Vulkan Shader | DIONYSEN BLOG

Vulkan Shader 的资源绑定与OpenGL的对比。

OpenGL的资源绑定系统

在OpenGL中，资源绑定相对简单但不够灵活：

Uniform变量示例：

// OpenGL着色器
uniform mat4 modelMatrix;
uniform vec4 color;

对应的C++代码：

// 获取uniform位置
GLint modelMatrixLoc = glGetUniformLocation(program, "modelMatrix");
GLint colorLoc = glGetUniformLocation(program, "color");

// 设置uniform值
glUseProgram(program);
glUniformMatrix4fv(modelMatrixLoc, 1, GL_FALSE, &modelMatrix[0][0]);
glUniform4fv(colorLoc, 1, &color[0]);

纹理绑定示例：

// OpenGL纹理绑定
glActiveTexture(GL_TEXTURE0);
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, textureId);
glUniform1i(textureLoc, 0);  // 设置采样器uniform

Vulkan的资源绑定系统

Vulkan使用更复杂但更灵活的描述符系统，我们来详细分析每种数据传递方式：

Push Constants（推送常量）

这是最直接和最快的数据传递方式，适合频繁更新的小数据。

着色器代码：

// Vulkan着色器
layout(push_constant) uniform PushConstants {
    mat4 transform;
    vec4 color;
} pushConstants;

C++实现：

// 定义推送常量数据结构
struct PushConstants {
    glm::mat4 transform;
    glm::vec4 color;
};

// 创建管线布局时声明推送常量范围
VkPushConstantRange pushConstantRange = {};
pushConstantRange.stageFlags = VK_SHADER_STAGE_VERTEX_BIT | VK_SHADER_STAGE_FRAGMENT_BIT;
pushConstantRange.offset = 0;
pushConstantRange.size = sizeof(PushConstants);

// 在渲染时更新推送常量
PushConstants constants = { ... };
vkCmdPushConstants(
    commandBuffer,
    pipelineLayout,
    VK_SHADER_STAGE_VERTEX_BIT | VK_SHADER_STAGE_FRAGMENT_BIT,
    0,
    sizeof(PushConstants),
    &constants
);

特点：

数据大小通常限制在128-256字节
无需描述符分配
更新速度最快
适合每次绘制调用都需要更改的小数据

Uniform Buffers（统一缓冲区）

适合较大的、相对稳定的数据。

着色器代码：

// Vulkan着色器
layout(std140, set = 0, binding = 0) uniform UniformBufferObject {
    mat4 model;
    mat4 view;
    mat4 proj;
} ubo;

C++实现：

// 创建统一缓冲区
struct UniformBufferObject {
    glm::mat4 model;
    glm::mat4 view;
    glm::mat4 proj;
};

// 创建缓冲区
VkBuffer uniformBuffer;
VkDeviceMemory uniformBufferMemory;
createBuffer(
    sizeof(UniformBufferObject),
    VK_BUFFER_USAGE_UNIFORM_BUFFER_BIT,
    VK_MEMORY_PROPERTY_HOST_VISIBLE_BIT | VK_MEMORY_PROPERTY_HOST_COHERENT_BIT,
    uniformBuffer,
    uniformBufferMemory
);

// 创建描述符集布局
VkDescriptorSetLayoutBinding uboLayoutBinding = {};
uboLayoutBinding.binding = 0;
uboLayoutBinding.descriptorType = VK_DESCRIPTOR_TYPE_UNIFORM_BUFFER;
uboLayoutBinding.descriptorCount = 1;
uboLayoutBinding.stageFlags = VK_SHADER_STAGE_VERTEX_BIT;

// 分配和更新描述符集
VkDescriptorBufferInfo bufferInfo = {};
bufferInfo.buffer = uniformBuffer;
bufferInfo.offset = 0;
bufferInfo.range = sizeof(UniformBufferObject);

VkWriteDescriptorSet descriptorWrite = {};
descriptorWrite.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_WRITE_DESCRIPTOR_SET;
descriptorWrite.dstSet = descriptorSet;
descriptorWrite.dstBinding = 0;
descriptorWrite.descriptorType = VK_DESCRIPTOR_TYPE_UNIFORM_BUFFER;
descriptorWrite.descriptorCount = 1;
descriptorWrite.pBufferInfo = &bufferInfo;

vkUpdateDescriptorSets(device, 1, &descriptorWrite, 0, nullptr);

// 更新数据
UniformBufferObject ubo = {};
void* data;
vkMapMemory(device, uniformBufferMemory, 0, sizeof(ubo), 0, &data);
memcpy(data, &ubo, sizeof(ubo));
vkUnmapMemory(device, uniformBufferMemory);

特点：

支持较大数据块
需要显式管理内存
通过描述符集系统访问
可以在多个着色器间共享
更新频率适中

Storage Buffers（存储缓冲区）

适合需要读写访问的大量数据。

着色器代码：

// Vulkan着色器
layout(std430, set = 0, binding = 1) buffer StorageBuffer {
    vec4 positions[];
} ssbo;

C++实现：

// 创建存储缓冲区
VkBuffer storageBuffer;
VkDeviceMemory storageBufferMemory;
createBuffer(
    bufferSize,
    VK_BUFFER_USAGE_STORAGE_BUFFER_BIT,
    VK_MEMORY_PROPERTY_HOST_VISIBLE_BIT | VK_MEMORY_PROPERTY_HOST_COHERENT_BIT,
    storageBuffer,
    storageBufferMemory
);

// 描述符设置类似于Uniform Buffer，但使用VK_DESCRIPTOR_TYPE_STORAGE_BUFFER

特点：

支持着色器读写访问
可以存储动态大小的数据
适合计算着色器的数据处理

Combined Image Samplers（组合图像采样器）

用于纹理采样。

着色器代码：

// Vulkan着色器
layout(set = 1, binding = 0) uniform sampler2D texSampler;

C++实现：

// 创建图像和采样器
VkImage textureImage;
VkImageView textureImageView;
VkSampler textureSampler;

// 创建描述符集布局
VkDescriptorSetLayoutBinding samplerLayoutBinding = {};
samplerLayoutBinding.binding = 0;
samplerLayoutBinding.descriptorType = VK_DESCRIPTOR_TYPE_COMBINED_IMAGE_SAMPLER;
samplerLayoutBinding.descriptorCount = 1;
samplerLayoutBinding.stageFlags = VK_SHADER_STAGE_FRAGMENT_BIT;

// 更新描述符集
VkDescriptorImageInfo imageInfo = {};
imageInfo.imageLayout = VK_IMAGE_LAYOUT_SHADER_READ_ONLY_OPTIMAL;
imageInfo.imageView = textureImageView;
imageInfo.sampler = textureSampler;

VkWriteDescriptorSet descriptorWrite = {};
descriptorWrite.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_WRITE_DESCRIPTOR_SET;
descriptorWrite.dstSet = descriptorSet;
descriptorWrite.dstBinding = 0;
descriptorWrite.descriptorType = VK_DESCRIPTOR_TYPE_COMBINED_IMAGE_SAMPLER;
descriptorWrite.descriptorCount = 1;
descriptorWrite.pImageInfo = &imageInfo;

vkUpdateDescriptorSets(device, 1, &descriptorWrite, 0, nullptr);

数据流转的关键区别

描述符集的层次结构：

Vulkan使用set和binding两级结构
可以在多个管线间共享描述符集
支持描述符集的部分更新

内存管理：

Vulkan需要显式管理内存分配和绑定
支持多种内存类型和内存属性
可以更精确地控制数据传输路径

同步机制：

Vulkan需要显式管理资源访问同步
使用内存屏障和事件等同步原语
可以更精确地控制数据访问时序

批量更新：

Vulkan支持批量更新描述符集
可以一次性更新多个资源绑定
减少API调用开销

性能考虑

Push Constants：

最快的数据传输方式
直接嵌入命令缓冲区
适合高频更新的小数据

Uniform Buffers：

中等访问速度
适合较大但更新频率不高的数据
可以使用动态偏移优化

Storage Buffers：

读写访问较慢
适合大量数据的计算
支持原子操作

描述符集缓存：

可以预先分配描述符集池
重用描述符集减少开销
支持描述符集更新模板