计算着色器 (Compute Shader)

计算着色器（Compute Shader）是专门用于计算任意信息的着色器阶段。虽然它可以用于渲染，但通常用于与绘制三角形和像素无直接关联的任务。

版本信息

• 核心版本：4.6
• 引入版本：4.3
• ARB 扩展：ARB_compute_shader

执行模型

计算着色器的执行方式与其他着色器阶段不同。其他着色器阶段有明确定义的输入值集，执行频率由阶段性质决定（如顶点着色器每个输入顶点执行一次）。

计算着色器的执行"空间"很大程度上是抽象的，由着色器本身决定。计算着色器没有用户定义的输入和输出，内置输入仅定义特定调用在执行"空间"中的位置。

如果计算着色器需要输入数据，必须通过纹理访问、任意图像加载、着色器存储块等方式自行获取。输出时也必须显式写入图像或着色器存储块。

计算空间 (Compute Space)

计算着色器操作的核心概念是工作组（Work Group），这是用户可以执行的最小计算操作单位。

工作组空间是三维的，具有 X、Y、Z 三个维度。任何维度都可以为 1，实现一维或二维计算。

执行顺序

工作组可以以任意顺序执行。例如，给定工作组集合 (3, 1, 2)，可能先执行组 (0, 0, 0)，然后跳到 (1, 0, 1)，再到 (2, 0, 0) 等。计算着色器不应依赖工作组的处理顺序。

每个工作组内可以有多次计算着色器调用，这个数量由计算着色器自身定义，称为本地大小（Local Size）。

因此，如果计算着色器的本地大小为 (128, 1, 1)，工作组数量为 (16, 8, 64)，则总共会产生 1,048,576 次独立的着色器调用。

工作组内的调用可以"并行"执行，并通过 shared 变量和特殊函数进行通信。不同工作组之间的调用无法有效通信（否则可能导致系统死锁）。

分发 (Dispatch)

计算着色器不属于常规渲染管线，执行绘图命令时不会调用计算着色器。

分发函数

void glDispatchCompute(GLuint num_groups_x, GLuint num_groups_y, GLuint num_groups_z);

num_groups_* 参数定义三维工作组数量，这些值不能为零。

间接分发

void glDispatchComputeIndirect(GLintptr indirect);

indirect 参数是当前绑定到 GL_DISPATCH_INDIRECT_BUFFER 目标的缓冲区的字节偏移量。

警告

间接分发绕过了 OpenGL 的常规错误检查。使用越界的工作组大小可能导致程序崩溃甚至 GPU 锁死。

输入

计算着色器不能有用户定义的输入变量。如需提供输入，必须使用存储缓冲区或纹理等资源。

内置输入变量

in uvec3 gl_NumWorkGroups;
in uvec3 gl_WorkGroupID;
in uvec3 gl_LocalInvocationID;
in uvec3 gl_GlobalInvocationID;
in uint  gl_LocalInvocationIndex;

变量	说明
gl_NumWorkGroups	分发函数传入的工作组数量
gl_WorkGroupID	当前着色器调用的工作组 ID，各分量范围为 [0, gl_NumWorkGroups.XYZ)
gl_LocalInvocationID	工作组内的调用 ID，各分量范围为 [0, gl_WorkGroupSize.XYZ)
gl_GlobalInvocationID	唯一标识当前调用的 ID，等价于 gl_WorkGroupID * gl_WorkGroupSize + gl_LocalInvocationID
gl_LocalInvocationIndex	一维版本的 gl_LocalInvocationID

本地大小 (Local Size)

本地大小在着色器中定义：

layout(local_size_x = X, local_size_y = Y, local_size_z = Z) in;

默认本地大小为 1，可以只指定需要的维度。

本地大小作为编译时常量可用：

const uvec3 gl_WorkGroupSize;

输出

计算着色器没有输出变量。如需输出数据，必须使用着色器存储缓冲区或图像加载存储操作。

共享变量 (Shared Variables)

计算着色器中的全局变量可以使用 shared 存储限定符声明。这些变量的值在工作组内的所有调用之间共享。

shared uint foo;  // 不能有初始化器

工作组开始时，共享变量的值是未初始化的。

共享内存一致性

共享变量访问使用非一致内存访问规则。共享变量隐式声明为 coherent。

可用的内存屏障：

• memoryBarrierShared()：专门用于共享变量排序
• groupMemoryBarrier()：仅对当前工作组内的读写进行排序

要同步工作组内调用之间的读写，必须使用 barrier() 函数：

barrier();  // 所有调用必须到达此点后才能继续

限制

barrier() 只能从统一流控制（uniform flow control）中调用。所有调用必须以相同顺序调用相同的 barrier() 序列。

原子操作

可以对整型共享变量执行原子操作：

nint atomicAdd(inout nint mem, nint data);
nint atomicMin(inout nint mem, nint data);
nint atomicMax(inout nint mem, nint data);
nint atomicAnd(inout nint mem, nint data);
nint atomicOr(inout nint mem, nint data);
nint atomicXor(inout nint mem, nint data);
nint atomicExchange(inout nint mem, nint data);
nint atomicCompSwap(inout nint mem, nint compare, nint data);

返回值

所有原子函数返回原始值（操作前的值）。nint 可以是 int 或 uint。

限制

工作组数量限制

通过 glGetIntegeri_v 查询 GL_MAX_COMPUTE_WORK_GROUP_COUNT（各轴最小值为 65535）。

本地大小限制

• 各维度限制：GL_MAX_COMPUTE_WORK_GROUP_SIZE（X/Y 最小 1024，Z 最小 64）
• 总调用数限制：GL_MAX_COMPUTE_WORK_GROUP_INVOCATIONS（最小 1024）

共享内存限制

GL_MAX_COMPUTE_SHARED_MEMORY_SIZE 定义共享变量总存储大小（最小 32KB）。