基于Qt Widgets的Qt程序，控件的刷新默认情况下都是在UI线程中依次进行的，换言之，各个控件的QWidget::paintEvent方法会在UI线程中串行地被调用。如果某个控件的paintEvent非常耗时（等待数据时间+CPU处理时间+GPU渲染时间），会导致刷新帧率下降，界面的响应速度变慢。
假如这个paintEvent耗时的控件没有使用OpenGL渲染，完全使用CPU渲染。这种情况处理起来比较简单，只需要另外开一个线程用CPU往QImage里面渲染，当主线程调用到这个控件的paintEvent时，再把渲染好的QImage画出来就可以了，单纯绘制一个QImage还是很快的。
如果这个paintEvent耗时的控件使用了OpenGL渲染，情况会复杂一些，因为想要把OpenGL渲染过程搬到另外一个线程中并不是直接把OpenGL调用从UI线程搬到渲染线程就可以的，是需要做一些准备工作的。另外，UI线程如何使用渲染线程的渲染结果也是一个需要思考的问题。
以绘制一个迭代了15次的Sierpinski三角形为例，它总共有3^15=14348907个三角形，在我的MX150显卡上绘制一次需要30ms左右的时间。因此如果我在UI线程渲染这些顶点的话，UI线程的刷新帧率就会掉到30帧左右。现在我们来看一下如何在另一个线程中渲染这些三角形。demo仓库地址：https://github.com/im-red/offscreen_render
软硬件环境
CPU：Intel® Core™ i5-8250U CPU @ 1.60GHz
GPU：NVIDIA GeForce MX150（Driver：388.19）
OS：Microsoft Windows 10 Home 10.0.18362
Compiler：MSVC 2017
Optimization flag：O2
Qt version：5.12.1
OpenGL version：4.6.0
概述
有以下主要的类或方法：
GLWidget
这个类在UI线程中使用，继承了QOpenGLWidget，负责将渲染线程渲染结果绘制到屏幕上。
Renderer
这个类在渲染线程中使用，负责将三角形渲染到离屏framebuffer中。
RenderThread
渲染线程管理类，负责初始化渲染线程OpenGL的context。
TextureBuffer
纹理缓存类，负责将Renderer渲染好的图像缓存到纹理中，供UI线程绘制使用。
RenderThread::run
渲染线程的例程，负责调用Renderer的方法渲染图像，在Renderer渲染好一帧图像后将图像保存在TextureBuffer中。
context
OpenGL需要context来保存状态，context虽然可以跨线程使用，但无法在多个线程中同时使用，在任意时刻，只能绑定在一个线程中。因此我们需要为渲染线程创建一个独立的context。
数据共享
UI线程如何访问渲染线程的渲染结果。有两种思路：
-
将渲染结果读进内存，生成
QImage，再传给UI线程。这种方式的优点是实现简单。缺点则是性能可能差一些，把显存读进内存是一个开销比较大的操作。 -
将渲染结果保存到纹理中，UI线程绑定纹理绘制到屏幕上。这种方式的优点是性能较方法1好。缺点是为了让两个线程能够共享纹理，需要做一些配置。
在此，我们选择的是方法2。
初始化渲染线程
了解到上面的这些信息后，我们来看一下如何初始化渲染线程。
由于需要UI线程能够和渲染线程共享数据，需要调用QOpenGLContext::setShareContext来设置，而这个方法又需要在QOpenGLContext::create方法前调用。UI线程context的QOpenGLContext::create方法调用我们是无法掌握的，因此需要渲染线程context来调用QOpenGLContext::setShareContext。由于调用时需要确保UI线程context已经初始化，因此在GLWidget::initializeGL中初始化渲染线程比较好，相关代码如下：
void GLWidget::initializeGL()
{
initRenderThread();
...
}
...
void GLWidget::initRenderThread()
{
auto context = QOpenGLContext::currentContext();
auto mainSurface = context->surface();
auto renderSurface = new QOffscreenSurface(nullptr, this);
renderSurface->setFormat(context->format());
renderSurface->create();
context->doneCurrent();
m_thread = new RenderThread(renderSurface, context, this);
context->makeCurrent(mainSurface);
connect(m_thread, &RenderThread::imageReady, this, [this](){
update();
}, Qt::QueuedConnection);
m_thread->start();
}
...
RenderThread::RenderThread(QSurface *surface, QOpenGLContext *mainContext, QObject *parent)
: QThread(parent)
, m_running(true)
, m_width(100)
, m_height(100)
, m_mainContext(mainContext)
, m_surface(surface)
{
m_renderContext = new QOpenGLContext;
m_renderContext->setFormat(m_mainContext->format());
m_renderContext->setShareContext(m_mainContext);
m_renderContext->create();
m_renderContext->moveToThread(this);
}
...
在GLWidget::initRenderThread中，我们首先获得UI线程的context，以及其关联的mainSurface。然后为渲染线程创建了一个QOffscreenSurface，将其格式设置为与UI线程context相同。然后调用doneCurrent取消UI线程context与mainSurface的关联，这是为了能够使UI线程的context和渲染线程的context设置共享关系。待渲染线程初始化完成后，再将UI线程context与mainSurface进行关联。然后设置一个连接用于接收渲染线程的imageReady信号。最后启动渲染线程开始渲染。
在RenderThread::RenderThread中，首先初始化渲染线程的context，由于RenderThread::RenderThread是在UI线程中调用的，还要调用moveToThread将其移到渲染线程中。
渲染线程例程
// called in render thread
void RenderThread::run()
{
m_renderContext->makeCurrent(m_surface);
TextureBuffer::instance()->createTexture(m_renderContext);
Renderer renderer;
while (m_running)
{
int width = 0;
int height = 0;
{
QMutexLocker lock(&m_mutex);
width = m_width;
height = m_height;
}
renderer.render(width, height);
TextureBuffer::instance()->updateTexture(m_renderContext, width, height);
emit imageReady();
FpsCounter::instance()->frame(FpsCounter::Render);
}
TextureBuffer::instance()->deleteTexture(m_renderContext);
}
渲染线程开始渲染时，首先绑定context和初始化TextureBuffer。然后在循环中重复执行渲染-保存纹理的循环
离屏渲染
其初始化在Renderer::init中进行，渲染在Renderer::render中进行，各类OpenGL基础教程中都有对离屏渲染的相关介绍和分析，此处不再赘述。
保存纹理
// called in render thread
void TextureBuffer::updateTexture(QOpenGLContext *context, int width, int height)
{
Timer t("ImageBuffer::updateTexture");
QMutexLocker lock(&m_mutex);
auto f = context->functions();
f->glActiveTexture(GL_TEXTURE0);
f->glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, m_texture);
f->glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGBA, width, height, 0, GL_RGBA, GL_UNSIGNED_BYTE, nullptr);
f->glCopyTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGBA, 0, 0, width, height, 0);
f->glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, 0);
f->glFinish();
}
在RenderThread::run中调用TextureBuffer::updateTexture将使用glCopyTexImage2D将渲染线程渲染结果保存到纹理中，在Qt中OpenGL调用都需要通过QOpenGLFunction对象，因此将渲染线程的QOpenGLContext对象传进来，可以获得其默认的QOpenGLFunction对象。
由于我们只使用了一个纹理来缓存图像，如果渲染线程渲染得比较快的话，有些帧就会来不及渲染被丢弃。当然你也可以改程序阻塞渲染线程避免被阻塞。
绘制纹理
void GLWidget::paintGL()
{
Timer t("GLWidget::paintGL");
glEnable(GL_TEXTURE_2D);
m_program->bind();
glBindVertexArray(m_vao);
if (TextureBuffer::instance()->ready())
{
TextureBuffer::instance()->drawTexture(QOpenGLContext::currentContext(), sizeof(vertices) / sizeof(float) / 4);
}
glBindVertexArray(0);
m_program->release();
glDisable(GL_TEXTURE_2D);
FpsCounter::instance()->frame(FpsCounter::Display);
}
...
// called in main thread
void TextureBuffer::drawTexture(QOpenGLContext *context, int vertextCount)
{
Timer t("ImageBuffer::drawTexture");
QMutexLocker lock(&m_mutex);
auto f = context->functions();
f->glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, m_texture);
f->glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR);
f->glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);
f->glActiveTexture(GL_TEXTURE0);
f->glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, vertextCount);
f->glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, 0);
//f->glFinish();
}
在GLWidget::paintGL中调用TextureBuffer::drawTexture来绘制缓存的纹理。
性能
上面所做的这一切，能够提高性能吗？很遗憾，答案是“不一定”。就这个demo而言，渲染过程几乎完全不需要等待数据和CPU处理（除了初始化时需要CPU计算），不断使用GPU进行渲染，这导致GPU占用率几乎达到了100%，成为了一个瓶颈。当主线程进行OpenGL调用时，很可能会因为正在处理渲染线程的OpenGL调用而被阻塞，导致帧率下降。使用NVIDIA Nsights Graphics实测结果如下：
第一幅图是刚打开程序时的帧率，基本稳定在60帧，第二幅图是运行一段时间后的帧率，时常跌到30帧。就平均帧率而言，性能较单线程渲染还是有提升的。至于为什么运行一段时间后帧率会下降，猜想是GPU温度升高被降频导致的，使用GPU-Z观察GPU时钟频率可以验证这一猜想。
如果渲染过程中等待数据和CPU处理时间占了一定的比重的话，多线程离屏渲染就有优势了。不过在这种情况下，单把等待数据和CPU处理的代码移到独立线程也许是个不错的选择。具体采用哪种方案还是要根据实际测试效果来决定。