Vulkan 中的 HLSL

Vulkan 使用的着色器不是可读的文本格式，而是 SPIR-V 格式，不仅仅GLSL，其他着色器语言只要可以转化成Vulkan SPIR-V，那都可以使用。

其中一种语言是 DirectX 使用的高级着色语言 （HLSL）。由于 Vulkan 1.2 最近添加了一些功能，它现在是 Vulkan 第一梯队的着色器语言，可以像 GLSL 一样轻松使用。

除了少数例外情况，GLSL 提供的所有 Vulkan 功能和着色器阶段同样适用于 HLSL，包括最近添加的 Vulkan 功能，如通过硬件加速的光线追踪。另一方面，HLSL转化的SPIR-V 支持 DirectX 中尚未提供的 Vulkan 的独有功能。

学习资源

如果你不熟悉 HLSL，最好从 Microsoft Learn 上的 HLSL 资源开始。另一个很好的资源是 DirectX-Specs 文档。它包含了HLSL的最新着色器功能和着色器模型的内容。

从应用程序的角度来看

从应用程序的角度来看，使用 HLSL 与使用 GLSL 完全相同。由于应用程序始终使用 SPIR-V 格式的着色器，因此唯一的区别在于着色语言生成 SPIR-V 着色器使用的工具。

HLSL 到 SPIR-V 功能对照手册

在 Vulkan 中使用 HLSL 的一个很好的参考是 HLSL 到 SPIR-V 功能对照手册。它包含语义、语法、支持的功能和扩展等详细的信息，是必读的。decoder ring还有一个翻译页面，包含了Vulkan 和 DirectX 中使用的概念和术语。

Vulkan HLSL 命名空间

为了使 HLSL 与 Vulkan 兼容，引入了一个隐式命名空间，为 Vulkan 特定的功能提供接口。

语法比较

与常规编程语言类似，HLSL 和 GLSL 的语法不同。GLSL 更注重过程（像 C），而 HLSL 更注重对象（像 C++）。

以下是用两种语言编写的相同功能的着色器，快速比较它们的基本差异，包括命名空间，添加显式位置：

GLSL

#version 450

layout (location = 0) in vec3 inPosition;
layout (location = 1) in vec3 inColor;

layout (binding = 0) uniform UBO
{
	mat4 projectionMatrix;
	mat4 modelMatrix;
	mat4 viewMatrix;
} ubo;

layout (location = 0) out vec3 outColor;

void main()
{
	outColor = inColor * float(gl_VertexIndex);
	gl_Position = ubo.projectionMatrix * ubo.viewMatrix * ubo.modelMatrix * vec4(inPosition.xyz, 1.0);
}

HLSL

struct VSInput
{
[[vk::location(0)]] float3 Position : POSITION0;
[[vk::location(1)]] float3 Color : COLOR0;
};

struct UBO
{
	float4x4 projectionMatrix;
	float4x4 modelMatrix;
	float4x4 viewMatrix;
};

cbuffer ubo : register(b0, space0) { UBO ubo; }

struct VSOutput
{
	float4 Pos : SV_POSITION;
[[vk::location(0)]] float3 Color : COLOR0;
};

VSOutput main(VSInput input, uint VertexIndex : SV_VertexID)
{
	VSOutput output = (VSOutput)0;
	output.Color = input.Color * float(VertexIndex);
	output.Position = mul(ubo.projectionMatrix, mul(ubo.viewMatrix, mul(ubo.modelMatrix, float4(input.Position.xyz, 1.0))));
	return output;
}

除了语法差异之外，内置变量的名称也有差异，例如gl_vertex在 HLSL中是`VertexIndex，参阅GLSL 到 HLSL 内置变量映射表。

DirectXShaderCompiler （DXC）

与 GLSL 到 SPIR-V 的情况一样，要将 HLSL 与 Vulkan 一起使用，需要一个着色器编译器。glslang 是 GLSL 到 SPIR-V 使用的编译器，而 DirectXShaderCompiler （DXC） 是 HLSL 到 SPIR-V 的编译器。由于开源的贡献，DXC 的 SPIR-V 后端现在已经包含在官方发行版中，并且可以开箱即用。虽然 glslang 等其他着色器编译工具也支持HLSL，但 DXC 具有最完整和最新的支持，推荐使用它将 HLSL 生成 SPIR-V。

获取途径

LunarG Vulkan SDK 包括预编译的 DXC 二进制文件、库和标头。如果您正在寻找最新版本，请查看官方 DXC 存储库。

使用独立编译器离线编译

通过dxc 离线编译着色器与使用 glslang 进行编译类似：

dxc.exe -spirv -T vs_6_0 -E main .\triangle.vert -Fo .\triangle.vert.spv

-T编译着色器的配置文件（vs_6_0= 顶点着色器模型 6、ps_6_0= 像素/片段着色器模型 6 等）。

-E着色器的主入口函数。

扩展是根据使用的功能隐式启用的，也可以显式指定：

dxc.exe -spirv -T vs_6_1 -E main .\input.vert -Fo .\output.vert.spv -fspv-extension=SPV_EXT_descriptor_indexing

后面就可以直接使用得到的 SPIR-V，与从 GLSL 生成的 SPIR-V 一样。

使用库运行时编译

还可以使用 DirectX 编译器 API 集成DXC到 Vulkan 应用程序中，这可以让着色器进行运行时编译。应用需要包含dxcapi.h头文件和链接dxcompiler库来集成。最简单的方法是使用动态库并将其与您的应用程序一起分发（例如 Windows 上的dxcompiler.dll）。

在运行时将 HLSL 编译为 SPIR-V 非常简单：

#include "include/dxc/dxcapi.h"

...

HRESULT hres;

// Initialize DXC library
CComPtr<IDxcLibrary> library;
hres = DxcCreateInstance(CLSID_DxcLibrary, IID_PPV_ARGS(&library));
if (FAILED(hres)) {
	throw std::runtime_error("Could not init DXC Library");
}

// Initialize DXC compiler
CComPtr<IDxcCompiler3> compiler;
hres = DxcCreateInstance(CLSID_DxcCompiler, IID_PPV_ARGS(&compiler));
if (FAILED(hres)) {
	throw std::runtime_error("Could not init DXC Compiler");
}

// Initialize DXC utility
CComPtr<IDxcUtils> utils;
hres = DxcCreateInstance(CLSID_DxcUtils, IID_PPV_ARGS(&utils));
if (FAILED(hres)) {
	throw std::runtime_error("Could not init DXC Utiliy");
}

// Load the HLSL text shader from disk
uint32_t codePage = DXC_CP_ACP;
CComPtr<IDxcBlobEncoding> sourceBlob;
hres = utils->LoadFile(filename.c_str(), &codePage, &sourceBlob);
if (FAILED(hres)) {
	throw std::runtime_error("Could not load shader file");
}

// Select target profile based on shader file extension
LPCWSTR targetProfile{};
size_t idx = filename.rfind('.');
if (idx != std::string::npos) {
	std::wstring extension = filename.substr(idx + 1);
	if (extension == L"vert") {
		targetProfile = L"vs_6_1";
	}
	if (extension == L"frag") {
		targetProfile = L"ps_6_1";
	}
	// Mapping for other file types go here (cs_x_y, lib_x_y, etc.)
}

// Configure the compiler arguments for compiling the HLSL shader to SPIR-V
std::vector<LPCWSTR> arguments = {
	// (Optional) name of the shader file to be displayed e.g. in an error message
	filename.c_str(),
	// Shader main entry point
	L"-E", L"main",
	// Shader target profile
	L"-T", targetProfile,
	// Compile to SPIRV
	L"-spirv"
};

// Compile shader
DxcBuffer buffer{};
buffer.Encoding = DXC_CP_ACP;
buffer.Ptr = sourceBlob->GetBufferPointer();
buffer.Size = sourceBlob->GetBufferSize();

CComPtr<IDxcResult> result{ nullptr };
hres = compiler->Compile(
	&buffer,
	arguments.data(),
	(uint32_t)arguments.size(),
	nullptr,
	IID_PPV_ARGS(&result));

if (SUCCEEDED(hres)) {
	result->GetStatus(&hres);
}

// Output error if compilation failed
if (FAILED(hres) && (result)) {
	CComPtr<IDxcBlobEncoding> errorBlob;
	hres = result->GetErrorBuffer(&errorBlob);
	if (SUCCEEDED(hres) && errorBlob) {
		std::cerr << "Shader compilation failed :\n\n" << (const char*)errorBlob->GetBufferPointer();
		throw std::runtime_error("Compilation failed");
	}
}

// Get compilation result
CComPtr<IDxcBlob> code;
result->GetResult(&code);

// Create a Vulkan shader module from the compilation result
VkShaderModuleCreateInfo shaderModuleCI{};
shaderModuleCI.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_SHADER_MODULE_CREATE_INFO;
shaderModuleCI.codeSize = code->GetBufferSize();
shaderModuleCI.pCode = (uint32_t*)code->GetBufferPointer();
VkShaderModule shaderModule;
vkCreateShaderModule(device, &shaderModuleCI, nullptr, &shaderModule);

Vulkan 着色器阶段到 HLSL 的配置映射文件

使用 DXC 编译 HLSL 时，需要选择目标着色器的配置文件，配置文件的名称由着色器类型和着色器模型组成。

Vulkan 着色器阶段	HLSL 目标着色器配置文件	言论
VK_SHADER_STAGE_VERTEX_BIT	vs
VK_SHADER_STAGE_TESSELLATION_CONTROL_BIT	hs	HLSL 中的Hull shader
VK_SHADER_STAGE_TESSELLATION_EVALUATION_BIT	ds	HLSL 中的Domain shader
VK_SHADER_STAGE_GEOMETRY_BIT	gs
VK_SHADER_STAGE_FRAGMENT_BIT	ps	HLSL 中的Pixel shader
VK_SHADER_STAGE_COMPUTE_BIT	cs
VK_SHADER_STAGE_RAYGEN_BIT_KHR, VK_SHADER_STAGE_ANY_HIT_BIT_KHR, VK_SHADER_STAGE_CLOSEST_HIT_BIT_KHR, VK_SHADER_STAGE_MISS_BIT_KHR, VK_SHADER_STAGE_INTERSECTION_BIT_KHR, VK_SHADER_STAGE_CALLABLE_BIT_KHR	lib	所有与光线跟踪相关的着色器都是使用lib着色器目标配置文件构建的，并且必须至少使用着色器模型 6.3（例如lib_6_3）。
VK_SHADER_STAGE_TASK_BIT	as	HLSL 中的Amplification shader。必须至少使用 shader model 6.5（例如as_6_5）。
VK_SHADER_STAGE_MESH_BIT	ms	必须至少使用 shader model 6.5（例如ms_6_5 ）。

因此，如果要编译着色器模型 6.6 功能的计算着色器，则目标着色器配置文件将是cs_6_6，光线追踪的着色器都是lib_6_3 。

着色器模型覆盖范围

DirectX 和 HLSL 使用固定的着色器模型来描述支持的功能集，这与 Vulkan 和 SPIR-V 在着色器中灵活添加扩展功能的方式有所不同。下表列出了 Vulkan 对 HLSL 着色器模型的覆盖范围，但不保证完整：

着色器模型	支持情况	备注
着色器模型 5.1 及更低版本	✔	排除没有 Vulkan 等效项的功能
着色器模型 6.0	✔	Wave 内部函数，64 位整数
着色器模型 6.1	✔	SV_ViewID、SV_Barycentrics
着色器模型 6.2	✔	16 位类型，Denorm 模式
着色器模型 6.3	✔	硬件加速光线追踪
着色器模型 6.4	✔	着色器整数点积，SV_ShadingRate
着色器模型 6.5	⚠️ （部分）	DXR1.1（KHR 光线追踪）、 Mesh和Amplification着色器、 其他 Wave 内部函数
着色器模型 6.6	⚠️ （部分）	VK_NV_compute_shader_derivatives、 VK_KHR_shader_atomic_int64、 VK_EXT_descriptor_buffer、 VK_EXT_mutable_descriptor_type
着色器模型 6.7	⚠️ （部分）	VK_KHR_shader_quad_control， VkPhysicalDeviceFeatures::shaderStorageImageMultisample