摘要：Chromium中GPU进程架构导致多个GPU客户端会同时访问GPU服务，而多个GPU客户端可能存在数据依赖关系，例如渲染WebGL页面时，因此需要提供一种同步机制保证GPU操作的先后次序。本文讨论的就是多进程架构下GPU客户端之间的同步问题，以及同步点(SyncPoint)机制的基本原理。

GPU进程架构等基本概念

我们知道，Chromium是一个多进程架构的软件系统。出于安全和稳定性方面的考虑，Chromium有个专门的进程（或者线程）和GPU设备进行交互，执行GL操作，也就是说，任何一条GL命令都必须经由这个进程处理后才提交给GPU驱动，这个进程就是GPU进程。Renderer进程或者Browser进程需要通过IPC才能与GPU进程交互，告诉GPU进程需要执行哪些GL命令。在这个过程中，Renderer进程或Browser进程是GPU进程的客户端，而GPU进程本身扮演着服务端的角色。

GPU客户端和服务端之间GL命令传输是通过命令缓冲区（CommandBuffer）完成的。CommandBuffer是Chromium为解决多进程架构下高效传输数据而设计的，缓冲区使用共享内存存储客户端向服务器端发起的GL命令，GPU客户端发起的每条GL命令，命令名和参数都会被序列化为字符串存储在命令行缓冲区中。当客户端需要将存储在缓冲区中的所有GL命令发送给GPU服务端请求执行时，客户端会向服务端发送GpuCommandBufferMsg_AsyncFlush消息，服务器端收到这条消息后会根据指定的偏移从CommandBuffer中将GL命令反序列化。

在Chromium中，页面的渲染和合成过程都启用了GPU硬件加速，任何一个需要GPU加速的进程都是GPU进程的客户端，换句话说，Renderer进程是GPU客户端，因为它需要请求GPU进程绘制和合成页面的内容，Browser进程也是GPU客户端，因为Browser需要将页面的内容与地址栏等元素进行最终的合成，并显示在屏幕上。

不同GPU客户端是通过mailbox机制进行texture共享的，简单的说，mailbox机制就是给每个texture生成唯一标识，并由GPU进程统一管理名标识和texture之间的映射关系。

GPU客户端之间的同步问题

从上述描述不难看出，GPU进程需要处理来自多个GPU客户端的请求，并且这些GPU客户端可能存在纹理(Texture)数据依赖关系。

下面以Android平台上渲染WebGL页面http://get.webgl.org 为例，说明为什么不同GPU客户端会存在数据依赖关系。

首先，Browser进程是一个GPU客户端，它创建了一个Browser端的合成器（Compositor）请求GPU进程将页面的内容和地址栏等UI元素（如果有）进行最终的合成，并将其渲染到SurfaceView上。Renderer进程也是GPU客户端，它也会创建一个Renderer端的合成器用于页面的合成，而且这个客户端还包含了两个独立的3D上下文，一个用于页面的渲染，另一个用于WebGL的渲染。

其次，在Android平台上，默认启用了委托模式(DelegatedRenderer)的渲染器，因此，Renderer端合成器管理的所有GPU资源（包括WebGL）都会转交给Browser端的合成器，再由Browser端合成器进行统一的合成，当最终的合成操作完成之后，Browser端合成器则会告诉Renderer端资源使用完毕，可以安全删除了。

最后，再来看看WebGL的渲染过程。在硬件加速的页面渲染机制中，页面的内容是由多个渲染层(RenderLayer)构成的，每个渲染层的存储后端对应一个Texture，WebGL正是这样一个渲染层，它具有一个独立的Texture存储后端。在渲染每一帧内容时，Renderer进程会请求GPU进程创建一个新的Texture来存放WebGL的渲染结果，并通过Framebuffer对象将WebGL渲染到这个Texture中。待 WebGL命令完毕后，Renderer端的合成器再将这个Texture以资源形式转交给Browser端的合成器并将其渲染到SurfaceView的指定坐标上。当Browser端合成器完成WebGL的合成之后，会通知Renderer进程可以将这个Texture删除。

那么，从上面的描述中可以推断出整个过程存在哪些问题呢？

第一，Renderer端的合成器和Browser端合成器存在数据依赖关系，是生产者-消费者的关系，即Renderer端的WebGL上下文生成Texture内容，Browser端合成器使用该内容；

第二，WebGL上下文和Browser端合成器存在同步问题。由于所有的GL命令都是在同一线程中执行，而3D上下文是GPU线程的调度基本单位，也就是只有同一个3D上下文中GL命令才能按照顺序逐条执行的。一方面，不同GPU客户端可能运行在不同的进程或者线程中，另一方面，同一GPU客户端的不同3D上下文可能运行在不同的线程中，例如Renderer进程的合成器运行在一个单独的线程中，而WebGL运行在Renderer进程的主线程中。那么显然，不同3D上下文中GL命令执行不会按照指定的次序关系执行，这里就引申出一个问题，对于WebGL页面渲染来说，如何保证：

• 只有当WebGL上下文的GL命令执行完毕后，Browser端合成器才能使用；
• 只有当Browser端合成器使用完WebGL的Texture后，WebGL上下文才能安全删除；

这就是GPU客户端之间的同步问题，本文接下来将重点讨论Chromium是如何解决这个问题的。

同步点机制的基本原理

Chromium通过GL扩展接口设计了一套同步机制解决不同GPU客户端之间的同步问题，这套机制必须满足两个条件：

第一，上下文A可以等待上下文B执行完GL命令后再执行后续的GL命令；

第二，上下文A中的这种等待必须是非阻塞的，也就是说GPU客户端代码的执行不能被阻塞；

根据gpu/gles2/extensions/GL_CHROMIUM_sync_point.text文件所述，同步点机制定义了两个特定于Chromium的GL扩展接口：

        uint InsertSyncPointCHROMIUM()
        void WaitSyncPointCHROMIUM(uint sync_point)

InsertSyncPointCHROMIUM在当前上下文中创建一个同步点并将其插入到命令流中，这个同步点起到一个防护墙的作用，当这个同步点之前的命令都已经提交到服务器，或者上下文被销毁时，会向该同步点发个信号。返回同步点的标识符。收到信号后，这个同步点会被删除点。在同一个服务器上同步点标识符在所有上下文中是唯一的，包括同一共享组的上下文。

WaitSyncPointCHROMIUM导致当前上下文暂停提交GL命令，直到指定同步点收到信号，被实现为服务端的等待。参数sync_point为InsertSyncPointCHROMIUM返回的同步点标识符。如果sync_point参数无效，这个命令相当于no-op操作并且不会报错。

以上文档化的描述读起来有些晦涩难懂，下面通过一个简化的例子更直观地说明SyncPoint在Chromium中的运行原理：

假设有两个上下文A和B，它们可能在不同的GPU客户端中，但属于同一个共享组（ShareGroup），GPU客户端代码中通过调用InsertSyncPointCHROMIUM在上下文A的命令流中插入一个同步点sp，而在上下文B中，调用WaitSyncPointCHROMIUM等待同步点sp，最终在GPU服务端执行GL命令的顺序为，只有当上下文A中同步点sp之前的GL命令A1，A2和A3执行完毕后，才会执行上下文B中的GL命令B3。

更进一步地说，上下文B中调用WaitSyncPointCHROMIUM(sp)，实际上是告诉GPU服务端停止向GPU设备提交上下文B后续的GL命令，取而代之的是：

• 如果此时上下文A的同步点sp之前的GL命令都已经执行完毕，即同步点sp收到信号，已经从被删除了，那么可以忽略WaitSyncPointCHROMIUM了，继续执行上下文B中后续的GL命令；
• 如果此时上下文A的同步点sp之前的GL命令尚未执行，那么取而代之的是将等待上下文A中sp点之前的GL命令执行完毕。这个等待发生在GPU服务端的，不会阻塞GPU客户端后续代码的运行（如Renderer进行的运行）。

综上所述，同步点机制允许客户端设定不同上下文之间GL命令执行的次序，上下文B等待上下文A的同步点实际上是保证A中同步点之前的命令在B中后续命令之前执行。

未完待续...下节将从Chromium源代码中解读同步点机制是如何实现的

Chromium Graphics: GPU客户端之间同步机制的原理和实现分析-Part I