前言：本教程為筆者依據教程https://docs.vulkan.net.cn/spec/latest/index.html#_about進行Vulkan學習并結合自己的理解整理的筆記，供大家學習和參考。

（注意：代碼僅為片段，非完整程序）

學習前提：

支持Vulkan的顯卡以及驅動程序(NVIDIA，AMD，Intel)
具備C++編程經驗(熟悉RAII，初始化列表)
支持C++的編譯器(Visual Studio 2017+，GCC 7+)

往期回顧：
Vulkan入門教程 | 第一部分：Vulkan簡介

一、概述

本教程將逐步解釋如何創建一個基礎的Vulkan實例，這是所有Vulkan程序的起點。Vulkan實例是應用程序與Vulkan驅動程序之間的連接橋梁，它相當于一個"會話"，告訴系統"我的程序要使用Vulkan了，請為我分配相應的資源"。傳統的OpenGL采用全局狀態機模式，而Vulkan采用顯式的對象模型。這意味著：

• 顯式控制：你必須明確告訴系統你要做什么
• 多實例支持：同一個程序可以創建多個Vulkan實例
• 更好的錯誤檢測：每個操作都有明確的返回值

實例負責以下關鍵功能：

• 初始化Vulkan系統?- 加載驅動和底層資源

• 管理擴展和驗證層?- 控制額外功能和調試工具

• 查詢可用硬件?- 發現系統中的物理設備（GPU）

• 平臺抽象?- 提供跨不同操作系統的一致接口

二、完整流程

1、添加頭文件

#define GLFW_INCLUDE_VULKAN
#include <GLFW/glfw3.h>#include <iostream>
#include <stdexcept>
#include <cstdlib>

（1）?#define GLFW_INCLUDE_VULKAN 是GLFW庫的配置宏，它的核心作用是啟用GLFW對Vulkan的原生支持。當定義此宏后，GLFW會在內部進行以下關鍵操作：

• 自動包含Vulkan核心頭文件<vulkan/vulkan.h>

• 激活GLFW中與Vulkan相關的函數實現

• 建立GLFW窗口系統與Vulkan之間的連接橋梁

• 處理不同平臺上Vulkan頭文件的包含差異

沒有這個宏定義，GLFW將無法提供Vulkan所需的窗口表面擴展，導致實例創建失敗。它是連接GLFW窗口系統和Vulkan API的關鍵開關。

（2）#include <GLFW/glfw3.h>是GLFW庫的主頭文件，提供跨平臺的窗口創建和事件處理功能。在Vulkan開發中，它具體負責：

• 創建和管理操作系統原生窗口

• 處理鍵盤、鼠標等輸入事件

• 提供與Vulkan兼容的窗口表面

• 封裝不同操作系統的原生窗口API（Windows的Win32、macOS的Cocoa、Linux的X11/Wayland）

• 實現glfwGetRequiredInstanceExtensions()函數，獲取平臺特定的Vulkan擴展

GLFW抽象了底層平臺的窗口創建細節，使開發者能夠用統一的API創建適用于Vulkan的渲染窗口，無需編寫平臺特定的代碼。

（3）#include <iostream>是C++標準輸入輸出庫頭文件，主要用于錯誤報告和控制臺輸出。

（4）#include <stdexcept>是C++標準異常處理頭文件，提供標準異常類。這個頭文件實現了錯誤處理的標準化，使代碼能通過統一的異常處理機制管理Vulkan API可能返回的各種錯誤。

（5）#include <cstdlib>是C標準庫的C++封裝頭文件，提供程序基本控制功能：

• 定義程序退出碼EXIT_SUCCESS和EXIT_FAILURE

• 當捕獲到異常時，返回EXIT_FAILURE表示異常終止

• 程序正常結束時返回EXIT_SUCCESS

• 提供內存管理、隨機數生成等基礎功能

2、類封裝的整體架構設計

class HelloTriangleApplication {
public:void run() {initWindow();//1、初始化階段initVulkan();//2、資源準備階段mainLoop();//3、運行階段cleanup();//4、清理階段}
private:GLFWwindow* window;//GLFW窗口指針VkInstance instance;//Vulkan實例句柄，這是我們與Vulkan驅動通信的橋梁// 其他私有成員...
};

類封裝遵循RAII原則，資源獲取即初始化，離開作用域自動清理，確保了資源的正確分配和釋放，保證即使程序出現異常，析構函數也會被調用。

run()函數體現了一個經典的應用程序生命周期模式：初始化—>資源準備—>運行主循環—>清理資源，每個階段都可以獨立測試。

3、初始化窗口系統（GLFW）

const uint32_t WIDTH = 800;//定義窗口的寬度
const uint32_t HEIGHT = 600;//定義窗口的高度//類的私有成員函數
void initWindow() {glfwInit();//初始化GLFW庫glfwWindowHint(GLFW_CLIENT_API, GLFW_NO_API);//不使用OpenGLglfwWindowHint(GLFW_RESIZABLE, GLFW_FALSE);//禁用窗口大小調整//創建實際的窗口，參數分別是寬度、高度、窗口標題、顯示器和共享上下文window = glfwCreateWindow(WIDTH, HEIGHT, "Vulkan", nullptr, nullptr);
}

?這個函數只負責窗口相關的初始化，不涉及任何Vulkan代碼。其中窗口大小變化涉及交換鏈重建等復雜概念，初學時選擇禁用窗口大小調整。

4、創建Vulkan實例

//類的私有成員函數
void initVulkan() {createInstance();
}void createInstance() {// 配置應用程序信息VkApplicationInfo appInfo{};appInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_APPLICATION_INFO;appInfo.pApplicationName = "Hello Triangle";appInfo.applicationVersion = VK_MAKE_VERSION(1, 0, 0);appInfo.pEngineName = "No Engine";appInfo.engineVersion = VK_MAKE_VERSION(1, 0, 0);appInfo.apiVersion = VK_API_VERSION_1_0;// 獲取GLFW所需的Vulkan擴展uint32_t glfwExtensionCount = 0;const char** glfwExtensions;glfwExtensions = glfwGetRequiredInstanceExtensions(&glfwExtensionCount);// 配置實例創建信息VkInstanceCreateInfo createInfo{};createInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_INSTANCE_CREATE_INFO;createInfo.pApplicationInfo = &appInfo;createInfo.enabledExtensionCount = glfwExtensionCount;createInfo.ppEnabledExtensionNames = glfwExtensions;createInfo.enabledLayerCount = 0; // 禁用驗證層// 創建Vulkan實例if (vkCreateInstance(&createInfo, nullptr, &instance) != VK_SUCCESS) {throw std::runtime_error("failed to create instance!");}
}

目前只在Vulkan初始化函數initVulkan()中調用了createInstance()，這是Vulkan初始化的第一步，在完成的Vulkan應用中，這里還會包括物理設備選擇、邏輯設備創建等步驟。createInstance() 是創建實例的核心內容，分為以下幾個部分：

//第一部分：應用程序信息結構體
VkApplicationInfo appInfo{};//描述應用程序的基本信息
appInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_APPLICATION_INFO;//結構體類型標識符，Vulkan的所有結構體都需要設置這個字段
appInfo.pApplicationName = "Hello Triangle";//應用程序名稱，可以被驅動程序用于優化
appInfo.applicationVersion = VK_MAKE_VERSION(1, 0, 0);//應用程序版本號，使用VK_MAKE_VERSION宏創建
appInfo.pEngineName = "No Engine";//使用的引擎名稱，這里寫"No Engine"表示沒有使用特定引擎
appInfo.engineVersion = VK_MAKE_VERSION(1, 0, 0);//引擎版本號
appInfo.apiVersion = VK_API_VERSION_1_0;//應用程序期望使用的Vulkan API版本

sType是結構體類型標識符，Vulkan的所有結構體都需要設置這個字段。在Vulkan的C語言環境中，由于缺乏C++的類型系統，每個結構體都必須通過sType字段來聲明自己的類型。當這個結構體稍后被傳遞給驅動程序時，驅動程序會首先檢查這個字段，確認接收到的確實是一個ApplicationInfo結構體，然后才會按照相應的格式來解析其他字段。

為什么需要sType？

• 類型安全：Vulkan使用C語言編寫，沒有C++的類型系統，sType提供運行時類型檢查
• 版本兼容性：不同版本的Vulkan可能有不同的結構體布局，sType幫助驅動程序正確解析
• 擴展支持：未來的擴展可以通過sType識別新的結構體類型

//第二部分：實例創建信息結構體
VkInstanceCreateInfo createInfo{};//用于創建Vulkan實例的信息結構體
createInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_INSTANCE_CREATE_INFO;//同樣需要設置結構體類型標識符
createInfo.pApplicationInfo = &appInfo;//指向前面創建的應用程序信息結構體

這個階段開始構建實例創建的主控制結構。VkInstanceCreateInfo是整個創建過程的核心數據結構，它將收集所有必要的信息，然后一次性傳遞給實例創建函數。

createInfo.pApplicationInfo = &appInfo;這行代碼建立了創建信息與應用程序信息之間的引用關系。通過指針傳遞而不是值拷貝，避免了大量數據的復制開銷。當稍后調用vkCreateInstance時，驅動程序會通過這個指針訪問應用程序信息。pApplicationInfo指針的作用：

• 信息傳遞：將應用程序信息傳遞給實例創建過程
• 內存效率：避免復制大量數據，使用指針引用
• 可選性：pApplicationInfo可以為nullptr，但提供信息有助于優化

//第三部分：GLFW擴展配置
uint32_t glfwExtensionCount = 0;
const char** glfwExtensions;
glfwExtensions = glfwGetRequiredInstanceExtensions(&glfwExtensionCount);//GLFW告訴我們需要哪些Vulkan擴展才能與窗口系統交互
createInfo.enabledExtensionCount = glfwExtensionCount;//指定要啟用的擴展數量
createInfo.ppEnabledExtensionNames = glfwExtensions;//指定要啟用的擴展名稱列表

前三行代碼執行了一個需求查詢過程。GLFW作為窗口管理庫，了解當前平臺需要哪些Vulkan擴展才能實現窗口與Vulkan的集成。glfwGetRequiredInstanceExtensions函數的執行過程是這樣的：GLFW內部會檢測當前的操作系統和窗口系統，然后返回相應的擴展名稱列表。在Windows上，它可能返回VK_KHR_surface和VK_KHR_win32_surface；在Linux上，可能返回VK_KHR_surface和VK_KHR_xlib_surface。

GLFW需要的典型擴展：

• VK_KHR_surface：跨平臺窗口表面抽象
• VK_KHR_win32_surface（Windows）或VK_KHR_xlib_surface（Linux）：平臺特定的表面擴展

后兩行代碼將GLFW提供的擴展需求注冊到創建信息中。enabledExtensionCount告訴驅動程序有多少個擴展需要啟用，ppEnabledExtensionNames提供了擴展名稱的字符串數組。

當驅動程序稍后處理創建請求時，會逐一檢查這些擴展是否可用，如果任何一個擴展不存在或不兼容，整個創建過程就會失敗。

//第四部分：驗證層配置
createInfo.enabledLayerCount = 0;//設置為0表示不啟用任何驗證層，適用于發布版本

這行代碼明確設置不啟用任何驗證層。驗證層是Vulkan提供的調試和開發輔助工具，它們會攔截API調用進行額外的檢查和驗證。將計數設置為0表示這是一個發布版本的配置，追求最佳性能而不是調試便利性。下一篇會詳細介紹驗證層，驗證層的攔截機制為：

應用程序調用 → 驗證層 → 驅動程序
? ? ?↑ ? ? ? ? ? ? ? ?↓
? ?返回結果 ? ? ? ?檢查參數/狀態

//第五部分：創建實例
if (vkCreateInstance(&createInfo, nullptr, &instance) != VK_SUCCESS) {throw std::runtime_error("failed to create instance!");//如果不等于VK_SUCCESS，說明創建失敗，拋出異常
}

?這段代碼執行了整個過程的核心系統調用。vkCreateInstance函數接收三個參數：

第一個參數&createInfo將前面精心準備的所有配置信息傳遞給驅動程序。驅動程序會詳細檢查這個結構體中的每一個字段，驗證應用程序的需求是否可以滿足。

第二個參數nullptr表示使用默認的內存分配器。Vulkan允許應用程序提供自定義的內存分配策略，但在這個簡單示例中使用系統默認的分配器。

第三個參數&instance是一個輸出參數，成功創建后，新實例的句柄會被寫入這個變量中。

函數調用完成后，代碼立即檢查返回值，可能的返回值及含義：

• VK_SUCCESS：創建成功
• VK_ERROR_OUT_OF_HOST_MEMORY：主機內存不足
• VK_ERROR_OUT_OF_DEVICE_MEMORY：設備內存不足
• VK_ERROR_INITIALIZATION_FAILED：初始化失敗
• VK_ERROR_LAYER_NOT_PRESENT：請求的驗證層不可用
• VK_ERROR_EXTENSION_NOT_PRESENT：請求的擴展不可用
• VK_ERROR_INCOMPATIBLE_DRIVER：驅動程序不兼容

5、主循環

void mainLoop() {while (!glfwWindowShouldClose(window)) {//檢查窗口是否應該關閉glfwPollEvents();//處理窗口事件（如鍵盤、鼠標輸入）}
}

?標準的GLFW事件循環。

6、資源清理

void cleanup() {vkDestroyInstance(instance, nullptr);//銷毀Vulkan實例，釋放相關資源glfwDestroyWindow(window);//銷毀GLFW窗口glfwTerminate();//終止GLFW庫
}

?7、主函數和異常處理

int main() {HelloTriangleApplication app;//對象創建//如果運行過程中拋出任何繼承自std::exception的異常，程序會捕獲并處理try {app.run();//應用程序的主要執行函數} catch (const std::exception& e) {std::cerr << e.what() << std::endl;//錯誤信息輸出到標準錯誤流return EXIT_FAILURE;}return EXIT_SUCCESS;
}

使用異常處理機制，確保程序能夠優雅地處理錯誤，如果出現異常，打印錯誤信息并返回失敗狀態。

總結

當vvkCreateInstance成功返回后，instance變量中就包含了一個有效的Vulkan實例句柄。這個句柄實際上是一個指向復雜內部結構的指針，該結構包含了：

• 所有啟用擴展的函數指針表
• 應用程序信息的副本
• 平臺特定的窗口系統集成代碼
• 內存分配器的配置信息
• 錯誤處理和調試回調的設置

此時，應用程序就獲得了訪問Vulkan功能的基礎憑證，可以進行后續的物理設備枚舉、邏輯設備創建等操作。實例的生命周期將貫穿整個應用程序運行期間，直到程序退出時在cleanup()函數中被銷毀。

這整個創建過程體現了Vulkan先配置后執行的設計哲學：應用程序需要詳細描述自己的需求和配置，然后系統根據這些描述一次性完成所有初始化工作，避免了運行時的不確定性和性能開銷。

該部分的完整代碼如下：
（1）無注釋版：

#define GLFW_INCLUDE_VULKAN
#include <GLFW/glfw3.h>#include <iostream>
#include <stdexcept>
#include <cstdlib>const uint32_t WIDTH = 800;
const uint32_t HEIGHT = 600;class HelloTriangleApplication {
public:void run() {initWindow();initVulkan();mainLoop();cleanup();}private:GLFWwindow* window;VkInstance instance;void initWindow() {glfwInit();glfwWindowHint(GLFW_CLIENT_API, GLFW_NO_API);glfwWindowHint(GLFW_RESIZABLE, GLFW_FALSE);window = glfwCreateWindow(WIDTH, HEIGHT, "Vulkan", nullptr, nullptr);}void initVulkan() {createInstance();}void mainLoop() {while (!glfwWindowShouldClose(window)) {glfwPollEvents();}}void cleanup() {vkDestroyInstance(instance, nullptr);glfwDestroyWindow(window);glfwTerminate();}void createInstance() {VkApplicationInfo appInfo{};appInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_APPLICATION_INFO;appInfo.pApplicationName = "Hello Triangle";appInfo.applicationVersion = VK_MAKE_VERSION(1, 0, 0);appInfo.pEngineName = "No Engine";appInfo.engineVersion = VK_MAKE_VERSION(1, 0, 0);appInfo.apiVersion = VK_API_VERSION_1_0;VkInstanceCreateInfo createInfo{};createInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_INSTANCE_CREATE_INFO;createInfo.pApplicationInfo = &appInfo;uint32_t glfwExtensionCount = 0;const char** glfwExtensions;glfwExtensions = glfwGetRequiredInstanceExtensions(&glfwExtensionCount);createInfo.enabledExtensionCount = glfwExtensionCount;createInfo.ppEnabledExtensionNames = glfwExtensions;createInfo.enabledLayerCount = 0;if (vkCreateInstance(&createInfo, nullptr, &instance) != VK_SUCCESS) {throw std::runtime_error("failed to create instance!");}}
};int main() {HelloTriangleApplication app;try {app.run();} catch (const std::exception& e) {std::cerr << e.what() << std::endl;return EXIT_FAILURE;}return EXIT_SUCCESS;
}

（2）詳細注釋版：

// 定義GLFW_INCLUDE_VULKAN宏，讓GLFW自動包含Vulkan頭文件
// 這樣我們就不需要單獨包含vulkan.h了
#define GLFW_INCLUDE_VULKAN
#include <GLFW/glfw3.h>// 標準C++庫頭文件
#include <iostream>    // 用于輸出錯誤信息
#include <stdexcept>   // 用于異常處理
#include <cstdlib>     // 用于EXIT_SUCCESS和EXIT_FAILURE常量// 定義窗口的寬度和高度常量
const uint32_t WIDTH = 800;
const uint32_t HEIGHT = 600;class HelloTriangleApplication {
public:// 主運行函數，按順序執行初始化、主循環和清理void run() {initWindow();    // 初始化GLFW窗口initVulkan();    // 初始化Vulkan相關資源mainLoop();      // 進入主事件循環cleanup();       // 清理所有資源}private:GLFWwindow* window;    // GLFW窗口指針VkInstance instance;   // Vulkan實例句柄，這是使用Vulkan API的入口點// 初始化GLFW窗口void initWindow() {// 初始化GLFW庫glfwInit();// 設置窗口提示：不使用任何圖形API（因為我們要使用Vulkan）glfwWindowHint(GLFW_CLIENT_API, GLFW_NO_API);// 設置窗口提示：禁止窗口大小調整（簡化示例代碼）glfwWindowHint(GLFW_RESIZABLE, GLFW_FALSE);// 創建窗口：寬度、高度、標題、監視器（nullptr表示窗口模式）、共享窗口（nullptr表示不共享）window = glfwCreateWindow(WIDTH, HEIGHT, "Vulkan", nullptr, nullptr);}// 初始化Vulkan相關資源void initVulkan() {createInstance();    // 創建Vulkan實例}// 主事件循環void mainLoop() {// 持續運行直到用戶關閉窗口while (!glfwWindowShouldClose(window)) {glfwPollEvents();    // 處理窗口事件（如鍵盤、鼠標輸入）}}// 清理所有資源void cleanup() {// 銷毀Vulkan實例（必須在glfwTerminate之前調用）vkDestroyInstance(instance, nullptr);// 銷毀GLFW窗口glfwDestroyWindow(window);// 終止GLFW庫glfwTerminate();}// 創建Vulkan實例的核心函數void createInstance() {// 步驟1：填充應用程序信息結構體VkApplicationInfo appInfo{};    // {}初始化所有成員為零// 指定結構體類型（Vulkan中每個結構體都需要指定類型）appInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_APPLICATION_INFO;// 應用程序名稱（可選，但有助于驅動程序優化）appInfo.pApplicationName = "Hello Triangle";// 應用程序版本（使用VK_MAKE_VERSION宏創建版本號：主版本.次版本.補丁版本）appInfo.applicationVersion = VK_MAKE_VERSION(1, 0, 0);// 引擎名稱（如果使用游戲引擎的話）appInfo.pEngineName = "No Engine";// 引擎版本appInfo.engineVersion = VK_MAKE_VERSION(1, 0, 0);// 要使用的Vulkan API版本appInfo.apiVersion = VK_API_VERSION_1_0;// 步驟2：填充實例創建信息結構體VkInstanceCreateInfo createInfo{};// 指定結構體類型createInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_INSTANCE_CREATE_INFO;// 指向應用程序信息的指針createInfo.pApplicationInfo = &appInfo;// 步驟3：獲取GLFW需要的Vulkan擴展uint32_t glfwExtensionCount = 0;    // 擴展數量const char** glfwExtensions;        // 擴展名稱數組// GLFW告訴我們它需要哪些Vulkan擴展來創建窗口表面glfwExtensions = glfwGetRequiredInstanceExtensions(&glfwExtensionCount);// 將GLFW需要的擴展添加到實例創建信息中createInfo.enabledExtensionCount = glfwExtensionCount;      // 擴展數量createInfo.ppEnabledExtensionNames = glfwExtensions;        // 擴展名稱數組// 步驟4：驗證層設置（這里暫時設為0，不啟用任何驗證層）createInfo.enabledLayerCount = 0;// 步驟5：創建Vulkan實例// 參數：創建信息、自定義分配器（nullptr使用默認）、實例句柄的指針if (vkCreateInstance(&createInfo, nullptr, &instance) != VK_SUCCESS) {// 如果創建失敗，拋出運行時異常throw std::runtime_error("failed to create instance!");}}
};// 主函數
int main() {HelloTriangleApplication app;    // 創建應用程序對象try {app.run();    // 運行應用程序} catch (const std::exception& e) {    // 捕獲異常std::cerr << e.what() << std::endl;    // 輸出錯誤信息return EXIT_FAILURE;    // 返回失敗狀態碼}return EXIT_SUCCESS;    // 返回成功狀態碼
}

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