VulkanTutorial（8·Shader modules）

Shader modules

与早期的API不同，Vulkan中的着色器代码必须以字节码格式指定，而不是人类可读的语法，如GLSL和HLSL。这种字节码格式称为SPIR-V它是一种可用于编写图形和计算着色器的格式

使用像SPIR-V这样简单的字节码格式，不会面临其他供应商的驱动程序因语法错误而拒绝您的代码的风险，

SPIR-V二进制文件，并不意味着我们需要手工编写，Khronos已经发布了他们自己的独立于供应商的glslangValidator.exe编译器，该编译器将GLSL编译为SPIR-V

但我们将使用Google的glslc.exe，glslc的优点是它使用与GCC和Clang等知名编译器相同的参数格式，并且这两个工具都已包含在Vulkan SDK中，因此您无需下载任何额外的内容。

GLSL是一种具有C风格语法的着色语言。用它编写的程序有一个main函数，GLSL使用全局变量来处理输入和输出，而不是使用参数作为输入和返回值作为输出，该语言包括内置的矢量和矩阵处理功能

Vertex shader

顶点着色器处理每个传入的顶点。它将其属性，如position, color, normal and texture coordinates作为输入。输出是clip coordinate裁剪坐标中的最终位置以及需要传递给片段着色器的属性,这些值然后将被光栅化器在片段上插值以产生 smooth平滑的梯度

clip coordinate裁剪坐标(单位立方体）是来自顶点着色器的四维向量，随后通过将整个向量除以其最后一个分量w来将其转换为规范化的设备坐标（单位正方形）->屏幕坐标（长方形）

左边时帧缓冲坐标（像素坐标），右边时标准化设备坐标，它和opengl 不同，y坐标是相反的，z坐标的范围仅是0---1

对于我们的第一个三角形，我们将直接指定三个顶点的位置作为归一化的设备坐标

通常情况下，这些坐标或者其他顶点属性将存储在顶点缓冲区中，但在Vulkan中创建顶点缓冲区并填充数据并非易事

文件

在vs中新建.vert和.frag的后缀名文件（可以任意取）

首先指明#version的glsl版本

创建元素数量为3的vec2二维向量类型的位置数组，和颜色数组

每个顶点都会调用main（）函数，内置的gl_VertexIndex变量包含当前顶点的索引，我们通过positions[gl_VertexIndex]去从数组访问顶点的位置，

并传入w分量，通过内置变量gl_Position用作vertex shader的输出

需要通过out将顶点颜色属性传给fragment shader，并在fragment shader中in匹配输入（不必同名只要location索引一致就行）

cpp 复制代码

#version 450

layout(location = 0) out vec3 fragColor;

vec2 positions[3] = vec2[](
    vec2(0.0, -0.5),
    vec2(0.5, 0.5),
    vec2(-0.5, 0.5)
);

vec3 colors[3] = vec3[](
    vec3(1.0, 0.0, 0.0),
    vec3(0.0, 1.0, 0.0),
    vec3(0.0, 0.0, 1.0)
);

void main() {
    gl_Position = vec4(positions[gl_VertexIndex], 0.0, 1.0);
    fragColor = colors[gl_VertexIndex];
}

fragment shader

用fragment 填充屏幕上的区域,在这些fragment上调用fragment shader以产生frambuffer的color and depth

main函数会为每个片段调用，就像顶点着色器main函数会为每个顶点调用一样

没有内置变量来输出当前计算的颜色（GLSL中的颜色是4分量向量），必须为每个frambuffer指定自己的输出变量，比如这里的outColor

其中layout(location = 0)布局修饰符 指定frambuffer的索引

fragColor的值将自动为三个顶点之间的片段插值，从而产生平滑的颜色渐变

cpp 复制代码

#version 450

layout(location = 0) in vec3 fragColor;

layout(location = 0) out vec4 outColor;

void main() {
    outColor = vec4(fragColor, 1.0);
}

编译为SPIR_V字节码

我们现在将使用glslc程序将这些代码编译成SPIR-V字节码

首先创建一个bat文件(批处理文件)，并将它放在你的shader文件夹下，

在其中写入，保存后，双击运行，至此我们的目录下就编译完成了spv文件

这两个命令告诉glslc编译器读取GLSL源文件，并使用-o（输出）标志输出SPIR-V字节码文件

如果着色器包含语法错误，那么编译器将告诉您行号和问题

在命令行上编译着色器是最简单的选项之一，但是也可以用Vulkan SDK的libshaderc，这是一个用于从程序中将GLSL代码编译为SPIR-V的库

cpp 复制代码

....../glslc.exe .......vert -o vert.spv
....../glslc.exe .......frag -o frag.spv
pause

加载SPIR-V到程序中

在是时候将它们加载到我们的程序中，以便在某个时候将它们插入graphics pipeline

编写一个简单的readFile函数来从文件中加载二进制数据

对于输入流对象，我们指定两个标志

ate：从文件末尾开始阅读（我们可以使用读取位置来确定文件的tellg（）大小并分配缓冲区）
binary：将文件读取为二进制文件（避免文本转换）

将读取的内容返回到由std：：vector管理的字节数组中

cpp 复制代码

static std::vector<char> readFile(const std::string& filename) {
    std::ifstream file(filename, std::ios::ate | std::ios::binary);//文件输入流

    if (!file.is_open()) {
        throw std::runtime_error("failed to open file!");
    }

    size_t fileSize = (size_t)file.tellg();
    std::vector<char> buffer(fileSize);//读取到的字节数组缓冲

    file.seekg(0);
    file.read(buffer.data(), fileSize);

    file.close();

    return buffer;
}

在createGraphicsPipeline调用函数来加载两个着色器的字节码、

创建Shader modules

在将SPIR-V的字节码传递到pipeline之前，我们必须将其包装在VkShaderModule对象中

同样遵守info和create，需要指定字节大小，和指向缓冲区的指针code.data()，

但字节码指针是uint32_t指针而不是char指针。因此，我们需要使用reinterpret_cast来强制转换指针

在createGraphicsPipeline调用，

Shader modules就像一个包装器，包装了char code，将SPIR-V字节码编译并链接到由GPU执行的机器码在图形管道创建之前不会发生，

一旦pipeline创建完成，我们就可以vkDestroyShaderModule Shader modules，在createGraphicsPipeline所有指令后写

cpp 复制代码

VkShaderModule createShaderModule(const std::vector<char>& code) {
    VkShaderModuleCreateInfo createInfo{};
    createInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_SHADER_MODULE_CREATE_INFO;
    createInfo.codeSize = code.size();
    createInfo.pCode = reinterpret_cast<const uint32_t*>(code.data());

    VkShaderModule shaderModule;
    if (vkCreateShaderModule(device, &createInfo, nullptr, &shaderModule) != VK_SUCCESS) {
        throw std::runtime_error("failed to create shader module!");
    }

    return shaderModule;
}

VkPipelineShaderStageCreateInfo

要实际使用着色器，我们需要通过VkPipelineShaderStagetInfo结构将它们分配给特定的管道阶段

第一步是告诉Vulkan着色器将在哪个管道阶段使用，每个可编程阶段都有一个枚举值，比如VK_SHADER_STAGE_VERTEX_BIT和VK_SHADER_STAGE_FRAGMENT_BIT

module是Shader modules

pname指明要调用的函数（入口点）

cpp 复制代码

VkPipelineShaderStageCreateInfo vertShaderStageInfo{};
vertShaderStageInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_PIPELINE_SHADER_STAGE_CREATE_INFO;
vertShaderStageInfo.stage = VK_SHADER_STAGE_VERTEX_BIT;
vertShaderStageInfo.module = vertShaderModule;
vertShaderStageInfo.pName = "main";

VkPipelineShaderStageCreateInfo fragShaderStageInfo{};
fragShaderStageInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_PIPELINE_SHADER_STAGE_CREATE_INFO;
fragShaderStageInfo.stage = VK_SHADER_STAGE_FRAGMENT_BIT;
fragShaderStageInfo.module = fragShaderModule;
fragShaderStageInfo.pName = "main";