學廢了系列 - WebGL與Node.js中的Buffer
WebGL 和 Node.js 中都有 Buffer 的使用，簡單對比記錄一下兩個完全不相干的領域中 Buffer 異同，加強記憶。
Buffer 是用來存儲二進位數據的「緩衝區」，其本身的定義和用途在任何技術領域都是一致的，跟 WebGL 和 Node.js 沒有直接關係，兩者唯一的共同點就是都使用 JavaScript。
在 ES6 將TypedArray（二進位類型數組）正式加入 ECMA 標準之前，JavaScript 語言本身並沒有標準的處理二進位數據的能力，Buffer 就是為了彌補這一缺陷。
TypedArray成為 ECMA 標準之前就已經在 WebGL 領域廣泛使用了。
Node.js 加入 Buffer 的作用主要是為了處理 stream，比如網路流、文件流等等。Buffer 佔用預申請的一整片記憶體，stream 被消費的速度如果低於接收速度，就會被暫存在緩衝區內，然後被消費者從快取區依序取出消費。
Node.js 中的 Buffer 是 Uint8Array 的子類，Uint8Array 是ECMA 標準中 TypedArray 中的一種數據類型。
console.log(Buffer.__proto__)
// 列印 [Function: Uint8Array]
其實 Node.js 中的 Buffer 與 ECMA 標準的 TypedArray 並沒有直接關係，Node.js 很早期的版本（v0.10.0）版本就支援了 Buffer。Uint8Array，或者說 ECMA 標準中所有的 TypedArray 都是 JavaScript 引擎提供的一種 API，早期未被加入 ECMA 標準的時候就已經有不少引擎實現了這些 API，而最早使用二進位類型數組的場景就是 WebGL。
話說回來，ECMA 標準做的不就是「集百家之長」（修辭手法-反諷）的事嗎哈哈😂
然後說到 WebGL 中的 Buffer。
WebGL 有兩種 Buffer 類型：
ARRAY_BUFFER：頂點屬性數據的 Buffer，用來傳遞任何跟頂點相關的數據，比如坐標、顏色等等。這些數據一般是浮點數，最常用的類型是Float32Array；ELEMENT_ARRAY_BUFFER：元素索引數據的 Buffer，用來傳遞讀取ARRAY_BUFFER元素的順序。每個元素必須是整數，使用Uint8Array，這一點跟 Node.js 中的 Buffer 一致。此 buffer 是可選項，如果不使用的話 ，ARRAY_BUFFER的元素會被按照 index 依序讀取。
雖然 WebGL 中沒有 stream 的概念（嚴格來說是從開發者的認知層面沒有 stream，底層 OpenGL 處理 buffer 數據的流程中是有 stream 的），但 Buffer 的作用跟 Node.js 是一致的，都是將數據暫存在一整片預申請的記憶體中，供後續進程邏輯消費，區別是消費者不同。
在WebGL渲染管線中，但從CPU到GPU完整的數據傳輸鏈路中，有以下幾種buffer：
- VBO，Vertex Buffer Object，頂點緩衝對象儲存頂點屬性數據，消費者是 shader，嚴格的說是 vertex shader；
- FBO，Fragment Buffer Object，幀緩衝對象可以簡單理解為一個指針集合體，附著 RBO、顏色、紋理等用於渲染的所有資訊；
- RBO，Rendering Buffer Object，渲染緩衝對象儲存 depth（深度）、stencil（模板）值。
FBO 與 RBO、紋理的關係如下圖：
另外一點需要了解的是 buffer 對象從 CPU 流轉到 GPU 的過程，這個過程涉及到匯流排通訊，雖然這些跟 Node.js 沒有一毛錢關係，但是其中的一些實現跟 Node.js 常見八股文面試題「跨進程通訊」有一些相同的理念。
WebGL中buffer最初被創建和寄存在CPU記憶體中，如何讓GPU訪問CPU記憶體呢？回答這個問題之前先介紹幾個基本概念：
- CPU 的記憶體一般稱為 main memory
- GPU 自己的儲存稱為 local memory
在 WebGL/OpenGL 中，頂點數據被創建被寄存在 main memory 中，GPU 需要得到這部分數據進行渲染，但是 main memory 和 local memory 是絕對隔離的，不能互相訪問。
對於集成顯示卡來說，GPU 和 CPU 共享匯流排，GPU 沒有自己獨立的儲存空間，一般是從 CPU 儲存中分配出一塊空間給 GPU 使用，我們把這部分空間姑且叫做顯示記憶體（嚴格來說集成顯示卡沒有顯示記憶體的概念）。為了實現 GPU 和 CPU 數據的共享，業內引入了一種叫做 GART（Graphic Address Remapping Table）的技術，GART簡單說就是一個映射 main memory 和 local memory 地址的表。集成顯示卡的顯示記憶體一般很小，必然是小於記憶體的（一般默認上限是記憶體總量的1/4），OS 將整個 local memory 空間映射到 main memory，維護一個 GART。此時 buffer 數據的流轉如下圖所示：
但是這套流程在獨立顯示卡中是行不通的，因為獨立顯示卡的顯示記憶體非常大，如果使用 GART 將顯示記憶體空間完全映射到 CPU 記憶體中會佔用非常大的記憶體空間，32位系統的整個記憶體空間也就僅僅4GB，如果分出 2GB 給顯示記憶體映射，那就別幹啥了。
這下明白為啥64位系統玩遊戲更爽了吧~
所以對於獨立顯示卡需要另外一套 CPU 與 GPU 的數據共享機制。目前比較普遍的方式是在記憶體中單獨划出一塊物理空間用於 CPU 和 GPU 之間的數據交換中轉，這部分記憶體空間叫做 pinned memory（鎖定記憶體）。buffer 數據首先會被從 main memory 中拷貝到 pinned memory 中，然後通過 DMA（Direct Memory Access，直接記憶體訪問）機制將數據傳輸到 GPU，整個過程如下：
請注意， pinned memory 是一塊物理記憶體而不是虛擬記憶體，這樣能夠保證DMA的傳輸性能。
這下明白為啥打遊戲一定要加大記憶體了吧~
獨立顯示卡的這套數據交換機制跟 Node.js 八股文「跨進程通訊」的共享記憶體理念很接近，不過複雜度更高一些。
上面這些內容大都是 OpenGL 和電腦底層的機制，對 WebGL 開發者來說是無感知的，具體到涉及 Buffer 的程式碼層面， WebGL 需要比 Node.js 更謹慎的處理 Buffer 的記憶體管理。
Node.js 中 Buffer 在分配記憶體時採用了 slab 預先申請、事後分配機制，這是在底層C++的邏輯，開發者不可控。這套機制能夠提高 Node.js 需要頻繁申請 buffer 記憶體場景下的性能表現。而 WebGL 中並沒有這套機制，需要開發者自行處理。一般的做法是預申請一個容量很大的 buffer，然後使用 gl.bufferSubData（類似Node.js 的 Buffer.fill）局部更新數據，這樣能避免頻繁申請記憶體空間造成的性能損耗。
以上。