Metal 是苹果为其操作系统（iOS, iPadOS, macOS, visionOS）开发的一套低开销、高性能的图形和应用计算框架，它就像一座桥梁，让 App 的代码能够直接、高效地与苹果的图形处理器进行通信。
Metal 是什么？它解决了什么问题？
在 Metal 出现之前（大约是 2025 年），苹果平台的图形开发主要依赖 OpenGL 和 OpenCL。
- OpenGL: 是一个跨平台的图形 API，非常强大，但也非常“重量级”，它有大量的状态需要管理和切换，对于开发者来说开销较大，而且它无法充分利用苹果自研芯片（A系列、M系列）的硬件潜力。
- OpenCL: 是一个跨平台的并行计算框架，用于利用 GPU 进行通用计算（GPGPU），但它的性能开销同样不小，且与图形管线结合不够紧密。
苹果推出 Metal 的核心目标就是：
- 降低 CPU 开销: 减少驱动程序和 API 层面的延迟，让 CPU 能更专注于其他任务。
- 最大化 GPU 性能: 提供对 GPU 硬件的“低层级”访问，让开发者能榨干每一滴性能，尤其是在苹果自家的 SoC（芯片）上。
- 统一图形与计算: 将图形渲染和通用计算（如物理模拟、机器学习）整合到一个高效的框架中，避免数据在不同框架间传输的瓶颈。
Metal 的核心架构
Metal 的架构可以清晰地分为几个层次，从上到下分别是：
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The Framework (框架层):
- 这是开发者直接打交道的部分,用 Objective-C 或 Swift 编写。
- 它包含了创建和管理 GPU 资源（如纹理、缓冲区）、渲染命令、着色器等所需的全部类和方法。
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The Driver (驱动层):
- 位于框架和硬件之间,由苹果自己编写。
- 它负责将 Metal 命令翻译成 GPU 能理解的底层指令，并直接与硬件通信。
- 这个层是 Metal 性能的关键，因为它非常精简，去除了很多不必要的中间层。
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The GPU (硬件层):
- 无论是 iPhone/iPad 上的 A/M 系列芯片，还是 Mac 上的 AMD 或 Apple Silicon 芯片，都有一个强大的 GPU。
- Metal 能让开发者精确控制这个 GPU 的各个部分，如渲染单元、计算单元等。
Metal 的关键特性
低开销与低延迟
这是 Metal 最核心的优势，传统的 OpenGL 驱动程序非常复杂，CPU 在提交渲染命令时需要处理大量的状态检查和转换，Metal 则将这个过程极大地简化了，CPU 可以更快地将工作“推”给 GPU，从而实现了更流畅的帧率和更低的延迟，这对于游戏、AR/VR 等对实时性要求极高的应用至关重要。
统一的渲染与计算管线
在 Metal 中，你可以用同一个框架同时做两件事：
- 图形渲染: 绘制 3D 模型、用户界面等。
- 通用计算: 使用 GPU 进行非图形任务，如视频转码、物理模拟、图像处理、机器学习推理等。
这两者共享 GPU 资源和数据，避免了在 OpenGL 和 OpenCL 之间传输数据带来的巨大性能损耗，一个游戏可以在一帧内，先用 GPU 进行物理计算，紧接着就用计算结果进行渲染，整个过程无缝衔接。
Metal Shading Language (MSL - 金属着色语言)
MSL 是一种基于 C++14 的语言，用于编写在 GPU 上运行的代码（即着色器），它让开发者能够直接编写高度优化的代码，精确控制 GPU 的并行计算能力，MSL 的出现让开发者从 OpenGL 的 GLSL 语言迁移过来，并获得了更强的性能和更现代的编程体验。
Metal API 的演进
苹果一直在不断更新和增强 Metal API，使其功能更加强大：
- Metal 2: 引入了 Metal Performance Shaders (MPS)，这是一个高度优化的图像和机器学习函数库，开发者可以直接调用，而无需自己编写底层代码，极大地简化了开发并提升了性能，MPS 包含了用于卷积神经网络、图像滤波、人脸检测等现成的函数。
- Metal 3: 增加了对 GPU 虚拟内存 的支持，使得 CPU 和 GPU 可以像访问普通内存一样访问彼此的数据，大大简化了数据管理，并提升了大型数据集（如 3D 建模、专业视频剪辑）的处理效率，它还引入了 预编译着色器 和 资源预加载 等功能，进一步缩短了应用的启动时间。
Metal 技术带来了什么？
对用户而言：
- 更流畅的游戏体验: 像《原神》、《使命召唤手游》等大型游戏能在 iPhone 和 iPad 上流畅运行，很大程度上归功于 Metal。
- 惊艳的 AR 体验: ARKit 深度依赖 Metal 来进行实时的场景渲染和追踪，才能实现像 Pokémon GO 或 Measure App 那样的效果。
- 强大的专业 App: Final Cut Pro、DaVinci Resolve 等视频剪辑软件，以及各种 3D 建模和 CAD 软件，利用 Metal 进行实时的硬件加速渲染，让专业工作流更高效。
- 更快的系统响应: macOS 和 iOS 系统中的许多视觉效果（如窗口动画、Dock 效果）也由 Metal 驱动，保证了系统的顺滑。
对开发者而言：
- 更接近硬件: 提供了对 GPU 的精细控制，适合追求极致性能的开发者。
- 统一的开发体验: 一个框架搞定图形和计算，代码更简洁，效率更高。
- 苹果生态的护城河: Metal 是苹果平台独有的技术，它让开发者能够充分利用苹果自研芯片的优势，从而创造出在安卓/Windows 平台上难以复现的顶级性能体验，这是苹果构建其软硬件一体化优势的关键一环。
与竞争对手的比较
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vs. OpenGL / Vulkan:
- OpenGL: 跨平台但老旧、开销大、无法发挥现代硬件潜力，Metal 更现代、更高效、专为苹果硬件优化。
- Vulkan: 是 OpenGL 的继任者，由 Khronos Group（也是 OpenGL 的制定者）推出，它和 Metal 一样，也是低开销、跨平台的 API，但 Vulkan 的复杂性远高于 Metal，学习曲线更陡峭，Metal 则更“苹果化”，API 设计更简洁，与 Xcode 工具链集成得更好。
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vs. DirectX:
DirectX 是微软在 Windows 平台上的图形 API，是 PC 游戏开发的事实标准，Metal 和 DirectX 在设计理念上非常相似，都是低开销、高性能的现代 API，它们是直接的竞争对手，分别服务于苹果和微软的生态系统。
Metal 不仅仅是一个图形 API，它是苹果构建其高性能计算生态的基石。 它通过降低 CPU 开销、最大化 GPU 利用率、统一图形与计算，为苹果设备（尤其是自研芯片）带来了无与伦比的性能表现，无论是玩游戏、体验 AR，还是进行专业的视频创作，Metal 都在幕后默默地发挥着至关重要的作用，是苹果能够持续引领移动设备和 PC 性能的关键技术之一。
