圖形管線與Shader的交互

入口函數(shù)與非入口函數(shù)

入口函數(shù)是Shader的主函數(shù)。來看這樣一段程序

float4x4 wvpMat;

struct VS_INPUT{
    float4 pos: SV_Position;
    float4 tex: SV_Texcoord0;
};

struct VS_OUTPUT{
    float4 pos: SV_Position;
    float4 tex: SV_Texcoord0;
};

float4 world_pos( float4 p ){
    return mul(p, wvpMat);
}

VS_OUTPUT vs_main(VS_INPUT in){
    VS_OUTPUT o;
    o.pos = world_pos(in.pos);
    o.tex = in.tex;
    return o;
}

很顯然，vs_main是一個合法的VS程序的主函數(shù)，那么我們稱vs_main為入口函數(shù)，稱world_pos為非入口函數(shù)。Shading language的入口函數(shù)，其實和C語言的主在概念上沒有什么區(qū)別。但是在SASL中，我們要求一個入口函數(shù)它所有的輸入和輸出都要正確的關聯(lián)到語義上。SM4中這一條件被放寬了，入口函數(shù)也可以提供無語義的uniform參數(shù)。

語義分類

對于Shading Language而言，最重要的兩個操作是從圖形管線中獲取數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)寫回到管線中。流水線中的數(shù)據(jù)是附帶了語義信息的，用于表達這個數(shù)據(jù)的用途。例如SV_Position就指明了這樣一個數(shù)據(jù)是表示位置的。用戶輸入的數(shù)據(jù)、SL輸出的數(shù)據(jù)，都是依靠語義信息來確保讀取和寫入的正確性。例如SV_Position只能從某個頂點流的特定偏移量獲取，SV_Color的數(shù)據(jù)才能被寫到color buffer中。

SASL支持的語義集合是HLSL Shader Model 4.0的子集。目前參考的HLSL版本為4.0。

在Shader Model 4.0的所有輸入語義中，一些語義的值直接來自于外部存儲，例如SV_Position的數(shù)據(jù)來自頂點流，一些語義的值則是來自于管線執(zhí)行中間計算的結果。輸出語義也是如此。

Shader從設計之初便需要應對每秒百萬到數(shù)億的調用，因此一些平常不可見的開銷問題在這里也變得尤為顯著，例如函數(shù)參數(shù)壓棧的開銷。所以將所有輸入數(shù)據(jù)均按值或者按地址傳遞到入口函數(shù)中是不妥的。為了盡可能的減少內存讀寫的次數(shù)，從外部存儲讀入（例如Vertex Buffer）或者寫入的外部存儲（例如Stream Output或者Frame Buffer）的數(shù)據(jù)，我們一律以指針+偏移的形式將數(shù)據(jù)傳遞到Shader中，稱之為Stream類型，而臨時的語義變量，如SV_IsFrontFace，我們則暫存到一個臨時的buffer中，稱之為buffer類型。

在SASL中我們將shader的全部語義分為四類，Stream_in，stream_out，buffer_in，buffer_out。

Shader還有一種特有的存儲類型，uniform。這一類型在編譯期的時候是一個變量，在代碼生成期/優(yōu)化期是一個常量。如果將這一類型的量按照編譯期常量來處理，那么便能獲得更高的運行時性能，比方說一些條件展開可以通過優(yōu)化而被消除。但是，這也意味著一旦uniform量發(fā)生變化后，shader便最少需要重新執(zhí)行代碼生成乃至于重新編譯。這將會帶來巨大的性能開銷。由于SASL主要執(zhí)行在CPU上，CPU對于動態(tài)代碼的執(zhí)行優(yōu)化要遠遠優(yōu)于GPU，例如間接地址讀取指令和分支預測。因此我們將uniform作為一個普通的變量經(jīng)由buffer_in來執(zhí)行輸入，以平衡代碼調用和編譯之間的開銷。

數(shù)據(jù)結構與入口簽名

SASL最終將生成如下的簽名：

struct stream_in{
    float4* pos;
    float4* tex;
};

struct buffer_in{ float4x4 wvpMat; };
struct stream_out{}; // empty.
struct buffer_out{
    float4 pos;
    float4 tex;
};

float4 world_pos( float4 pos, buffer_in* bi );
void vs_main( stream_in* si, buffer_in* bi, stream_out* so, buffer_out* bo );

通過對語義和常量進行重整，SASL減少了不必要的拷貝開銷。

結構體的語義布局與常規(guī)布局

我們注意到，VS_OUTPUT對于返回值和堆棧變量的類型時的意義是不同的。在返回值時，它匹配了語義輸出，而在堆棧變量時，它只是一個普通結構體的內存布局。這就要求，VS_OUTPUT在分析時必須同時產生并保存兩套內存布局信息。

但是實際上由于布局差異僅僅在入口函數(shù)才存在，并且只有當結構體作為入口函數(shù)參數(shù)或返回值的時候才會使用語義布局，其他函數(shù)內無論是參數(shù)還是變量都是使用普通布局，因此我們運用一個臨時對象，將語義布局的值拷貝成一個普通布局的對象。也就是說，入口函數(shù)內的代碼中所有對這個參數(shù)值的讀取實際上都是對臨時對象的讀取。其代碼類似于下段：

void vs_main( stream_in* si, buffer_in* bi, stream_out* so, buffer_out* bo ){
    // initialization
    VS_INPUT __tmp_in = {*si->pos, *si->tex};
    VS_OUTPUT __tmp_out;
    // end initialization

    VS_OUTPUT o;
    o.pos = world_pos( __tmp_in.pos, bi );
    o.tex = __tmp_in.tex;

    __tmp_out = o;

    // return
    bo->pos = __tmp_out.pos;
    bo->tex = __tmp_out.tex;
    return;
    // end return
}

那么通過臨時對象的構造，便可以將其余部分的代碼通過常規(guī)布局生成，避免了在普通布局和語義布局之間復雜的判斷和邏輯。盡管臨時變量的使用導致了代碼在外觀上看起來很低效，但是實際上這種極為簡單的冗余代碼，是非常適合LLVM這種基于SSA的優(yōu)化方案的。