Shader 着色器

Shader（着色器） 是用户定义的程序，运行在图形处理器的特定阶段。着色器为渲染管线（Rendering Pipeline）的某些可编程阶段提供代码，也可用于GPU上的通用计算。

Stages 着色器阶段

渲染管线定义了若干可编程阶段，每个阶段代表特定类型的处理过程，拥有各自的输入和输出。

着色器使用 OpenGL Shading Language (GLSL) 编写。OpenGL 定义了以下着色器阶段：

阶段	枚举值	版本要求
Vertex Shader（顶点着色器）	`GL_VERTEX_SHADER`	-
Tessellation Control（细分控制着色器）	`GL_TESS_CONTROL_SHADER`	GL 4.0 或 ARB_tessellation_shader
Tessellation Evaluation（细分管着色器）	`GL_TESS_EVALUATION_SHADER`	GL 4.0 或 ARB_tessellation_shader
Geometry Shader（几何着色器）	`GL_GEOMETRY_SHADER`	-
Fragment Shader（片段着色器）	`GL_FRAGMENT_SHADER`	-
Compute Shader（计算着色器）	`GL_COMPUTE_SHADER`	GL 4.3 或 ARB_compute_shader

程序对象

Program Object（程序对象） 可以将多个着色器阶段组合成一个完整的链接单元。Program Pipeline Object（程序管线对象） 则可以将包含单个着色器阶段的程序组合成完整的管线。

Execution and Invocations 执行与调用

当执行绑定的 Program Object 或 Program Pipeline Object 时，渲染管线的可编程部分将执行存储在当前程序中的着色器代码。

每个着色器阶段根据渲染内容执行一次或多次，每次执行称为一次 invocation（调用）。除少数例外，着色器调用之间不能相互交互。

各阶段调用频率

Vertex Shader：大约每个输入顶点调用一次。使用索引绘制时，由于 Post Transform Cache，可能少于每个顶点一次。
Tessellation Control Shader：精确地为每个 patch 的每个输出顶点调用一次。同一 patch 的调用可以通过输出变量相互通信。
Tessellation Evaluation Shader：大约为细分后抽象 patch 的每个顶点调用一次。
Geometry Shader：每个到达该阶段的图元调用一次。支持实例化以多次调用。
Fragment Shader：为光栅化生成的每个 Fragment（片段）调用一次。可能存在辅助调用用于计算隐式导数。
Compute Shader：调用次数由工作组数量乘以局部大小决定。同一工作组内的调用可以有限地相互通信。

Execution Model and Divergence 执行模型与分歧

GPU 采用 SIMD（单指令多数据） 架构，多个着色器调用被捆绑在一起在同一 SIMD 核心上执行。

分支分歧

当条件分支导致不同调用执行不同路径时，会发生 divergence（分歧），命令处理器必须串行执行不同路径，影响性能。

静态统一表达式

编译器可以确定不会产生分歧的条件分支，如果分支表达式仅来自：

常量
uniform 值
其他仅来自常量和 uniform 的表达式

这称为 statically uniform expression（静态统一表达式）。

glsl

// 安全：循环范围由 uniform 定义
for (int i = 0; i < uniformCount; i++) {
    // 不会产生分歧
}

编译器优化

现代编译器会尝试避免真正的执行分歧。对于简单的三元表达式 ? : 或小型 if 语句，编译器通常会同时计算两个分支，然后根据条件选择结果。

Resource Limitations 资源限制

着色器可以访问多种资源：纹理、uniform 变量、uniform 块、图像变量、原子计数器、shader storage 缓冲区等。每种资源都有可查询的最大数量限制。

单阶段资源限制

以下枚举值中的 * 代表阶段名：VERTEX、TESS_CONTROL、TESS_EVALUATION、COMPUTE、GEOMETRY 或 FRAGMENT。

枚举值	说明	最小值
`GL_MAX_*_UNIFORM_COMPONENTS`	uniform 变量的活跃组件数	1024
`GL_MAX_*_UNIFORM_BLOCKS`	可访问的 uniform 块数量	12 (GL 3.3), 14 (GL 4.3)
`GL_MAX_*_INPUT_COMPONENTS`	该阶段输入组件的最大数量	因阶段而异
`GL_MAX_*_OUTPUT_COMPONENTS`	该阶段输出组件的最大数量	因阶段而异
`GL_MAX_*_TEXTURE_IMAGE_UNITS`	采样器可访问的纹理单元数	16
`GL_MAX_*_IMAGE_UNIFORMS`	图像变量数量	8 (Fragment/Compute), 0 (其他)
`GL_MAX_*_ATOMIC_COUNTERS`	原子计数器变量数量	8 (Fragment/Compute), 0 (其他)
`GL_MAX_*_SHADER_STORAGE_BLOCKS`	shader storage 块数量	8 (Fragment/Compute), 0 (其他)

特殊情况

Vertex Shader 使用 GL_MAX_VERTEX_ATTRIBUTES 限制顶点属性
Fragment Shader 使用 GL_MAX_DRAW_BUFFERS 限制绘制缓冲区
Fragment Shader 的纹理单元限制为 GL_MAX_TEXTURE_IMAGE_UNITS（无 FRAGMENT 前缀）

Aggregate Limits 汇总限制

跨所有着色器阶段的总体限制：

枚举值	说明	最小值
`GL_MAX_UNIFORM_BUFFER_BINDINGS`	uniform 缓冲区绑定点数量	36 (GL 3.3), 72 (GL 4.3)
`GL_MAX_COMBINED_UNIFORM_BLOCKS`	所有活跃程序可用的 uniform 块总数	36 (GL 3.3), 70 (GL 4.3)
`GL_MAX_COMBINED_TEXTURE_IMAGE_UNITS`	所有活跃程序可用的纹理单元总数	48 (GL 3.3), 96 (GL 4.3)
`GL_MAX_IMAGE_UNITS`	图像单元总数	8
`GL_MAX_COMBINED_SHADER_OUTPUT_RESOURCES`	shader storage 块 + 图像变量 + 片段输出的总数	8

Shader 着色器 ​

Stages 着色器阶段 ​

Execution and Invocations 执行与调用 ​

各阶段调用频率 ​

Execution Model and Divergence 执行模型与分歧 ​

静态统一表达式 ​

Resource Limitations 资源限制 ​

单阶段资源限制 ​

Aggregate Limits 汇总限制 ​