图:
![加载纹理后,Native虚拟内存占用约为297.8MB](http://imgtec.eetrend.com/files/2021-10/%E5%8D%9A%E5%AE%A2/100554381-223267-10.jpg)
从而,加载纹理额外虚拟内存占用 = 297.9MB - 111.3MB = 186.6MB ~= 期待纹理虚拟内存占用162.98MB,而186.6MB << 325.96MB,从而几乎已经证实问题1,的确主存显存共享一份贴图虚拟内存。至于为何会多出186.6MB - 162.98MB ~= 23.62MB,我们会在后面证实到。
但仅仅从内存增幅来认定内存共享一份,显得还不够精确。
这时有个貌似合理的猜想:“如果GPU里用到的纹理虚拟内存地址,刚好等于MemoryGraph中对应的纹理虚拟地址,就说明它们必然是共享一份内存了”。
怀着这个想法,我们用XCode打开xcode.gputrace文件,搜索得出4096_rgba32的虚拟内存地址为0x1083f5b80,如下图:
![GPUTrace文件显示4096_rgba32纹理的虚拟内存地址为0x1083f5b80](http://imgtec.eetrend.com/files/2021-10/%E5%8D%9A%E5%AE%A2/100554381-223268-11.jpg)
Unity Memory Profiler Editor本不支持显示对象的Native虚拟内存地址,简单修改其源码,让其在面板上显示Unity Native Object的虚拟内存地址,4096_rgba32纹理的虚拟内存地址为0x1083f53b0纹理,如下图:
![Unity Memory Profiler显示4096_rgba32纹理的虚拟内存地址为0x1083f53b0](http://imgtec.eetrend.com/files/2021-10/%E5%8D%9A%E5%AE%A2/100554381-223270-12.jpg)
“CPU/GPU访问的纹理地址不一样,这证实这张纹理不是CPU/GPU共享的!”但可惜,不能因此得出这个结论。
我们控制台针对GPUTrace的地址使用命令malloc_history ./xcode.memgraph -fullStacks 0x1083f5b80,有下图输出:
![GPUTrace纹理对象AGXA9FamilyTexture地址的堆分配函数栈](http://imgtec.eetrend.com/files/2021-10/%E5%8D%9A%E5%AE%A2/100554381-223271-13.jpg)
针对Unity Memory Profiler的地址使用命令malloc_history ./xcode.memgraph -fullStacks 0x1083f53b0,有下图输出:
![Unity Memory Profiler纹理对象Texture2D地址的堆分配函数栈](http://imgtec.eetrend.com/files/2021-10/%E5%8D%9A%E5%AE%A2/100554381-223272-14.jpg)
使用XCode再次打开xcode.memgraph,搜索地址0x1083f5b80,发现其类型是“AGXA9FamilyTexture”,而且对象大小仅仅只有528字节,见下图:
![0x1083f5b80地址对应的,仅仅是纹理对象,而并非我们最关心的纹理内容](http://imgtec.eetrend.com/files/2021-10/%E5%8D%9A%E5%AE%A2/100554381-223273-15.jpg)
上面3图,证实了上面的地址仅仅是纹理对象,而并非我们最关心的纹理内容地址。比如AGXA9FamilyTexture是Metal的纹理对象,Texture2D是Unity的纹理对象,纹理对象内部有指针指向了纹理内容。
如果我们不修改Unity源码,我们无法得知Texture2D中纹理内容的地址。如何得知纹理内容到底在哪呢?
留意上面vmmap --summary命令显示加载纹理前后的内存占用,增幅最大的内存区域(Region)是“IOKit”,我们不妨看看里面到底是啥,通过vmmap --verbose ./xcode.memgraph | grep "IOKit",有以下结果:
![IOKit内存区域里,有明显的贴图内容虚拟内存占用](http://imgtec.eetrend.com/files/2021-10/%E5%8D%9A%E5%AE%A2/100554381-223274-16.png)
上面非常像我们3张纹理贴图内容的内存占用大小(下面才解释为什么64.0MB变为85.3MB),而左边就是它们的虚拟内存地址。
我们尝试用malloc_history ./xcode.memgraph --fullStacks “上述3个地址”,发现都不能打印出分配它们的栈,说明它们并非使用传统malloc在堆(Heap)上分配,如下图。事实上IOKit是iOS的驱动框架,该区域内存是驱动相关的虚拟内存区域,通过额外的实验可以知道,Metal最重要的MTLBuffer分配,不管Dirty与否,都是在IOKit这个驱动区域进行内存分配。
![IOKit区域是驱动相关的虚拟内存地址,并不能通过malloc_history打印出来](http://imgtec.eetrend.com/files/2021-10/%E5%8D%9A%E5%AE%A2/100554381-223275-17.jpg)
但是!当我们在XCode打开xcode.memgraph后,如下图,搜索地址“0x11c3e0000”得出该85.3MB的IOKit内存,而引用它的,恰好就是我们上面发现的地址为0x1083f5b80的Metal的纹理对象!
![](http://imgtec.eetrend.com/files/2021-10/%E5%8D%9A%E5%AE%A2/100554381-223276-18.jpg)
至此,我们通过硬件分析、图形API分析和虚拟内存Profile分析,比较折腾,终于得出以下结论:
iOS设备中只有一块物理内存硬件。
主存地址和显存地址在同一个地址空间(Address Space)中,即虚存地址空间(Virtual Address Space)。
虚拟内存中的确只有一份纹理内容,而且该纹理内容的确就是被GPU所用的纹理。
我们接着讨论问题2。由于问题2需要回答的是贴图内存走向,不能通过分析某一时刻的虚拟内存得出结论,而要使用带有Timeline的Profiler,这里使用Instruments。
我们进行3种Profiler:Timer Profiler以观察CPU耗时情况及捕捉函数调用栈,Allocations以观察堆内存分配释放情况,VM Tracker以观察所有虚拟内存的分配释放情况。
针对Time Profiler,我们可以打开其High Frequency选项,以采样到更精细的函数调用栈。
![打开Time Profiler的High Frequency,以捕捉到更精细的函数调用栈](http://imgtec.eetrend.com/files/2021-10/%E5%8D%9A%E5%AE%A2/100554381-223277-19.jpg)
Profile结果如下图。其中3个红框左到右分别表示加载RGBA32、RGB24、ASTC5x5时的情况。
![进行Time Profiler、Allocations、VM Tracker的Profiler,图中3个红框分别是加载RGBA_32、RGB24、ASTC5x5时的情况](http://imgtec.eetrend.com/files/2021-10/%E5%8D%9A%E5%AE%A2/100554381-223278-20.jpg)
大致观察上图可以发现:
CPU消耗尖刺(Spike):RGB24 > RGBA32 >> ASTC5x5
堆内存消耗尖刺:RGB24 > RGB32 >> ASTC5x5
虚拟内存消耗则整体呈现持续增长
我们先看最左边RGBA32的CPU消耗情况,如下两图,分别为加载RGB24纹理时CPU消耗Spike的前期和后期。
![加载RGB24纹理时CPU消耗Spike的前期](http://imgtec.eetrend.com/files/2021-10/%E5%8D%9A%E5%AE%A2/100554381-223279-21.jpg)
![加载RGB24纹理时CPU消耗Spike的后期](http://imgtec.eetrend.com/files/2021-10/%E5%8D%9A%E5%AE%A2/100554381-223280-22.jpg)
不需无头绪地辛苦阅读海量引擎代码,有的放矢,立刻可精确看出Unity在加载纹理时主要工作分两部分:文件加载(File::Read())和纹理上传(UploadTexture2DData())。
而且发现将时间线在前后期中间不管如何细分,都只出现了上面2个主要消耗,说明了只有这两个工作线程在工作,我们只需分析它们相信已足够找出纹理加载的流程。我们也发现在整个纹理加载过程中,主线程只有非常少的Update空转占用,证实纹理加载几乎是脱离主线程工作的。
文件加载函数栈看起来比较通用,先从纹理上传的函数栈看起应该会更快解决问题。
阅读源码,发现其关键流程如下:
AsyncUploadManager.cpp中,AsyncUploadManager.AsyncResourceUpload()从m_UploadQueue不断Dequeue出FileAssetUploadInstruction类型的对象ftuInstr,其非常重要,描述了这次纹理上传的所有关键数据。根据纹理类型,调用了2D纹理函数static Upload2DTexture()。
AsyncUploadManager.cpp中,static Upload2DTexture()将ftuInstr->buffer直接赋值给UInt8* uploadBuffer,至此,首次显式出现了纹理内容的指针,可以看出,非常关键的问题是,到底FileAssetUploadInstruction::buffer是从哪来的?但先不急,先把这个栈看完。接着把uploadBuffer和ftuInstr里几乎所有关于纹理的数据,传递给Texture.cpp的static UploadTexture2DData()。
Texture.cpp文件中,static UploadTexture2DData()调用gfxDevice.UploadTexture2D(),通知GfxDeviceMetal进行纹理上传。
TextureMetal.mm文件中,static UploadTexture()通过[MTLDevice newTextureWithDescriptor]创建Metal的纹理对象,指定了纹理分辨率、格式、mipmap层数等,并且在IOKit区域里已为该对象分配了用于存放纹理内容的内存区域。
TextureMetal.mm文件中,static UploadMipPyramid()为各个mipmap层算出分辨率,最终调用了Metal API[MTLTexture replaceRegion],将对应的纹理数据最终拷贝到了MTLTexture对象中。注本接口名叫“替换replace”,事实上是进行了纹理内容数据进行了“拷贝copy”操作。
通过以上比较啰嗦的分析,可以看出就算是在Metal进行纹理上传,也难免有纹理内容拷贝的过程。用[MTLDevice newTextureWithDescriptor]创建纹理对象及其指向的纹理内容空间,把FileAssetUploadInstruction的buffer数据,加以一定处理(Crunch、纹理格式转换等),最终通过[MTLTexture replaceRegion]将纹理内容数据拷贝到了驱动虚拟内存IOKit区域里。
那到底这个buffer数据到底从哪来的?当然,从上文和类名包含“File”,已经可以猜出是从外存读取得来,但不精确证实不服气,我们将注意力回到上面的文件加载调用栈。堆栈协助代码阅读,发现很简单:
在AsyncReadManagerThreaded.cpp里,
AsyncReadManagerThreaded::ThreadEntry()不断从m_Requests里拿出AsyncReadCommand类型的实例command,
并且打开纹理文件对象指针:File* file = m_OpenFilesCache.OpenCached(command->fileName);
将file的内容,全都读取到command->buffer里:bool readOk = file->Read(command->offset, command->buffer, command->size) == command->size;,说明command->buffer指向的内存已经分配好了内存以供纹理文件读入。
那么command->buffer的内存哪里分配而来呢?
由于内存分配的CPU消耗可能很小,就算是高精度的Sampler也可能在Time Profiler里找不到,这里我们明显要求救于Allocation,如下图,我们选择“Call Trees”分类,框选在加载纹理时,内存飙升时的时段,发现132.03MB内存是在AsyncUploadManager::ManageTextureUploadRingBufferMemory()中分配给m_DataRingBuffer。
![文件读取的缓存应该是在堆上分配](http://imgtec.eetrend.com/files/2021-10/%E5%8D%9A%E5%AE%A2/100554381-223281-23.jpg)
![纹理上传过程中,最大的堆内存分配是分配给了`AyncUploadManager.m_DataRingBuffer`](http://imgtec.eetrend.com/files/2021-10/%E5%8D%9A%E5%AE%A2/100554381-223282-24.jpg)
通过以上种种分析,已经掌握了不少信息和关键字,找出答案已是临门一脚了:
![](http://imgtec.eetrend.com/files/2021-10/%E5%8D%9A%E5%AE%A2/100554381-223283-25.jpg)
AsyncUploadManager::ScheduleAsyncRead()从m_DataRingBuffer申请纹理内容大小的内存空间,同时将指针赋值给asyncReadCommand->buffer和ftuInstr->buffer,从而文件读取线程将纹理文件内容写到asyncReadCommand->buffer指向的堆内存,渲染线程在通过ftuInstr->buffer将纹理内容从同一堆内存获取到。
至此,回答了问题2。
最后的最后,上面提到的RGB24纹理的特殊情况,为什么其虚拟内存占用大小不是64MB,而是和RGBA32一样,都是85.3MB?结合上面已知流程,分析可知,原因是Metal并不支持RGB24,在运行时都会转为RGBA32,如下:
![Metal不支持RGB24,交给GPU使用前需要转换为RGBA32](http://imgtec.eetrend.com/files/2021-10/%E5%8D%9A%E5%AE%A2/100554381-223284-26.jpg)
这能从以下Time Profiler以及Allocation栈轻易证实:
![Metal不支持RGB24,交给GPU使用前需要转换为RGBA32,需要消耗CPU进行一次BlitImage](http://imgtec.eetrend.com/files/2021-10/%E5%8D%9A%E5%AE%A2/100554381-223285-27.jpg)
![Metal不支持RGB24,交给GPU使用前需要转换为RGBA32,需要在堆内存申请临时内存进行一次BlitImage](http://imgtec.eetrend.com/files/2021-10/%E5%8D%9A%E5%AE%A2/100554381-223286-28.jpg)
2.4 结论
通过Profile结果和源码,我们证实了:iOS设备中只有一块物理内存硬件,主存地址和显存地址在同一块虚存地址空间中,虚存最终的确只有一份纹理内容位于IOKit区域中,而且该纹理内容的确就是被GPU所用的纹理。
在纹理上传过程中,Unity先在堆内存申请缓存,然后将纹理文件内容读进缓存里,然后调用图形API将该该纹理内容数据拷贝到IOKit虚存中,供GPU访问。拷贝完成后缓存视乎情况从堆内存释放。
过程中,我们展示了在iOS中各种Profile工具的实际使用方法。
也介绍了一些基础的内存知识和概念。
引用
[1]ifixit - iPhone 6 Teardown
[2]Chipworks Disassembles Apple’s A8 SoC
[3]Metal_(API)#Supported_GPUs#Supported_GPUs)
[4]Metal Best Practices Guide - Resource Options
[5]Metal - Resource Storage Mode
[6]MTLBuffer
[7]Triple Buffering
[8]iOS Memory Deep Dive
[9]Choosing a Resource Storage Mode in iOS and tvOS
[10]MTLBuffer makeTexture
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