一、什么是 Swapchain？

在 Vulkan 中，Swapchain 可以理解为：

一组用来显示画面的图像。

GPU 渲染出来的画面，并不是直接显示到屏幕上的，而是先画到一张图像里，然后再把这张图像交给窗口系统显示。

这个“管理多张显示图像”的东西，就是 Swapchain。

简单来说：

GPU 渲染画面
    ↓
写入 Swapchain 图像
    ↓
提交给窗口系统
    ↓
显示到屏幕

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二、为什么需要 Swapchain？

如果 GPU 正在画一张图，而屏幕也正在显示同一张图，就可能出现画面撕裂、闪烁等问题。

所以 Vulkan 不会只使用一张图像，而是使用多张图像轮流工作。

例如三缓冲可以理解为：

图像 A：正在屏幕上显示
图像 B：GPU 正在渲染
图像 C：等待下一次使用

这样可以让显示和渲染互不干扰。

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三、Surface 和 Swapchain 的关系

在 Vulkan 中，窗口本身不能直接拿来渲染。

我们需要先创建一个 Surface，它表示一个窗口表面。

然后基于这个 Surface 创建 Swapchain。

关系如下：

窗口
 ↓
VkSurfaceKHR
 ↓
VkSwapchainKHR
 ↓
Swapchain Images
 ↓
屏幕显示

可以这样理解：

• VkSurfaceKHR：我要显示到哪个窗口；

• VkSwapchainKHR：我要用哪些图像轮流显示；

• VkImage：真正存放画面的图像。

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四、Swapchain 每一帧做了什么？

Vulkan 每一帧的显示流程大致是：

1. 从 Swapchain 取一张可用图像
2. GPU 把画面渲染到这张图像上
3. 渲染完成后，把图像交给显示系统
4. 屏幕显示这张图像

对应的核心 Vulkan 函数是：

vkAcquireNextImageKHR(); // 从 Swapchain 获取图像

vkQueueSubmit();         // 提交 GPU 渲染命令

vkQueuePresentKHR();     // 把渲染好的图像显示到屏幕

可以记成一句话：

acquire 拿图，submit 渲染，present 显示。

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五、创建 Swapchain 之前要检查什么？

创建 Swapchain 之前，一般要检查三件事。

1. 显卡是否支持 Swapchain 扩展

Swapchain 需要启用这个扩展：

VK_KHR_SWAPCHAIN_EXTENSION_NAME

创建设备时要把它加入扩展列表：

const std::vector<const char*> deviceExtensions = {
    VK_KHR_SWAPCHAIN_EXTENSION_NAME
};

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2. 队列是否支持显示到窗口

Vulkan 中有不同类型的队列。

我们通常至少需要：

Graphics Queue：负责渲染
Present Queue ：负责显示

有些显卡上这两个队列可能是同一个，有些平台上可能不是。

所以创建 Swapchain 前，需要确认当前设备既能渲染，又能显示到这个窗口。

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3. Surface 是否支持可用格式

Swapchain 需要选择图像格式，例如：

VK_FORMAT_B8G8R8A8_SRGB

也要选择色彩空间，例如：

VK_COLOR_SPACE_SRGB_NONLINEAR_KHR

通俗理解：

这一步是在决定屏幕图像的颜色格式。

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六、Swapchain 的几个重要参数

创建 Swapchain 时，最重要的是下面几个参数。

1. 图像格式 Format

决定每个像素怎么存颜色。

常见选择：

VK_FORMAT_B8G8R8A8_SRGB

它表示每个像素包含：

B：蓝色
G：绿色
R：红色
A：透明度

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2. 显示模式 Present Mode

Present Mode 决定图像怎么显示到屏幕。

常见的有：

VK_PRESENT_MODE_FIFO_KHR
VK_PRESENT_MODE_MAILBOX_KHR
VK_PRESENT_MODE_IMMEDIATE_KHR

简单理解：

模式	特点
FIFO	类似垂直同步，稳定，不撕裂
MAILBOX	延迟较低，适合实时渲染
IMMEDIATE	立即显示，但可能画面撕裂

一般可以优先选择：

VK_PRESENT_MODE_MAILBOX_KHR

如果不支持，就使用：

VK_PRESENT_MODE_FIFO_KHR

因为 FIFO 是 Vulkan 保证支持的模式。

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3. 图像大小 Extent

Extent 表示 Swapchain 图像的宽和高。

一般应该和窗口的 framebuffer 大小一致。

使用 GLFW 时，推荐这样获取：

glfwGetFramebufferSize(window, &width, &height);

不要简单使用窗口逻辑大小，因为高 DPI 屏幕上两者可能不一样。

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4. 图像数量 Image Count

Swapchain 里面有多少张图像。

常见做法是：

uint32_t imageCount = minImageCount + 1;

这样比最少数量多一张，可以减少等待。

常见情况：

2 张图像：双缓冲
3 张图像：三缓冲

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七、创建 Swapchain 的核心代码

下面是一个简化版创建流程：

VkSwapchainCreateInfoKHR createInfo{};
createInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_SWAPCHAIN_CREATE_INFO_KHR;

createInfo.surface = surface;

createInfo.minImageCount = imageCount;
createInfo.imageFormat = surfaceFormat.format;
createInfo.imageColorSpace = surfaceFormat.colorSpace;
createInfo.imageExtent = extent;

createInfo.imageArrayLayers = 1;
createInfo.imageUsage = VK_IMAGE_USAGE_COLOR_ATTACHMENT_BIT;

createInfo.imageSharingMode = VK_SHARING_MODE_EXCLUSIVE;

createInfo.preTransform = capabilities.currentTransform;
createInfo.compositeAlpha = VK_COMPOSITE_ALPHA_OPAQUE_BIT_KHR;

createInfo.presentMode = presentMode;
createInfo.clipped = VK_TRUE;
createInfo.oldSwapchain = VK_NULL_HANDLE;

if (vkCreateSwapchainKHR(device, &createInfo, nullptr, &swapChain) != VK_SUCCESS) {
    throw std::runtime_error("failed to create swap chain!");
}

这里最重要的几个字段是：

surface

表示显示到哪个窗口。

imageFormat

表示图像格式。

imageExtent

表示图像大小。

presentMode

表示显示方式。

imageUsage

表示这张图像要用来做什么。

如果我们要把它作为渲染目标，一般使用：

VK_IMAGE_USAGE_COLOR_ATTACHMENT_BIT

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八、获取 Swapchain 图像

创建 Swapchain 后，需要获取它内部的图像：

vkGetSwapchainImagesKHR(device, swapChain, &imageCount, nullptr);

swapChainImages.resize(imageCount);

vkGetSwapchainImagesKHR(
    device,
    swapChain,
    &imageCount,
    swapChainImages.data()
);

这些图像是 Swapchain 自己创建的。

我们只需要使用它们，不需要自己销毁它们。

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九、为什么还要创建 Image View？

在 Vulkan 中，VkImage 不能直接拿来当渲染目标。

通常需要为每张 Swapchain Image 创建一个 VkImageView。

可以理解为：

VkImage     ：真正的图像数据
VkImageView ：访问这张图像的方式

创建 Image View 后，Swapchain 图像才能更方便地被 Render Pass 或 Framebuffer 使用。

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十、Swapchain 和 Framebuffer 的关系

如果使用传统 Render Pass，一般每张 Swapchain Image 都会对应一个 Framebuffer。

关系如下：

Swapchain Image 0 → Image View 0 → Framebuffer 0
Swapchain Image 1 → Image View 1 → Framebuffer 1
Swapchain Image 2 → Image View 2 → Framebuffer 2

每一帧获取到哪张 Swapchain Image，就使用对应的 Framebuffer 渲染。

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十一、每帧渲染流程

每一帧一般这样写：

uint32_t imageIndex;

vkAcquireNextImageKHR(
    device,
    swapChain,
    UINT64_MAX,
    imageAvailableSemaphore,
    VK_NULL_HANDLE,
    &imageIndex
);

// 记录命令，把画面渲染到 imageIndex 对应的 framebuffer

vkQueueSubmit(graphicsQueue, 1, &submitInfo, inFlightFence);

vkQueuePresentKHR(presentQueue, &presentInfo);

核心逻辑是：

获取图像 → 渲染图像 → 显示图像

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十二、Swapchain 里的同步对象

Swapchain 渲染通常会用到三个同步对象。

1. imageAvailableSemaphore

表示：

Swapchain 图像已经可以用了

也就是说，GPU 可以开始往这张图像上渲染了。

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2. renderFinishedSemaphore

表示：

GPU 已经渲染完成了

只有渲染完成后，图像才能交给屏幕显示。

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3. inFlightFence

Fence 是给 CPU 用的。

它的作用是：

防止 CPU 太快，重复使用 GPU 还没处理完的资源

例如 command buffer、uniform buffer 等。

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十三、窗口大小变化怎么办？

窗口大小变化时，Swapchain 通常需要重建。

因为 Swapchain 图像大小要和窗口大小匹配。

常见触发情况：

窗口 resize
窗口最小化后恢复
屏幕旋转
vkAcquireNextImageKHR 返回 VK_ERROR_OUT_OF_DATE_KHR
vkQueuePresentKHR 返回 VK_ERROR_OUT_OF_DATE_KHR

重建流程一般是：

等待设备空闲
 ↓
销毁旧 Swapchain 相关资源
 ↓
重新创建 Swapchain
 ↓
重新创建 Image View
 ↓
重新创建 Framebuffer
 ↓
继续渲染

简化代码：

void recreateSwapChain() {
    vkDeviceWaitIdle(device);

    cleanupSwapChain();

    createSwapChain();
    createImageViews();
    createFramebuffers();
}

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十四、常见错误

1. 忘记启用 Swapchain 扩展

必须启用：

VK_KHR_SWAPCHAIN_EXTENSION_NAME

否则无法创建 Swapchain。

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2. 忘记处理窗口大小变化

窗口 resize 后，旧 Swapchain 可能不能继续使用，需要重建。

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3. 把 currentFrame 和 imageIndex 搞混

这是初学者常见错误。

currentFrame

表示当前是第几帧资源。

imageIndex

表示当前拿到的是第几张 Swapchain 图像。

二者不是同一个东西。

正确做法是：

recordCommandBuffer(commandBuffers[currentFrame], imageIndex);

命令缓冲区可以按 currentFrame 使用，但 framebuffer 要根据 imageIndex 选择。

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4. 没有正确同步

如果没有正确使用 semaphore 和 fence，可能出现：

图像还没准备好就开始渲染
图像还没渲染完就拿去显示
CPU 重复使用 GPU 正在用的资源

所以 Swapchain 渲染一定要处理同步。

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十五、总结

Swapchain 是 Vulkan 中负责“把画面显示到屏幕上”的核心机制。

可以把它理解成：

Vulkan 准备了一组图像，GPU 轮流往这些图像上画画，画完之后交给屏幕显示。

它的基本流程是：

Acquire Image
      ↓
Render
      ↓
Present

也就是：

拿图像 → 渲染 → 显示

Swapchain 需要关注几个重点：

1. 它依赖 VkSurfaceKHR；

2. 它内部包含多张 VkImage；

3. 每张图像通常需要创建 VkImageView；

4. 使用传统 Render Pass 时，每张图像一般对应一个 Framebuffer；

5. 每帧需要先 acquire，再 submit，最后 present；

6. 渲染和显示之间必须正确同步；

7. 窗口大小变化时需要重建 Swapchain。

如果说 Pipeline 负责“怎么画”，Shader 负责“画什么效果”，那么 Swapchain 负责的就是：

把 GPU 画好的最终结果送到屏幕上。

掌握 Swapchain 后，Vulkan 的窗口显示流程就会清晰很多。