使用 Snapdragon Profiler 调试 wgpu 程序

在与 Android App 集成章节我们已经学习了 wgpu 与 Android App 的集成，现在来看看集成后的调试。

Snapdragon Profiler 工具介绍

Snapdragon Profiler 是高通公司开发的一款可运行在 Windows、Mac 和 Linux 平台上的性能分析和帧调试工具。它通过 USB 与安卓设备连接，允许开发人员分析 CPU、GPU、内存等数据，以便我们发现并修复性能瓶颈。

Snapdragon Profiler 工具的功能特点：

实时监测 GPU 性能;
查看 CPU 调度和 GPU 阶段数据，了解应用程序将时间花在哪里;
GPU 帧捕获;
单步调试帧绘制;
查看和编辑着色器并在设备上预览结果;
查看和调试像素历史记录;
捕获和查看每次绘制调用的 GPU 指标;

上面的官网链接提供了对应平台安装包的免费下载。如果是 Mac 和 Linux 平台, 在安装 Snapdragon Profiler 之前需要先安装 momo 框架（mono 是 Windows .Net 框架的跨平台开源实现）。在运行 Snapdragon Profiler 之前需要确保系统上安装了 Android Studio 或者 AndroidSDK，并且已将 ADB 路径添加到系统环境变量中。

实时模式查看 GPU 统计数据

USB 连接要调试的 Android 手机后打开 Snapdragon Profiler，点击窗口左边栏的 Start a Session, 此时右边出现的小弹窗里会列出当前与电脑连接的所有可调试设备，我们选中列表中的设备，勾选上弹窗左下角的 Auto connect 再点击右下角的 Connect，这样，下回再次调试同一台设备时就能自动连接到 Snapdragon Profiler 了：

连接后，有四种调试模式供我们选择：实时、追踪、帧捕获及 CPU 采样，现在选择实时（左图），在实时窗口的左边栏展示了实时指标列表，我们可以选择相应的指标项来收集 CPU、GPU、内存、网络、电源和散热的实时指标（右图）：

上面的右图中，我选择了 GPU General、GPU Stalls 两个指标类别，窗口右边展示了每个细分指标的实时数据图表，要添加新的指标图表，只需双击类别（以添加类别中的所有指标）或单个指标，或者将类别或指标拖放到右侧的“图表”窗格中。

追踪模式检查片上内存装载

片上内存（on-chip memory）装载是影响移动应用中 GPU 性能的常见问题之一。在本节中，我们来学习如何使用 Snapdragon Profiler 查找和定位引起片上内存装载的应用程序代码。

Snapdragon Profiler 里将片上内存称之为图形内存（GMEM，全称 Graphic Memory），但是这里的图形内存跟显存容易混淆，它俩并不是一回事。故，下边统一使用片上内存来指代 GMEM。

什么是片上内存装载？

移动 GPU 的 Tiling 架构管线包括一个渲染通道。在渲染过程中，每个 Tile 都是先被渲染到片上内存中。按照驱动程序的默认行为，先前的帧缓冲区数据被从设备内存加载到每个 Tile 的片上内存中，即发生片上内存装载。

所谓 Tiling，本质上就是管理 GPU 内存的技术。Tiling 利用片上内存（on-chip memory）去降低设备内存的访问次数，从而降低 GPU 内存带宽的消耗及访问延迟。正确理解并利用 Tiling 架构的内存管理特性，可以有效的提高 GPU 程序的性能。

为什么要尽可能地减少或避免片上内存装载？

因为每一次片上内存的加载都会减慢 GPU 的处理速度。
如果在 begin_render_pass 时通过设置 Clear() 来清理片上内存，驱动程序就可以避免在片上内存中装载帧缓冲区数据。虽然这涉及到一个额外的图形指令调用及其相关的开销，但它比为每个正在渲染的 Tile 将帧缓冲区数据加载回片上内存的开销要低得多。

导致片上内存装载的最主要原因是: 对驱动程序的不恰当提示。应用程序代码使驱动程序认为需要帧缓冲区的先前内容。

检测片上内存装载

在 Snapdragon Profiler 的追踪模式下，我们可以让渲染阶段（Rendering Stages）指标突出显示其自身通道中的片上内存装载（GMEM Loads）。

GPU 应用必须在项目的 AndroidManifest.xml 文件中包含 INTERNET 权限以启用图形 API 及 GPU 指标的追踪：

toml

<uses-permission android:name="android.permission.INTERNET" />

另外，Snapdragon Profiler 的追踪模式不允许追踪捕获超过 10 秒。也就是说，从点击 Start Capture 开始到点击 Stop Capture 结束，时长不得超过 10 秒。

启用追踪模式的操作步骤：

连接好 Android 设备后，从 Start Page 界面单击左边栏的 System Trace Analysis，此时，就创建了一个新的 Trace 选项卡。
选择刚创建的 Trace 选项卡，进入一个类似于实时模式的视图，然后在 Data Sources 边栏上端的应用列表中选中要追踪的应用（如果列表中找不到，就通过列表右上角的 Launch 按钮去启动要追踪的应用）。
在 Data Sources 边栏下端，选中 Process -> Vulkan -> Rendering Stages 项。

点击 Start Capture 开始追踪，在 10 秒内的任意段点击 Stop Capture，在等待 N 秒（取决于电脑性能）后就会展示出如下图表：

上图渲染阶段的设置对话框显示，这些片上内存装载消耗了总渲染时间的 23% 左右。

我们来看看源码帧渲染中的这条 begin_render_pass() 命令，颜色附件的片上操作使用了 Load：

rust

ops: wgpu::Operations {
    // load: wgpu::LoadOp::Clear(wgpu::Color::BLACK),
    load: wgpu::LoadOp::Load,
    store: wgpu::StoreOp::Store
},

但此处实际上没有装载之前的帧缓冲区数据的必要，我们改为使用 Clear() 改善性能之后，就回收了之前片上内存装载消耗的性能，下图可以看到 GMEM Load 统计项消失了（没有发生片上内存装载时就不会显示）：

帧捕获模式

帧捕获模式允许捕获 GPU 应用程序的单一帧, 可以详细显示一个场景在 GPU 上的渲染情况。

启用帧捕获模式的操作与追踪模式几乎一样，唯一不同之处就是帧捕获模式在点击 Take Snapshot 捕获一帧数据后会自动结束捕获：

左侧红框区域是当前帧的着色器代码，它们是由 WGSL 自动转换而来的 SPIR-V 代码（当然，此处的着色器代码还取决于 GPU 应用所使用的图形后端，我使用的是 Vulkan 后端，如果使用 OpenGL 后端，此处就会显示 GLSL 代码）。红框下方的区域可以显示着色器的错误信息。说到这里就不得不提 WebGPU 的 WGSL 着色器语言的优势了：WGSL 在编译阶段时就得到了很好的验证，运行时的验证更是能方便地指出着色器与管线不一致的地方。所以，我们不需要依赖 Snapdragon Profiler 的着色器调试功能。

中间绿框区域是命令队列（Queue）提交给当前帧的所有 Vulkan 命令。选中某一条命令，右侧资源面板将展示出此命令涉及的所有资源：图形|计算管线，纹理，着色器等等。

右侧蓝框区域是资源面板。选中某一项资源，下方的面板将能展示出资源详情。
比如，选择纹理资源后，下方的 Image Preview 选项卡会展示可缩放的大图预览，鼠标在纹理图片上滑动可显示对应像素的 RGB 色值，Inspector 选项卡会展示纹理的格式及层次细节参数等（左图）; 选择布局描述符资源后，Inspector 选项卡会展示出绑定组布局描述符（BindGroupLayoutDescriptor）详情（右图）：

使用 Snapdragon Profiler 调试 wgpu 程序 ​

Snapdragon Profiler 工具介绍 ​

实时模式查看 GPU 统计数据 ​

追踪模式检查片上内存装载 ​

什么是片上内存装载？ ​

为什么要尽可能地减少或避免片上内存装载？ ​

检测片上内存装载 ​

帧捕获模式 ​