将数据映射到着色器

提示

所有 SPIR-V 内容都是用 glslangValidator 生成的。

本章将介绍 Vulkan 中的 SPIR-V 与 shader 进行数据映射的方法，应用程序使用从 vkAllocateMemory 申请的 VkDeviceMemory 来映射数据，让 SPIR-V 着色器知道怎么使用这些数据。

在 Vulkan 核心功能中，主要有 5 种方法将数据从程序映射到 SPIR-V 中：

• 输入属性
• 描述符
  • 描述符类型
    • VK_DESCRIPTOR_TYPE_STORAGE_IMAGE
    • VK_DESCRIPTOR_TYPE_SAMPLER 和 VK_DESCRIPTOR_TYPE_SAMPLED_IMAGE
    • VK_DESCRIPTOR_TYPE_COMBINED_IMAGE_SAMPLER
    • VK_DESCRIPTOR_TYPE_UNIFORM_BUFFER
    • VK_DESCRIPTOR_TYPE_STORAGE_BUFFER
    • VK_DESCRIPTOR_TYPE_UNIFORM_TEXEL_BUFFER
    • VK_DESCRIPTOR_TYPE_STORAGE_TEXEL_BUFFER
    • VK_DESCRIPTOR_TYPE_INPUT_ATTACHMENT
• 推送常量
• 特殊化常量
• 物理存储缓冲区

输入属性

Vulkan 中唯一具有输入属性的着色器阶段是顶点着色器 ( VK_SHADER_STAGE_VERTEX_BIT)，需要在创建VkPipeline时显式声明，然后在绘制前将 VkBuffer 绑定到要映射的数据。其他着色器阶段（例如片段着色器）也有输入属性，但值是由在它之前运行的阶段输出的。

在调用vkCreateGraphicsPipelines之前 ，VkPipelineVertexInputStateCreateInfo 需要填入VkVertexInputAttributeDescription 数组，来映射输入属性到着色器。

GLSL 顶点着色器示例：

#version 450
layout(location = 0) in vec3 inPosition;

void main() {
    gl_Position = vec4(inPosition, 1.0);
}

location 0 处只有一个输入属性，对应生成的 SPIR-V：

                Name 18  "inPosition"
                Decorate 18(inPosition) Location 0

            17: TypePointer Input 16(fvec3)
18(inPosition): 17(ptr) Variable Input
            19: 16(fvec3) Load 18(inPosition)

在这个例子中，VkVertexInputAttributeDescription的内容为：

VkVertexInputAttributeDescription input = {};
input.location = 0;
input.binding  = 0;
input.format   = VK_FORMAT_R32G32B32_SFLOAT; // maps to vec3
input.offset   = 0;

下面要做的是在调用绘制前绑定顶点缓冲区和索引缓冲区（可选）。

提示

“顶点缓冲区”需在创建 VkBuffer 时使用VK_BUFFER_USAGE_VERTEX_BUFFER_BIT 。

vkBeginCommandBuffer();
// ...
vkCmdBindVertexBuffer();
vkCmdDraw();
// ...
vkCmdBindVertexBuffer();
vkCmdBindIndexBuffer();
vkCmdDrawIndexed();
// ...
vkEndCommandBuffer();

提示

更多信息请阅读顶点输入数据处理过程。

描述符

资源描述符 是将统一缓冲区（uniform buffer）、存储缓冲区（storage buffer）、采样器等数据映射到任何着色器阶段的主要方法。描述符一种的抽象理解是着色器可以使用的内存指针。

Vulkan 中有各种 描述符类型，Vulkan Spec有每种描述符类型的详细描述。

描述符被分组到 描述符 集合中，描述符集合绑定到着色器，即使描述符集中只有一个描述符，也要绑定整个VkDescriptorSet 到着色器。

举例

下例中有 3 个描述符集：

着色器的 GLSL：

// Note - only set 0 and 2 are used in this shader

layout(set = 0, binding = 0) uniform sampler2D myTextureSampler;

layout(set = 0, binding = 2) uniform uniformBuffer0 {
    float someData;
} ubo_0;

layout(set = 0, binding = 3) uniform uniformBuffer1 {
    float moreData;
} ubo_1;

layout(set = 2, binding = 0) buffer storageBuffer {
    float myResults;
} ssbo;

相应的 SPIR-V：

Decorate 19(myTextureSampler) DescriptorSet 0
Decorate 19(myTextureSampler) Binding 0

MemberDecorate 29(uniformBuffer0) 0 Offset 0
Decorate 29(uniformBuffer0) Block
Decorate 31(ubo_0) DescriptorSet 0
Decorate 31(ubo_0) Binding 2

MemberDecorate 38(uniformBuffer1) 0 Offset 0
Decorate 38(uniformBuffer1) Block
Decorate 40(ubo_1) DescriptorSet 0
Decorate 40(ubo_1) Binding 3

MemberDecorate 44(storageBuffer) 0 Offset 0
Decorate 44(storageBuffer) BufferBlock
Decorate 46(ssbo) DescriptorSet 2
Decorate 46(ssbo) Binding 0

描述符的绑定是在记录命令缓冲区时完成的，描述符必须在调用draw/dispatch时绑定，以下伪代码：

vkBeginCommandBuffer();
// ...
vkCmdBindPipeline(); // Binds shader

// One possible way of binding the two sets
vkCmdBindDescriptorSets(firstSet = 0, pDescriptorSets = &descriptor_set_c);
vkCmdBindDescriptorSets(firstSet = 2, pDescriptorSets = &descriptor_set_b);

vkCmdDraw(); // or dispatch
// ...
vkEndCommandBuffer();

绑定结果如下：

描述符类型

Vulkan Spec 有一个 着色器资源和存储对应类别 表，描述了每个描述符类型需要如何映射到 SPIR-V。

下面展示了 GLSL 和 SPIR-V 映射到每个描述符类型 的示例。

对于 GLSL，更多信息参阅： GLSL Spec - 12.2.4. Vulkan Only: Samplers, Images, Textures, and Buffers

存储图像（Storage Image）

VK_DESCRIPTOR_TYPE_STORAGE_IMAGE
// VK_FORMAT_R32_UINT
layout(set = 0, binding = 0, r32ui) uniform uimage2D storageImage;

// example usage for reading and writing in GLSL
const uvec4 texel = imageLoad(storageImage, ivec2(0, 0));
imageStore(storageImage, ivec2(1, 1), texel);

OpDecorate %storageImage DescriptorSet 0
OpDecorate %storageImage Binding 0

%r32ui        = OpTypeImage %uint 2D 0 0 0 2 R32ui
%ptr          = OpTypePointer UniformConstant %r32ui
%storageImage = OpVariable %ptr UniformConstant

采样器和采样图像（Sampler and Sampled Image）

VK_DESCRIPTOR_TYPE_SAMPLER`和`VK_DESCRIPTOR_TYPE_SAMPLED_IMAGE
layout(set = 0, binding = 0) uniform sampler samplerDescriptor;
layout(set = 0, binding = 1) uniform texture2D sampledImage;

// example usage of using texture() in GLSL
vec4 data = texture(sampler2D(sampledImage,  samplerDescriptor), vec2(0.0, 0.0));

OpDecorate %sampledImage DescriptorSet 0
OpDecorate %sampledImage Binding 1
OpDecorate %samplerDescriptor DescriptorSet 0
OpDecorate %samplerDescriptor Binding 0

%image        = OpTypeImage %float 2D 0 0 0 1 Unknown
%imagePtr     = OpTypePointer UniformConstant %image
%sampledImage = OpVariable %imagePtr UniformConstant

%sampler           = OpTypeSampler
%samplerPtr        = OpTypePointer UniformConstant %sampler
%samplerDescriptor = OpVariable %samplerPtr UniformConstant

%imageLoad       = OpLoad %image %sampledImage
%samplerLoad     = OpLoad %sampler %samplerDescriptor

%sampleImageType = OpTypeSampledImage %image
%1               = OpSampledImage %sampleImageType %imageLoad %samplerLoad

%textureSampled = OpImageSampleExplicitLod %v4float %1 %coordinate Lod %float_0

组合图像采样器（Combined Image Sampler）

VK_DESCRIPTOR_TYPE_COMBINED_IMAGE_SAMPLER

提示

在某些驱动实现中，使用组合图像采样器来进行图像采样 可能性能更高。

layout(set = 0, binding = 0) uniform sampler2D combinedImageSampler;

// example usage of using texture() in GLSL
vec4 data = texture(combinedImageSampler, vec2(0.0, 0.0));

OpDecorate %combinedImageSampler DescriptorSet 0
OpDecorate %combinedImageSampler Binding 0

%imageType            = OpTypeImage %float 2D 0 0 0 1 Unknown
%sampleImageType      = OpTypeSampledImage imageType
%ptr                  = OpTypePointer UniformConstant %sampleImageType
%combinedImageSampler = OpVariable %ptr UniformConstant

%load           = OpLoad %sampleImageType %combinedImageSampler
%textureSampled = OpImageSampleExplicitLod %v4float %load %coordinate Lod %float_0

统一缓冲区（Uniform Buffer）

VK_DESCRIPTOR_TYPE_UNIFORM_BUFFER

提示

统一缓冲区在绑定时可以动态偏移（VK_DESCRIPTOR_TYPE_UNIFORM_BUFFER_DYNAMIC）

layout(set = 0, binding = 0) uniform uniformBuffer {
    float a;
    int b;
} ubo;

// example of reading from UBO in GLSL
int x = ubo.b + 1;
vec3 y = vec3(ubo.a);

OpMemberDecorate %uniformBuffer 0 Offset 0
OpMemberDecorate %uniformBuffer 1 Offset 4
OpDecorate %uniformBuffer Block
OpDecorate %ubo DescriptorSet 0
OpDecorate %ubo Binding 0

%uniformBuffer = OpTypeStruct %float %int
%ptr           = OpTypePointer Uniform %uniformBuffer
%ubo           = OpVariable %ptr Uniform

存储缓冲区（Storage Buffer）

VK_DESCRIPTOR_TYPE_STORAGE_BUFFER

提示

存储缓冲区在绑定时可以动态偏移（VK_DESCRIPTOR_TYPE_STORAGE_BUFFER_DYNAMIC）

layout(set = 0, binding = 0) buffer storageBuffer {
    float a;
    int b;
} ssbo;

// example of reading and writing SSBO in GLSL
ssbo.a = ssbo.a + 1.0;
ssbo.b = ssbo.b + 1;

信息

BufferBlock 和 Uniform 内容请阅读 VK_KHR_storage_buffer_storage_class

OpMemberDecorate %storageBuffer 0 Offset 0
OpMemberDecorate %storageBuffer 1 Offset 4
OpDecorate %storageBuffer Block
OpDecorate %ssbo DescriptorSet 0
OpDecorate %ssbo Binding 0

%storageBuffer = OpTypeStruct %float %int
%ptr           = OpTypePointer StorageBuffer %storageBuffer
%ssbo          = OpVariable %ptr StorageBuffer

统一纹素缓冲区（Uniform Texel Buffer）

VK_DESCRIPTOR_TYPE_UNIFORM_TEXEL_BUFFER
layout(set = 0, binding = 0) uniform textureBuffer uniformTexelBuffer;

// example of reading texel buffer in GLSL
vec4 data = texelFetch(uniformTexelBuffer, 0);

OpDecorate %uniformTexelBuffer DescriptorSet 0
OpDecorate %uniformTexelBuffer Binding 0

%texelBuffer        = OpTypeImage %float Buffer 0 0 0 1 Unknown
%ptr                = OpTypePointer UniformConstant %texelBuffer
%uniformTexelBuffer = OpVariable %ptr UniformConstant

存储纹素缓冲区（Storage Texel Buffer）

VK_DESCRIPTOR_TYPE_STORAGE_TEXEL_BUFFER
// VK_FORMAT_R8G8B8A8_UINT
layout(set = 0, binding = 0, rgba8ui) uniform uimageBuffer storageTexelBuffer;

// example of reading and writing texel buffer in GLSL
int offset = int(gl_GlobalInvocationID.x);
vec4 data = imageLoad(storageTexelBuffer, offset);
imageStore(storageTexelBuffer, offset, uvec4(0));

OpDecorate %storageTexelBuffer DescriptorSet 0
OpDecorate %storageTexelBuffer Binding 0

%rgba8ui            = OpTypeImage %uint Buffer 0 0 0 2 Rgba8ui
%ptr                = OpTypePointer UniformConstant %rgba8ui
%storageTexelBuffer = OpVariable %ptr UniformConstant

输入附件（Input Attachment）

VK_DESCRIPTOR_TYPE_INPUT_ATTACHMENT
layout (input_attachment_index = 0, set = 0, binding = 0) uniform subpassInput inputAttachment;

// example loading the attachment data in GLSL
vec4 data = subpassLoad(inputAttachment);

OpDecorate %inputAttachment DescriptorSet 0
OpDecorate %inputAttachment Binding 0
OpDecorate %inputAttachment InputAttachmentIndex 0

%subpass         = OpTypeImage %float SubpassData 0 0 0 2 Unknown
%ptr             = OpTypePointer UniformConstant %subpass
%inputAttachment = OpVariable %ptr UniformConstant

推送常量（Push Constants）

推送常量是在着色器中可访问的一组常量值，应用程序无需创建缓冲区或修改和绑定更新的描述符集，可以直接设置着色器中使用的值。

这种设计用于在命令缓冲区记录时高频更新少量（几个字节）数据的场景。

更多信息可以在 Push Constants 章节中找到。

特殊常量

特殊常量 是一种允许在创建VkPipeline时指定 SPIR-V 中的常量值的机制，这个功能非常强大，因为它取代了在高级着色语言（GLSL、HLSL 等）中执行预处理器宏的方法。

例子

如果应用程序想要创建的 VkPipeline 的每个shader的颜色值不同，一种简单的方法是使用两个着色器：

// shader_a.frag
#version 450
layout(location = 0) out vec4 outColor;

void main() {
    outColor = vec4(0.0);
}

// shader_b.frag
#version 450
layout(location = 0) out vec4 outColor;

void main() {
    outColor = vec4(1.0);
}

使用特殊常量，可以在调用vkCreateGraphicsPipelines编译着色器时做出选择 ，因此只需要一个着色器：

#version 450
layout (constant_id = 0) const float myColor = 1.0;
layout(location = 0) out vec4 outColor;

void main() {
    outColor = vec4(myColor);
}

最终的 SPIR-V ：

                      Decorate 9(outColor) Location 0
                      Decorate 10(myColor) SpecId 0

                      // 0x3f800000 as decimal which is 1.0 for a 32 bit float
10(myColor): 6(float) SpecConstant 1065353216

该值在着色器内仍是一个常量，但是如果另一个 VkPipeline 使用相同的着色器，想要将 myColor 设置为 0.5f，可以这样做：

struct myData {
    float myColor = 1.0f;
} myData;

VkSpecializationMapEntry mapEntry = {};
mapEntry.constantID = 0; // matches constant_id in GLSL and SpecId in SPIR-V
mapEntry.offset     = 0;
mapEntry.size       = sizeof(float);

VkSpecializationInfo specializationInfo = {};
specializationInfo.mapEntryCount = 1;
specializationInfo.pMapEntries   = &mapEntry;
specializationInfo.dataSize      = sizeof(myData);
specializationInfo.pData         = &myData;

VkGraphicsPipelineCreateInfo pipelineInfo = {};
pipelineInfo.pStages[fragIndex].pSpecializationInfo = &specializationInfo;

// Create first pipeline with myColor as 1.0
vkCreateGraphicsPipelines(&pipelineInfo);

// Create second pipeline with same shader, but sets different value
myData.myColor = 0.5f;
vkCreateGraphicsPipelines(&pipelineInfo);

第二个VkPipeline 的着色器解析myColor时将使用新常数值 0.5f。

3 种特殊常量的用法

特殊常量通常有以下三种用法：

• 切换功能
  • 直到运行时才知道 Vulkan 是否支持某项功能，嵌入一个运行时的常量决策从而避免编写两个单独的着色器。
• 改善后端优化
  • 这里的“后端”指的是编译器，它将 SPIR-V 解析为在设备上运行的低代码。
  • 常量值可以进行一些优化，例如 常量折叠、去除死代码等。
• 减小类型和内存大小
  • 可以通过特殊常量设置使用的数组或变量类型的长度。
  • 需要注意的是，编译器需要根据这些类型和大小来分配寄存器，如果分配的寄存器差异很大，管线缓存很可能会失败。

物理存储缓冲区

Vulkan 1.2 的VK_KHR_buffer_device_address 扩展添加了“着色器中的指针”功能。使用SPIR-V 中的 PhysicalStorageBuffer 存储类，应用程序可以调用 vkGetBufferDeviceAddress 返回内存的 VkDeviceAddress 。

这也是将数据映射到着色器的一种方式。例如，如果应用程序想要将其与统一缓冲区一起使用，必须创建一个同时具有 VK_BUFFER_USAGE_SHADER_DEVICE_ADDRESS_BIT 和 VK_BUFFER_USAGE_UNIFORM_BUFFER_BIT的 VkBuffer，Vulkan 将使用描述符与着色器交互，随后可以使用物理存储缓冲区来更新值。

限制

以上的示例，还存在一些使用限制，限制一次可以绑定多少数据，这些限制如下：

• 输入属性
  • maxVertexInputAttributes
  • maxVertexInputAttributeOffset
• 描述符
  • maxBoundDescriptorSets
  • 每阶段限制
  • maxPerStageDescriptorSamplers
  • maxPerStageDescriptorUniformBuffers
  • maxPerStageDescriptorStorageBuffers
  • maxPerStageDescriptorSampledImages
  • maxPerStageDescriptorStorageImages
  • maxPerStageDescriptorInputAttachments
  • 每个类型限制
  • maxPerStageResources
  • maxDescriptorSetSamplers
  • maxDescriptorSetUniformBuffers
  • maxDescriptorSetUniformBuffersDynamic
  • maxDescriptorSetStorageBuffers
  • maxDescriptorSetStorageBuffersDynamic
  • maxDescriptorSetSampledImages
  • maxDescriptorSetStorageImages
  • maxDescriptorSetInputAttachments
  • VkPhysicalDeviceDescriptorIndexingProperties （使用了 描述符索引）
  • VkPhysicalDeviceInlineUniformBlockPropertiesEXT （使用了 Inline Uniform Block）
• 推送常量
  • maxPushConstantsSize 128- 设备至少预留128字节