[游戏开发]ShaderLab流程

【Unity笔记】ShaderLab与其底层原理浅谈 - 知乎https://zhuanlan.zhihu.com/p/400470713?utm_source=qq&utm_medium=social&utm_oi=961194728759406592

ShaderLab结构

ShaderLab是Unity构建的一种方便开发者做跨平台Shading开发的语言体系，它主要包括如下四种：

ShaderLab Text

• ShaderLab Text也就是ShaderLab的文本，指的其实就是我们按照一定语法规则在 .shader 文件中写的那些代码。

ShaderLab Compiler

• 类似于一种后台提供的服务，用来帮助我们把写的ShaderLab Text翻译成最终目标机器上能够认可和执行的语言。
• 对于多核的CPU有多个Compiler，并行Shader的编译工作。在任务管理器中，我们就可以看到它的身影
• 编译完成后会变成汇编语言
• 

ShaderLab Asset

• 当我们的ShaderLab Text通过Compiler翻译过后，得到的东西就叫做ShaderLab Asset。
• Shader打成的AssetBundle和打出来的包里面的level或sharedassets包可以见到ShaderLab Asset
• 

ShaderLab Runtime

在unity的Profiler里可以看见

?ShaderLab工作流

在我们创建、修改或者导入Shader进Unity系统的时候，Unity的Shader并不是一次性的编译到一个目标平台上的。Unity会把原始的ShaderLab Text发给ShaderLab Compiler的预处理器（Preprocessor）做一次预处理（Preprocess）。

? ? ? ?Prepocess（预处理）：先检查写的shader有没有问题，有问题就会报错，shader报错就是这一阶段产生的。解析完后会把每一种不同的语言Shader Program从Shader Text里切割出来，切割出来后再用对应语言（例如HLSL）的Preprocess Compiler做一遍对应于这个语言的解析检查。通过这几次的检查之后，最终会得到一个完整的Shader Compilation Info，然后写到ShaderCache里。

?如果我们有很多的Shader或者经常修改Shader，那么就会导致ShaderCache文件夹特别的大，有时我们可以将ShaderCache删掉，让Unity进行重新编译一下。此外有时可能出现写完一个Shader之后得到的效果不太对或者是有点问题，比如感觉没有进行重新编译，那么最简单的一个方法也是把ShaderCache给删掉，强制重新编译一次，有的时候就会解决这个问题。

在unity2020版本Unity引入了一个新的Preprocessor：Caching Preprocessor.它可以使Shader的编译更加快速,可以在project Setting或者选中某个Shader进行单独设置勾选这个选项?

Binary compile?

前面提到的Preprocess是运行在编辑器下，Unity Editor拿到了Shader Compilation Info，但是它并不能用于渲染，也不能打到最终的包体里，它只是Unity所使用的一种中间状态。那么如何把它最终编译成可运行的版本呢？

Shader Compiler里面包含了很多的服务，除了Preprocess外，还有一个叫作Binary compile也就是将我们Shader Program里面的代码输出到对应平台上去。Preprocess后，Unity会把Shader Compilation Info（可以从ShaderCache里取，如果里面没有，就走一遍Preprocess，重新产生Shader Compilation Info）再送到Shader Compiler里，执行Binary compile。

那么什么时候会触发这个过程呢？

1. 在点Play按钮启动Unity的时候，这个时候Unity会做一件事情叫Unity Editor Shader All Warmup（在第一次导入资源的时候Unity也会做）。这就是为什么2020之前的版本大家点Play的时候感觉卡半天，实际上中间有个过程是把你内存里面或者说你资源里面的所有的shader的变体全都Warmup一次。但是在真机上不会这么干，Unity实际上是两个版本，运行时和编辑期是两套完全不同的东西，两者策略是会有些差异的，我们再做一些性能分析，分析内存、CPU、GPU，不要在跑在编辑器里看。编辑期的目的是为了帮助大家以最流畅的速度去编辑，它不去考虑运行时的资源环境占用，例如CPU占用、内存占用等，它会认为你的电脑都足够的好，内存不会爆，CPU不会卡，可以挥霍这些资源，尽量保证编辑体验是好的。但是在运行时，Unity会去考虑实际的运行环境（手机或者PC）。
2. 打包的时候，比如要打一个Android平台的AssetBundle，或者说Build一个Android的APK，这个时候也会触发。

综上所述，当我们知道中间的东西最终需要翻译成什么，输出到什么设备上去，当一个平台确定了后这个过程才会发生?

运行

? ? ? ?编译完了之后就来到了运行时，这个时候要真正的在真机上把Shader给跑起来了（这里说的不考虑编辑器运行的情况）。真机发起的入口一般是用户的代码，这个用户代码可能是各位写的Warmup，也可能是通过某些引用调用UnityAPI，API再去调用底层。我们把Unity的上层系统简单的抽象成User Code，当User Code说 I need a shader，这个时候去加载一个Shader，怎么加载呢？?

有了Instance后，最后把它叫醒即可，也就是Awake操作，实际上名字叫Awake from main thread，从主线程唤醒，这个里面会做一个类似于我们的C# Awake或者是Start里面做的工作。比如说我们的数据填充进来要做一些处理，有些工作是不能在构造函数里做的，必须在数据进来之后才能做。比如说要确定使用哪个SubShader，如果SubShader的数据都没进来呢，那就没法先确定。再比如使用SRP，我要构建SRP Constant Buffer的结构，如果Shader数据没进来，同样无法构建。所以数据进来之后我们还有个处理操作，就是Awake from main thread。?

除了Shader Class Instance外，Unity内所有的类在构造的时候基本都是这三步（当然了每个类的行为不太一样）：

1. Produce一个空类
2. Transfer数据
3. Awake

Warmup Variant

Shader加载进来之后呢，我们经常面临的另外一个问题就是Warmup，此时Unity到底干啥了，为什么有的时候感觉Warmup这么卡？

举个例子， 假如我们的Shader Program如下：

HLSLPROGRAM
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
#pragma multi_compile TEST1 TEST2
#pragma multi_compile TESTA TESTB

......

float4 frag(v2f i) : SV_Target
{
#if TEST1 & TESTA
    return float4(1, 0, 0, 1);
#elif TEST1 & TESTB
    return float4(0, 1, 0, 1);
#elif TEST2 & TESTA
    return float4(0, 0, 1, 1);
#elif TEST2 & TESTB
    return float4(1, 1, 1, 1);
#endif
}
ENDHLSL

那么运行时的产生的Shader Class Instance里面一共有四种变体组合，TEST1 TESTA、TEST1 TESTB、TEST2 TESTA、TEST2 TESTB，如下图（省略了TEST）：

变体实际上是Unity带给大家的一个语法糖。大家都知道所有的糖都是很好吃，但是很有害的，语法糖也一样。大部分语法糖最终都会导致你的代码体积膨胀，比如说我们写c++、c#用到的模板泛型，最终都会导致你发胖。Shader Variant也是一样，当我们用大量的变体排列组合的时候啊，实际上它会把每一种排列组合单独的变成一段代码（点击Compile and show code即可看到）。它们在内存中都是单独的一套完整代码，每个变体都是一个独立的个体，它们彼此之间没有任何联系，通过大家给出的keyworld的排列组合进行索引的。

如果此时我们用Shader.EnableKeyword的API去Warmup 1A，那么使用这个Shader的物体就会变为红色，说明Variant 1A Warmup成功了。但是如果我要去Warmup 2C，由于没有TESTC这个keyword，也就没有Variant 2C，那么又会怎么样？首先不会发生fallback，因为fallback的前提是这个Shader Class Instance没了。其实通过代码测试一下，会发现物体变为了蓝色，也就是Variant 2A被Warmup了。

这是因为Uinty会有一套奇特的打分机制，它会根据你给出的keyworld和现在所有的keyworld进行一个打分。比如说我Enable了 TEST2 和 TESTC，先会拿TEST2到里头去找，看它在不在我有的排列组合里，如果这个排列组合里有TEST2，那么它会得到一个比较高的分。然后再去找TESTC，里面如果没有TESTC再去减分。通过这样的机制分别对拥有的变体进行打分，最后打出来分最高的那个变体，就是Unity要给你的。但是至于是不是你想要的，Unity就不管了，因此上面的例子我们会得到Variant 2A。所以有的时候会出现，有些Shader效果你看起来差不多，但是不太对，可能就是你的变体没有打进去，但是Unity为了保证不崩溃，选了一个打分最高的变体还给你。

当我们去Warmup 一个变体的时候，实际上我们在内存的统计上是会看到一点点变化的，是什么意思呢？我们知道一个变体底下会带有一段代码，一段Binary Code，这段Code在内存里是要占大小的。那么这段Code会一直在内存里面吗？不会，当我们成功的Warmup了某个变体之后，该变体的Code在CPU里的内存就消失了，因为它已经到GPU那块了，到显存里去了，所以Unity会很聪明的帮你把它删掉。示意图如下：

所以当大家观察到我们的ShaderLab非常非常大的时候，那么有一种可能是你打包了非常多的变体进去，但是很多其实你都没有用，都留在了CPU这一端。因此对于不是C#控制的keyworld我们应该使用shader_feature而非multi_compile，这也是一个优化上的小技巧。