Unity3D Shader 简析：变体与缓存详解

引言

在 Unity3D 中，Shader 是渲染管线的核心部分，负责控制物体的外观和材质表现。Shader 的变体（Variants）和缓存机制是优化渲染性能的关键。本文将深入探讨 Unity3D 中 Shader 变体的概念、缓存机制以及如何通过代码实现和管理这些变体。

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1. Shader 变体简介

1.1 什么是 Shader 变体？

Shader 变体是指根据不同的宏定义、关键字或渲染路径生成的多个 Shader 版本。Unity 在编译 Shader 时，会根据不同的条件生成多个变体，以便在运行时根据实际需求选择合适的变体进行渲染。

1.2 为什么需要 Shader 变体？

Shader 变体的存在是为了应对不同的渲染场景和硬件条件。例如，一个 Shader 可能需要支持不同的光照模型、阴影处理方式或平台特定的优化。通过生成多个变体，Unity 可以在运行时根据当前的环境选择合适的 Shader 版本，从而提高渲染效率。

2. Shader 变体的生成与管理

2.1 Shader 变体的生成

Shader 变体的生成主要通过 #pragma multi_compile 和 #pragma shader_feature 指令来实现。这些指令允许开发者定义多个关键字，Unity 会根据这些关键字生成不同的 Shader 变体。

#pragma multi_compile DIRECTIONAL LIGHTMAP_ON
#pragma shader_feature _SPECULARHIGHLIGHTS_OFF

在上面的代码中，#pragma multi_compile 生成了两个变体：一个支持方向光，另一个支持光照贴图。#pragma shader_feature 则生成了一个可选的变体，用于控制是否启用镜面高光。

2.2 Shader 变体的管理

Unity 提供了 ShaderVariantCollection 来管理 Shader 变体。通过 ShaderVariantCollection，开发者可以预加载所需的 Shader 变体，从而减少运行时编译的开销。

ShaderVariantCollection svc = new ShaderVariantCollection();
svc.Add(new ShaderVariantCollection.ShaderVariant("MyShader", PassType.ForwardBase, "DIRECTIONAL"));
svc.Add(new ShaderVariantCollection.ShaderVariant("MyShader", PassType.ForwardBase, "LIGHTMAP_ON"));
svc.WarmUp();

在上面的代码中，我们创建了一个 ShaderVariantCollection，并添加了两个 Shader 变体。最后，通过 WarmUp 方法预加载这些变体。

3. Shader 缓存机制

3.1 Shader 缓存的作用

Shader 缓存是 Unity 用来存储已编译 Shader 变体的机制。通过缓存，Unity 可以在后续运行时直接使用已编译的 Shader 变体，而不需要重新编译，从而提高渲染效率。

3.2 Shader 缓存的存储位置

Unity 的 Shader 缓存通常存储在项目的 Library 文件夹中。每次编译 Shader 时，Unity 都会将编译结果存储在缓存中，以便后续使用。

3.3 清除 Shader 缓存

在某些情况下，开发者可能需要手动清除 Shader 缓存，例如在修改了 Shader 代码后。可以通过删除 Library 文件夹中的 ShaderCache 文件夹来清除缓存。

rm -rf Library/ShaderCache

4. 代码实现

4.1 创建自定义 Shader

以下是一个简单的自定义 Shader 示例，展示了如何使用 #pragma multi_compile 生成变体。

Shader "Custom/MyShader"
{
    Properties
    {
        _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
    }
    SubShader
    {
        Tags { "RenderType"="Opaque" }
        LOD 200

        Pass
        {
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            #pragma multi_compile DIRECTIONAL LIGHTMAP_ON

            #include "UnityCG.cginc"

            struct appdata
            {
                float4 vertex : POSITION;
                float2 uv : TEXCOORD0;
            };

            struct v2f
            {
                float2 uv : TEXCOORD0;
                float4 vertex : SV_POSITION;
            };

            sampler2D _MainTex;
            float4 _MainTex_ST;

            v2f vert (appdata v)
            {
                v2f o;
                o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                o.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex);
                return o;
            }

            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
            {
                fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv);
                return col;
            }
            ENDCG
        }
    }
}

4.2 使用 ShaderVariantCollection 预加载变体

以下代码展示了如何使用 ShaderVariantCollection 预加载 Shader 变体。

using UnityEngine;

public class ShaderVariantPreloader : MonoBehaviour
{
    void Start()
    {
        ShaderVariantCollection svc = new ShaderVariantCollection();
        svc.Add(new ShaderVariantCollection.ShaderVariant("Custom/MyShader", PassType.ForwardBase, "DIRECTIONAL"));
        svc.Add(new ShaderVariantCollection.ShaderVariant("Custom/MyShader", PassType.ForwardBase, "LIGHTMAP_ON"));
        svc.WarmUp();
    }
}

5. 总结

Shader 变体和缓存机制是 Unity3D 中优化渲染性能的重要手段。通过合理使用 #pragma multi_compile 和 #pragma shader_feature，开发者可以生成多个 Shader 变体，以应对不同的渲染需求。同时，通过 ShaderVariantCollection 预加载变体，可以减少运行时编译的开销，提高渲染效率。

希望本文能帮助你更好地理解 Unity3D 中的 Shader 变体与缓存机制，并在实际项目中应用这些技术。

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