统一缓冲对象（Uniform Buffer Object, UBO）

统一缓冲对象（UBO）是用于存储着色器程序统一变量（Uniform）数据的缓冲对象。它可以在不同程序之间共享统一变量，也可以快速切换同一程序对象的不同统一变量集。

术语区分

"Uniform Buffer Object" 指 OpenGL 缓冲对象本身；"Uniform Block"（统一块）指 GLSL 中存储来自缓冲对象的统一变量分组。

用途

统一缓冲对象有以下几个主要用途：

1. 快速切换：切换统一缓冲绑定通常比切换程序中数十个统一变量更快，可以快速切换共享同一程序的不同对象的统一数据集

2. 更大容量：统一缓冲对象通常可以存储比非缓冲统一变量更多的数据

3. 跨程序共享：修改单个缓冲区可以有效更新多个程序中的统一变量

着色器规范

统一块（Uniform Block）是缓冲支持接口块（Buffer-backed Interface Block）的一种特殊形式。在 GLSL 中声明统一块：

layout(std140) uniform MyBlock {
    vec4 data;
    mat4 transform;
    float values[16];
};

OpenGL 使用

获取统一块索引

GLuint glGetUniformBlockIndex(GLuint program, const char *uniformBlockName);

如果块名未找到，返回 GL_INVALID_INDEX。

绑定统一块到绑定点

void glUniformBlockBinding(GLuint program, GLuint uniformBlockIndex, 
                           GLuint uniformBlockBinding);

这会将程序中的 uniformBlockIndex 绑定到统一缓冲绑定位置 uniformBlockBinding。

绑定缓冲对象

使用 glBindBufferRange 或 glBindBufferBase 将统一缓冲对象绑定到相应绑定点：

// 绑定整个缓冲区
glBindBufferBase(GL_UNIFORM_BUFFER, bindingIndex, buffer);

// 绑定缓冲区的一部分
glBindBufferRange(GL_UNIFORM_BUFFER, bindingIndex, buffer, offset, size);

完整示例

// 着色器中：
// layout(std140, binding = 0) uniform Matrices {
//     mat4 projection;
//     mat4 view;
// };

// C++ 代码
GLuint ubo;
glGenBuffers(1, &ubo);
glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, ubo);
glBufferData(GL_UNIFORM_BUFFER, sizeof(matrices), matrices, GL_STATIC_DRAW);
glBindBufferBase(GL_UNIFORM_BUFFER, 0, ubo);

布局查询

如果未使用 std140 布局，需要查询块中每个统一变量的字节偏移。OpenGL 规范解释了基本类型的存储方式，但类型之间的对齐需要查询。

可以通过传统的统一变量内省 API 或较新的程序接口查询 API 获取：

// 获取统一变量偏移
GLint offset;
glGetActiveUniformsiv(program, 1, &uniformIndex, GL_UNIFORM_OFFSET, &offset);

// 获取数组步长
GLint stride;
glGetActiveUniformsiv(program, 1, &uniformIndex, GL_UNIFORM_ARRAY_STRIDE, &stride);

限制

绑定点数量限制

每个着色器阶段对统一缓冲绑定位置数量有限制：

GLint maxVertexBlocks, maxGeometryBlocks, maxFragmentBlocks;
glGetIntegerv(GL_MAX_VERTEX_UNIFORM_BLOCKS, &maxVertexBlocks);
glGetIntegerv(GL_MAX_GEOMETRY_UNIFORM_BLOCKS, &maxGeometryBlocks);
glGetIntegerv(GL_MAX_FRAGMENT_UNIFORM_BLOCKS, &maxFragmentBlocks);

总绑定位置数量通过 GL_MAX_UNIFORM_BUFFER_BINDINGS 查询。

大小限制

每个统一缓冲的最大存储空间通过 GL_MAX_UNIFORM_BLOCK_SIZE 查询（以字节为单位）。

对齐要求

使用 glBindBufferRange 时，offset 参数必须是 GL_UNIFORM_BUFFER_OFFSET_ALIGNMENT 的倍数：

GLint alignment;
glGetIntegerv(GL_UNIFORM_BUFFER_OFFSET_ALIGNMENT, &alignment);
// offset 必须是 alignment 的倍数

多块存储

如果要在单个缓冲对象中存储多个统一块的数据，必须确保每个块的数据对齐到上述要求。

std140 布局规则

使用 std140 布局可以避免运行时查询偏移量，规则如下：

类型	偏移规则
标量（int, float, bool）	4 字节对齐
二元向量（vec2, ivec2）	8 字节对齐
三元向量（vec3, ivec3）	16 字节对齐
四元向量（vec4, ivec4）	16 字节对齐
矩阵（mat3, mat4）	列向量对齐规则，每列 16 字节对齐
数组	每个元素按 vec4 对齐（16 字节）
结构体	成员按各自规则对齐，整体按最大成员对齐

layout(std140) uniform Example {
    float scalar;      // offset: 0, size: 4
    vec2 vec2_val;     // offset: 8, size: 8  (填充 4 字节)
    vec3 vec3_val;     // offset: 16, size: 12
    float arr[2];      // offset: 32, size: 32 (每元素 16 字节)
    mat4 matrix;       // offset: 64, size: 64
};

参考

• 核心版本：OpenGL 3.1
• 核心扩展：ARB_uniform_buffer_object