前言
這裡是一篇Metal新手教程，先定個小目標：把繪製一張圖片到螢幕上。
Metal系列教程的程式碼地址；
OpenGL ES系列教程在這裡；
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正文
核心思路
通過MetalKit，儘量簡單地實現把一張圖片繪製到螢幕，核心的內容包括：設定渲染管道、設定頂點和紋理快取、簡單的shader理解。
效果展示
具體步驟
1、新建MTKView
// 初始化 MTKView
self.mtkView = [[MTKView alloc] initWithFrame:self.view.bounds];
self.mtkView.device = MTLCreateSystemDefaultDevice(); // 獲取預設的device
self.view = self.mtkView;
self.mtkView.delegate = self;
self.viewportSize = (vector_uint2){self.mtkView.drawableSize.width, self.mtkView.drawableSize.height};
複製程式碼MTKView是MetalKit提供的一個View，用來顯示Metal的繪製；MTLDevice代表GPU裝置，提供建立快取、紋理等的介面；
2、設定渲染管道
// 設定渲染管道
-(void)setupPipeline {
id<MTLLibrary> defaultLibrary = [self.mtkView.device newDefaultLibrary]; // .metal
id<MTLFunction> vertexFunction = [defaultLibrary newFunctionWithName:@"vertexShader"]; // 頂點shader，vertexShader是函式名
id<MTLFunction> fragmentFunction = [defaultLibrary newFunctionWithName:@"samplingShader"]; // 片元shader，samplingShader是函式名
MTLRenderPipelineDescriptor *pipelineStateDescriptor = [[MTLRenderPipelineDescriptor alloc] init];
pipelineStateDescriptor.vertexFunction = vertexFunction;
pipelineStateDescriptor.fragmentFunction = fragmentFunction;
pipelineStateDescriptor.colorAttachments[0].pixelFormat = self.mtkView.colorPixelFormat;
self.pipelineState = [self.mtkView.device newRenderPipelineStateWithDescriptor:pipelineStateDescriptor
error:NULL]; // 建立圖形渲染管道，耗效能操作不宜頻繁呼叫
self.commandQueue = [self.mtkView.device newCommandQueue]; // CommandQueue是渲染指令佇列，保證渲染指令有序地提交到GPU
}
複製程式碼MTLRenderPipelineDescriptor是渲染管道的描述符，可以設定頂點處理函式、片元處理函式、輸出顏色格式等；[device newCommandQueue]建立的是指令佇列，用來存放渲染的指令；
3、設定頂點資料
- (void)setupVertex {
static const LYVertex quadVertices[] =
{ // 頂點座標，分別是x、y、z、w； 紋理座標，x、y；
{ { 0.5, -0.5, 0.0, 1.0 }, { 1.f, 1.f } },
{ { -0.5, -0.5, 0.0, 1.0 }, { 0.f, 1.f } },
{ { -0.5, 0.5, 0.0, 1.0 }, { 0.f, 0.f } },
{ { 0.5, -0.5, 0.0, 1.0 }, { 1.f, 1.f } },
{ { -0.5, 0.5, 0.0, 1.0 }, { 0.f, 0.f } },
{ { 0.5, 0.5, 0.0, 1.0 }, { 1.f, 0.f } },
};
self.vertices = [self.mtkView.device newBufferWithBytes:quadVertices
length:sizeof(quadVertices)
options:MTLResourceStorageModeShared]; // 建立頂點快取
self.numVertices = sizeof(quadVertices) / sizeof(LYVertex); // 頂點個數
}
複製程式碼頂點資料裡包括頂點座標，metal的世界座標系與OpenGL ES一致，範圍是[-1, 1]，故而點(0, 0)是在螢幕的正中間；
頂點資料裡還包括紋理座標，紋理座標系的取值範圍是[0, 1]，原點是在左下角；[device newBufferWithBytes:quadVertices..]建立的是頂點快取，類似OpenGL ES的glGenBuffer建立的快取。
4、設定紋理資料
- (void)setupTexture {
UIImage *image = [UIImage imageNamed:@"abc"];
// 紋理描述符
MTLTextureDescriptor *textureDescriptor = [[MTLTextureDescriptor alloc] init];
textureDescriptor.pixelFormat = MTLPixelFormatRGBA8Unorm;
textureDescriptor.width = image.size.width;
textureDescriptor.height = image.size.height;
self.texture = [self.mtkView.device newTextureWithDescriptor:textureDescriptor]; // 建立紋理
MTLRegion region = {{ 0, 0, 0 }, {image.size.width, image.size.height, 1}}; // 紋理上傳的範圍
Byte *imageBytes = [self loadImage:image];
if (imageBytes) { // UIImage的資料需要轉成二進位制才能上傳，且不用jpg、png的NSData
[self.texture replaceRegion:region
mipmapLevel:0
withBytes:imageBytes
bytesPerRow:4 * image.size.width];
free(imageBytes); // 需要釋放資源
imageBytes = NULL;
}
}
複製程式碼MTLTextureDescriptor是紋理資料的描述符，可以設定畫素顏色格式、影象寬高等，用於建立紋理；
紋理建立完畢後，需要用-replaceRegion: mipmapLevel:withBytes:bytesPerRow:介面上傳紋理資料；MTLRegion類似UIKit的frame，用於表明紋理資料的存放區域；
5、具體渲染過程
- (void)drawInMTKView:(MTKView *)view {
// 每次渲染都要單獨建立一個CommandBuffer
id<MTLCommandBuffer> commandBuffer = [self.commandQueue commandBuffer];
MTLRenderPassDescriptor *renderPassDescriptor = view.currentRenderPassDescriptor;
// MTLRenderPassDescriptor描述一系列attachments的值，類似GL的FrameBuffer；同時也用來建立MTLRenderCommandEncoder
if(renderPassDescriptor != nil)
{
renderPassDescriptor.colorAttachments[0].clearColor = MTLClearColorMake(0.0, 0.5, 0.5, 1.0f); // 設定預設顏色
id<MTLRenderCommandEncoder> renderEncoder = [commandBuffer renderCommandEncoderWithDescriptor:renderPassDescriptor]; //編碼繪製指令的Encoder
[renderEncoder setViewport:(MTLViewport){0.0, 0.0, self.viewportSize.x, self.viewportSize.y, -1.0, 1.0 }]; // 設定顯示區域
[renderEncoder setRenderPipelineState:self.pipelineState]; // 設定渲染管道，以保證頂點和片元兩個shader會被呼叫
[renderEncoder setVertexBuffer:self.vertices
offset:0
atIndex:0]; // 設定頂點快取
[renderEncoder setFragmentTexture:self.texture
atIndex:0]; // 設定紋理
[renderEncoder drawPrimitives:MTLPrimitiveTypeTriangle
vertexStart:0
vertexCount:self.numVertices]; // 繪製
[renderEncoder endEncoding]; // 結束
[commandBuffer presentDrawable:view.currentDrawable]; // 顯示
}
[commandBuffer commit]; // 提交；
}
複製程式碼drawInMTKView:方法是MetalKit每幀的渲染回撥，可以在內部做渲染的處理；
繪製的第一步是從commandQueue裡面建立commandBuffer，commandQueue是整個app繪製的佇列，而commandBuffer存放每次渲染的指令，commandQueue內部存在著多個commandBuffer。
整個繪製的過程與OpenGL ES一致，先設定視窗大小，然後設定頂點資料和紋理，最後繪製兩個三角形。
CommandQueue、CommandBuffer和CommandEncoder的關係如下：
6、Shader處理
typedef struct
{
float4 clipSpacePosition [[position]]; // position的修飾符表示這個是頂點
float2 textureCoordinate; // 紋理座標，會做插值處理
} RasterizerData;
vertex RasterizerData // 返回給片元著色器的結構體
vertexShader(uint vertexID [[ vertex_id ]], // vertex_id是頂點shader每次處理的index，用於定位當前的頂點
constant LYVertex *vertexArray [[ buffer(0) ]]) { // buffer表明是快取資料，0是索引
RasterizerData out;
out.clipSpacePosition = vertexArray[vertexID].position;
out.textureCoordinate = vertexArray[vertexID].textureCoordinate;
return out;
}
fragment float4
samplingShader(RasterizerData input [[stage_in]], // stage_in表示這個資料來自光柵化。（光柵化是頂點處理之後的步驟，業務層無法修改）
texture2d<half> colorTexture [[ texture(0) ]]) // texture表明是紋理資料，0是索引
{
constexpr sampler textureSampler (mag_filter::linear,
min_filter::linear); // sampler是取樣器
half4 colorSample = colorTexture.sample(textureSampler, input.textureCoordinate); // 得到紋理對應位置的顏色
return float4(colorSample);
}
複製程式碼Shader如上。與OpenGL ES的shader相比，最明顯是輸入的引數可以用結構體，返回的引數也可以用結構體；LYVertex是shader和Objective-C公用的結構體，RasterizerData是頂點Shader返回再傳給片元Shader的結構體；
Shader的語法與C++類似，引數名前面的是型別，後面的[[ ]]是描述符。
總結
Metal和OpenGL一樣，需要有一定的圖形學基礎，才能理解具體的含義。
本文為了降低上手的門檻，簡化掉一些邏輯，增加很多註釋，同時保留最核心的幾個步驟以便理解。
這裡可以下載demo程式碼。