[iOS]MetalでGPUコンピューティング(8) MTLComputeCommandEncoder


この記事は、Metal Advent Calendar2016の12日目です。

これまで、MetalのGPUコンピューティングについて解説記事を書いてきました。
[[iOS] MetalでGPUコンピューティング (1) 最小限のコードの記述と特性の把握](http://qiita.com/yuky_az/items/ece9b64befc635e89f1a)
[[iOS] MetalでGPUコンピューティング (2) 群知能](http://qiita.com/yuky_az/items/ce5920f28c08e743418b#_reference-cc4434da198d861bba61)
[[iOS] MetalでGPUコンピューティング (3) MTLDevice](http://qiita.com/yuky_az/items/1992daff208223468e70)
[[iOS] MetalでGPUコンピューティング (4) MTKView](http://qiita.com/yuky_az/items/a2556edcfa417b7d912c)
[[iOS] MetalでGPUコンピューティング (5) MTLLibrary](http://qiita.com/yuky_az/items/fd777dfde0bdef85861e)
[[iOS] MetalでGPUコンピューティング (6) MTLCommandQueue](http://qiita.com/yuky_az/items/e40b8a36035a409d08db)
[[iOS] MetalでGPUコンピューティング (7) MTLCommandBuffer](http://qiita.com/yuky_az/items/b557850ae9dc317f1570)
 本記事では、前回に引き続きAppleが提供するサンプルコードの解説を行います。

扱うサンプルコードは、前回と同じ[ライフゲーム](https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%A9%E3%82%A4%E3%83%95%E3%82%B2%E3%83%BC%E3%83%A0)のアプリ、MetalGameOfLifeです。
 [MetalGameOfLife](https://developer.apple.com/library/content/samplecode/MetalGameOfLife/Introduction/Intro.html)

![IMG_5933.PNG](https://qiita-image-store.s3.amazonaws.com/0/35297/fa9b4e62-91a6-83fb-c60c-3666fc44fdf1.png "IMG_5933.PNG")
（実行画面）

今回は、サンプルコード内の[MTLComputeCommandEncoder](https://developer.apple.com/reference/metal/mtlcomputecommandencoder)について解説を行います。
MTLComputeCommandEncoderはGPUによる並列コンピューティング用の設定や関数をエンコーディングするためのメソッドの集合体です。

MTLComputeCommandEncoderはクラスではなくプロトコルです。
MTLComputeCommandEncoderのオブジェクト（エンコーダー）は、MTLCommandBufferのオブジェクト（コマンドバッファ）により生成されます。そして、エンコーダーによってエンコードされたコンピューティング用のコマンドはコマンドバッファに格納されます。

エンコーディングは、MTLCommandBufferオブジェクトの生成の都度行われます。

繰り返しになるのですが、このサンプルコードは、主に以下のファイルで構成されています。

AAPLRender.h
AAPLRender.m
AAPLViewController.h
AAPLViewController.m
Sharder.metal

このうち、AAPLRender.mには並列コンピューティング及び描画のCPU側のロジックが、Shader.metalには頂点シェーダー、フラグメントシェーダー、GPUコンピューティング用のシェーダーが書かれています。

ここからは、サンプルコード内におけるMTLComputeCommandEncoderの使用箇所を解説していきます。
AAPLRender.mに以下の記述があります。MTLCommandBufferのcomputeCommandEncoderメソッドによりエンコーダーが生成されています。この記述は毎フレームごとに呼ばれる箇所にあります。

```Objective-C:AAPLRender.m
id<MTLComputeCommandEncoder> commandEncoder = [commandBuffer computeCommandEncoder];
```

また、以下のコードでは、MTLComputePipelineStateのオブクジェクトをエンコーダーに設定しています。MTLComputePipelineStateのオブジェクトは、シェーダー内に記述されたこれから実行されるコンピューティング用の関数を含んでいます。

```Objective-C:AAPLRender.m
[commandEncoder setComputePipelineState:self.simulationPipelineState];
```

以下のコードでは、エンコーダーに使用するリソースの指定を行なっています。リソースはシェーダー内の関数の引数として渡されます。

```Objective-C:AAPLRender.m
[commandEncoder setTexture:readTexture atIndex:0];
[commandEncoder setTexture:writeTexture atIndex:1];
[commandEncoder setSamplerState:self.samplerState atIndex:0];
```

上記では、関数へのインプット用のテクスチャ、アウトプット用のテクスチャ、サンプラーが渡されています。テクスチャ、サンプラーにはそれぞれ識別用にインデックスを振ります。バッファを用いて数値データを渡したい場合も、同様にインデックスを振ります。
この辺り、詳細は後の記事で紹介したいと思います。

以下のコードでは、GPUのスレッド及びスレッドグループ数の指定を行い、並列コンピューティング用の関数を、スレッドグループ及びスレッドグループ内のスレッド用にエンコードします。

```Objective-C:AAPLRender.m
MTLSize threadsPerThreadgroup = MTLSizeMake(16, 16, 1);
MTLSize threadgroupCount = MTLSizeMake(ceil((float)self.gridSize.width / threadsPerThreadgroup.width), ceil((float)self.gridSize.height / threadsPerThreadgroup.height), 1);
...
[commandEncoder dispatchThreadgroups:threadgroupCount threadsPerThreadgroup:threadsPerThreadgroup];                                    
```

スレッド及びスレッドグループに関しては後の記事で詳細を解説したいと思います。

以下では、endEncodingメソッドによりエンコーダーからのコマンドが完了したことを宣言しています。この宣言があると、これ以上エンコーダーを使用することはできなくなります。

```Objective-C:AAPLRender.m
[commandEncoder endEncoding];
```

サンプルコード内には毎フレーム必ず呼ばれる箇所の記述もありますが、画面をタップした際に実行される箇所もあります。そこでは異なるMTLComputePipelineStateオブジェクトを指定し、異なるコンピューティング用の関数を指定しています。

```Objective-C:AAPLRender.m
[commandEncoder setComputePipelineState:self.activationPipelineState];
[commandEncoder setTexture:writeTexture atIndex:0];
[commandEncoder setBytes:cellPositions length:byteCount atIndex:0];
[commandEncoder dispatchThreadgroups:threadgroupCount threadsPerThreadgroup:threadsPerThreadgroup];
```

このように、MTLComputeCommandEncoderはコマンドバッファに対して各種のコマンドをエンコードする役割を担っています。

今回はライフゲームのサンプルコード内におけるMTLCommandQueueの解説を行いました。
次回以降、さらに他の箇所についての解説を行なっていきます。