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Vulkan与OpenGL的对比

news 来源：原创 2025/7/13 6:12:17

传统图形API与现代图形API

传统图形API指的是OpenGL/DirectX11这类简单易用、驱动托管严重的图形接口；而现代图形API则指的是Vulkan/Metal/DirectX12这类使用复杂、暴露更多底层硬件功能来显式控制的弱驱动设计的图形接口。
现代图形API与传统图形API相比，使用和设计上有不少的区别，下面总结一些Vulkan与OpenGL的区别来对比说明。

渲染状态管理

OpenGL是一个全局的状态机，而Vulkan提供了PSO（PipelineState Object）来保存不同的管线状态。这样的区别是：

驱动实现

OpenGL由于要在驱动内管理和保存全局的状态，实现复杂。而Vulkan将状态管理暴露给应用层管理，不再需要在驱动层处理，从而驱动实现更为简单。

状态切换性能

OpenGL由于是全局状态机，在渲染时候经常需要设置和恢复状态，都会触发驱动内对全局状态机的管理，容易引发CPU上的性能瓶颈。但是Vulkan的PSO可以进行预编译，将不同的状态提前存储到不同的PSO上，同时对PSO收集离线缓存和提前预加载编译，等到渲染时候进行PSO切换即可。这样可以大幅度降低因为渲染状态切换导致的CPU性能瓶颈。
同时，Vulkan的渲染状态是缓存在PSO内，相比OpenGL的全局状态管理，可能性能本身就更好。

多线程支持

OpenGL只支持单线程提交DC，而Vulkan支持多线程提交DC。
具体思路：Vulkan支持多线程录制command后再提交到command queue。比如，每个线程创建一个command buffer，并行录制command到command buffer，再提交到指定的command queue。
更进一步，Vulkan支持多个command queue，这些queue可能在硬件层（驱动内）是并行的，比如Graphics的queue和compute的queue。

Shader编译

OpenGL将Shader的编译直接交给驱动负责。而Vulkan则将Shader使用spirv-tools编译成跨平台的中间语言spir-v，驱动只负责编译spir-v。这样的好处是：

跨平台：驱动只需要处理中间格式，方便使用工具将不同的语言比如hlsl、glsl等都统一编译成spirv。
性能：驱动只需要编译中间语言，不需要对着色器代码做负责的编译检查语法分析等，性能更好。

资源绑定

OpenGL的资源绑定都是一次API调用，比如glBindTexture等。而Vulkan支持在PSO上一次性绑定多个资产，以及Bindless等。具体可以参考文章系列：游戏引擎随笔 0x13：现代图形 API 的 Bindless，游戏引擎随笔 0x23：再论现代图形 API 的 Bindless（上），游戏引擎随笔 0x24：再论现代图形 API 的 Bindless（下）。

内存管理

OpenGL不支持显式的内存管理，都是托管给驱动负责。但是Vulkan支持或者说必须显式的管理与分配内存，因为驱动不再负责。具体来说是，Vulkan必须应用层申请内存同时进行管理，而OpenGL不需要。

// Vulkan 显式分配显存
VkMemoryAllocateInfo allocInfo{};
allocInfo.allocationSize = size;
allocInfo.memoryTypeIndex = findMemoryType(...);
vkAllocateMemory(device, &allocInfo, nullptr, &deviceMemory);
vkBindBufferMemory(device, buffer, deviceMemory, 0);// OpenGL 隐式分配
GLuint buffer;
glGenBuffers(1, &buffer);
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, buffer);
glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, size, data, GL_STATIC_DRAW);

比如上述代码，OpenGL是直接调用glGenBuffers获得buffer的id即可，内部由驱动去申请和管理内存；而Vulkan则需要调用vkAllocateMemory具体的申请内存，后续的管理和同步也需要应用层负责。因此，理论上Vulkan可以实现更接近应用需要的内存管理机制。

同步机制

这里的同步包括CPU和GPU的同步，以及GPU不同的渲染操作之间的同步等。OpenGL的同步都由驱动隐式完成，应用层无法控制。而Vulkan提供了多种手段来显式控制同步，以更好的优化性能。

Fence用于CPU和GPU之间的同步，比如CPU等待某个GPU操作完成。
Semaphores用GPU内部的同步。
Pipeline Barrier用于同一个queue内同步。
Event可以用于等待Pipeline事件发生，也可以用于CPU和GPU之间的同步。

更具体的内容可以参考文章：游戏引擎随笔 0x07：现代图形 API 的同步。

错误验证

OpenGL由于是驱动管理全局的状态，而且驱动内置了错误管理和验证机制，导致驱动的实现复杂并且有较大的性能损失。相反，Vulkan的错误验证层是可选的组件，并且在Vulkan层，并没有在硬件的驱动内实现；在开发阶段，可以开启验证层排查问题，而真正的运行阶段并没有验证层。

性能：Vulkan没有错误验证层性能更好，驱动实现更简单。
开发：Vulkan由于没有驱动兜底，因此开发难度更大，需要更仔细的调试和验证。

适合场景

以上这些对比区别，都是CPU层面的，因此Vulkan这种现代图形API适合需要对CPU性能做极致优化的场景。如果，性能瓶颈在GPU上，将图形API从OpenGL切换到Vulkan上也无法解决问题。相信随着硬件的发作，Vulkan会逐渐替代OpenGL/OpenGLES成为事实上的默认跨平台图形API。