Metal簡述

• Metal著色器語言是用來編寫 3D圖形渲染邏輯、并行Metal計算核心邏輯 的一門編程語言，當(dāng)你使用Metal框架來完成APP的實現(xiàn)時則需要使用Metal編程語言。
• Metal語言使用Clang 和LLVM進(jìn)行編譯處理，編譯器對于在GPU上的代碼執(zhí)行效率有更好的控制。
• Metal基于C++ 11.0語言設(shè)計的，在C++基礎(chǔ)上多了一些擴(kuò)展和限制，主要用來編寫在GPU上執(zhí)行的圖像渲染邏輯代碼以及通用并行計算邏輯代碼。
• Metal 像素坐標(biāo)系統(tǒng)：Metal中紋理 或者 幀緩存區(qū)attachment的像素使用的坐標(biāo)系統(tǒng)的原點是左上角。
• Metal 與 C++ 11.0:Metal 這?語?是基于C++ 11.0標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的, 它在C++基礎(chǔ)是?多了?些拓展和限制。

Metal Restrictions 限制

① Metal中不支持C++11.0的如下特性:

• Lambda表達(dá)式
• 遞歸函數(shù)調(diào)用
• 動態(tài)轉(zhuǎn)換操作符
• 類型識別
• 對象創(chuàng)建new和銷毀delete操作符
• 操作符noexcept
• go跳轉(zhuǎn)
• 變量存儲修飾符 register 和thread_local
• 虛函數(shù)修飾符
• 派生類
• 異常處理

② C++標(biāo)準(zhǔn)庫在Metal語言中也不可使用

③ Metal語言對于指針使用的限制

• Metal圖形和并行計算函數(shù)用到的入?yún)?#xff08;比如指針 / 引用），如果是指針 / 引用必須使用地址空間修飾符（比如device、threadgroup、constant）
• 不支持函數(shù)指針
• 函數(shù)名不能出現(xiàn)main

Metal數(shù)據(jù)類型

一、Metal支持的標(biāo)量類型

類型描述

bool	布爾類型,取值范圍true、false;true可以拓展為整數(shù)常量1,false可以拓展為整數(shù)常量0
char	有符號8-bit整數(shù)
unsigned char uchar	無符號8-bit整數(shù)
short	有符號16-bit整數(shù)
unsigned short ushort	無符號16-bit整數(shù)
int	有符號32-bit整數(shù)
unsigned int uint	無符號32-bit整數(shù)
half	一個16-bit浮點數(shù)
float	一個32-bit浮點數(shù)
size-t	64-bit無符號整數(shù),表示sizeof操作符的結(jié)果
ptrdiff_t	64-bit有符號整數(shù),表示2個指針的差
void	表示一個空的值集合

• 常用的主要有 bool、int、uint 、half
• undigned char 可以簡寫為 uchar
• unsigned short 可以簡寫為 ushort
• unsigned int 可以簡寫為 uint
• 其中 half 相當(dāng)于OC中的float，float 相當(dāng)于OC中的double
• size_t用來表示內(nèi)存空間， 相當(dāng)于OC中 sizeof

二、Metal支持的向量類型

① 支持類型

• booln、charn、shortn、intn、ucharn、ushortn、uintn、halfn、floatn，其中 n 表示向量的維度，最多不超過4維向量;
• 在OpenGL ES的GLSL語言中，例如2.0f，在著色器中書寫時，是不能加f，寫成2.0，而在Metal中則可以寫成2.0f，其中f可以是大寫，也可以是小寫;

② 訪問規(guī)則

• 通過向量字母獲取元素： 向量中的向量字母僅有2種，分別為xyzw、rgba;

int4 test = int4(0,1,2,3); int a = test.x; // 獲取的向量元素0 int b = test.y; // 獲取的向量元素1 int c = test.z; // 獲取的向量元素2 int d = test.w; // 獲取的向量元素3int e = test.r; // 獲取的向量元素0 int f = test.g; // 獲取的向量元素1 int g = test.b; // 獲取的向量元素2 int h = test.a; // 獲取的向量元素3

• 多個分量同時訪問

float4 c; c.xyzw = float4(1.0f,2.0f,3.0f,4.0f); c.z = 1.0f; c.xy = float2(3.0f,4.0f); c.xyz = float3(3.0f,4.0f,5.0f);

• 多分量訪問可以亂序/重復(fù)
  賦值時分量不可重復(fù)，取值時分量可重復(fù)
  右邊取值和左邊賦值都合法
  xyzw與rgba不能混合使用
  GLSL中向量不能亂序訪問

float4 pos = float4(1.0f,2.0f,3.0f,4.0f); // 向量分量逆序訪問 float4 swiz = pos.wxyz; // swiz = (4.0,1.0,2.0,3.0); // 向量分量重復(fù)訪問 float4 dup = pos.xxyy; // dup = (1.0f,1.0f,2.0f,2.0f);// 可以僅對 xw / wx 修改 // pos = (5.0f,2.0,3.0,6.0) pos.xw = float2(5.0f,6.0f);// pos = (8.0f,2.0f,3.0f,7.0f) pos.wx = float2(7.0f,8.0f);// 可以僅對 xyz 進(jìn)行修改 // pos = (3.0f,5.0f,9.0f,7.0f); pos.xyz = float3(3.0f,5.0f,9.0f);float2 pos; pos.x = 1.0f; // 合法 pos.z = 1.0f; // 非法，pos是二維向量，沒有z這個索引float3 pos2; pos2.z = 1.0f; // 合法 pos2.w = 1.0f; // 非法// 賦值時分量不可重復(fù)，取值時分量可重復(fù) // 非法,x出現(xiàn)2次 pos.xx = float2(3.0,4.0f); pos.xy = swiz.xx;// 向量中xyzw與rgba兩組分量不能混合使用 float4 pos4 = float4(1.0f,2.0f,3.0f,4.0f); pos4.x = 1.0f; pos4.y = 2.0f; // 非法, .rgba 與 .xyzw 混合使用 pos4.xg = float2(2.0f,3.0f); // 非法, .rgba 與 .xyzw 混合使用 float3 coord = pos4.ryz;

三、Metal支持的矩陣類型

① 支持類型

• halfnxm、floatnxm，其中 nxm表示矩陣的行數(shù)和列數(shù)，最多4行4列，其中half、float相當(dāng)于OC中的float、double;
• 普通的矩陣其本質(zhì)就是一個數(shù)組;

float4x4 m; // 將第二行的所有值都設(shè)置為2.0 m[1] = float4(2.0f);// 設(shè)置第一行/第一列為1.0f m[0][0] = 1.0f;// 設(shè)置第三行第四列的元素為3.0f m[2][3] = 3.0f;

② 構(gòu)造方式

• float4 類型向量的構(gòu)造方式
  1個float構(gòu)成,表示一行都是這個值
  4個float構(gòu)成
  2個float2構(gòu)成
  1個float2+2個float構(gòu)成（順序可以任意組合）
  1個float2+1個float
  1個float4

// float4類型向量的所有可能構(gòu)造方式 // 1個一維向量，表示一行都是x float4(float x);/ // 4個一維向量 --> 4維向量 float4(float x,float y,float z,float w); // 2個二維向量 --> 4維向量 float4(float2 a,float2 b); // 1個二維向量+2個一維向量 --> 4維向量 float4(float2 a,float b,float c); float4(float a,float2 b,float c); float4(float a,float b,float2 c); // 1個三維向量+1個一維向量 --> 4維向量 float4(float3 a,float b); float4(float a,float3 b); // 1個四維向量 --> 4維向量 float4(float4 x);

Metal其他類型

一、紋理類型

• 紋理類型是一個句柄，指向一維/二維/三維紋理數(shù)據(jù)，而紋理數(shù)據(jù)對應(yīng)一個紋理的某個level的mipmap的全部或者一部分;

• 紋理的訪問權(quán)限
  在一個函數(shù)中描述紋理對象的類型, access枚舉值由Metal定義，定義了紋理的訪問權(quán)利 enum class access {sample, read, write};，有以下3種訪問權(quán)利，當(dāng)沒設(shè)定access時，默認(rèn)的access 就是 sample;
  ① sample: 紋理對象可以被采樣（即使用采樣器去紋理中讀取數(shù)據(jù)，相當(dāng)于OpenGL ES的GLSL中sampler2D），采樣一維這時使用 或者 不使用都可以從紋理中讀取數(shù)據(jù)（即可讀可寫可采樣）;
  ② read：不使用采樣器，一個圖形渲染函數(shù) 或者 一個并行計算函數(shù)可以讀取紋理對象（即僅可讀）;
  ③ write：一個圖形渲染函數(shù)或者一個并行計算可以向紋理對象寫入數(shù)據(jù)（即可讀可寫）;

• 定義紋理類型
  描述一個紋理對象/類型，有以下三種方式，分別對應(yīng)一維/二維/三維，其中T代表 泛型，設(shè)定了從紋理中讀取數(shù)據(jù) 或是 寫入時的顏色類型，T可以是half、float、short、int等
  access表示紋理訪問權(quán)限，當(dāng)access沒設(shè)定時，默認(rèn)是sample:
  texture1d<T, access a = access::sample>
  texture2d<T, access a = access::sample>
  texture3d<T, access a = access::sample>

// 類型 變量 修飾符 /*類型- texture2d<float>，讀取的數(shù)據(jù)類型是float，沒寫access，默認(rèn)是sample- texture2d<float,access::read>，讀取的數(shù)據(jù)類型是float，讀取的方式是read- texture2d<float,access::write>，讀取的數(shù)據(jù)類型是float，讀取的方式是write變量名- imgA- imgB- imgC修飾符- [[texture(0)]] 對應(yīng)紋理0- [[texture(1)]] 對應(yīng)紋理1- [[texture(2)]] 對應(yīng)紋理2*/ void foo (texture2d<float> imgA[[texture(0)]],texture2d<float,access::read> imgB[[texture(1)]],texture2d<float,access::write> imgC[[texture(2)]]) {//... }

二、采樣器類型 Samplers

采樣器類型決定了如何對一個紋理進(jìn)行采樣操作，在Metal框架中有一個對應(yīng)著色器語言的采樣器的對象MTLSamplerState，這個對象作為圖形渲染著色器函數(shù)參數(shù)或是并行計算函數(shù)的參數(shù)傳遞，有以下幾種狀態(tài)：

• coord：從紋理中采樣時，紋理坐標(biāo)是否需要歸一化; enum class coord { normalized, pixel };
• filter：紋理采樣過濾方式，放大/縮小過濾方式; enum class filter { nearest, linear };
• min_filter：設(shè)置紋理采樣的縮小過濾方式; enum class min_filter { nearest, linear };
• mag_filter：設(shè)置紋理采樣的放大過濾方式; enum class mag_filter { nearest, linear };
• s_address、t_address、r_address：設(shè)置紋理s、t、r坐標(biāo)（對應(yīng)紋理坐標(biāo)的x、y、z）的尋址方式
  s坐標(biāo)：enum class s_address { clamp_to_zero, clamp_to_edge, repeat, mirrored_repeat };
  t坐標(biāo)：enum class t_address { clamp_to_zero, clamp_to_edge, repeat, mirrored_repeat };
  r坐標(biāo)：enum class r_address { clamp_to_zero, clamp_to_edge, repeat, mirrored_repeat };
• address：設(shè)置所有紋理坐標(biāo)的尋址方式; enum class address { clamp_to_zero, clamp_to_edge, repeat, mirrored_repeat };
• mip_filter：設(shè)置紋理采樣的mipMap過濾模式, 如果是none,那么只有一層紋理生效; enum class mip_filter { none, nearest, linear };
  
• 注意:
  openGL ES中紋理坐標(biāo)對應(yīng)的是stq，Metal中紋理坐標(biāo)對應(yīng)是str;
  在Metal程序中初始化的采樣器必須使用constexpr修飾符聲明;

/* constexpr：修飾符（必須寫） sampler：類型 s：采樣器變量名稱 參數(shù)- coord: 是否需要歸一化，不需要歸一化，用的是像素pixel- address: 地址環(huán)繞方式- filter: 過濾方式 */ constexpr sampler s(coord::pixel, address::clamp_to_zero, filter::linear);constexpr sampler a(coord::normalized);constexpr sampler b(address::repeat);

函數(shù)修飾符

Metal 著?器語??持下列的函數(shù)修飾符:

• kernel：表示該函數(shù)是一個數(shù)據(jù)并行計算著色函數(shù)，它可以被分配在一維/二維/三維線程組中去執(zhí)行，表示函數(shù)要并行計算，其返回值類型必須是void類型，是一個高并發(fā)函數(shù);
• vertex：表示該函數(shù)是一個頂點著色函數(shù)，它將為頂點數(shù)據(jù)流中的每個頂點數(shù)據(jù)執(zhí)行一次，然后為每個頂點生成數(shù)據(jù)輸出到繪制管線;
• fragment：表示該函數(shù)是一個片元著色函數(shù)，它將為片元數(shù)據(jù)流中的每個片元 和其相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)執(zhí)行一次，然后將每個片元生成的顏色數(shù)據(jù)輸出到繪制管線中;

注意:

• 使用kernel修飾的函數(shù)，其返回值類型必須是void類型
• 一個被函數(shù)修飾符修飾的函數(shù)不能在調(diào)用其他也被函數(shù)修飾符修飾的函數(shù)，這樣會導(dǎo)致編譯失敗，即Kernel、vertex、fragment修飾的函數(shù)不能相互調(diào)用，也不能同修飾符函數(shù)相互調(diào)用，但是可以調(diào)用普通函數(shù);
• 被函數(shù)修飾符修飾過的函數(shù),只允許在客戶端對其進(jìn)行操作. 不允許被普通的函數(shù)調(diào)用;
• Metal中并不是所有函數(shù)都需要上述3個修飾符修飾，是可以在Metal中定義普通函數(shù)的，即不帶任何修飾符的函數(shù);
• 只有圖形著色函數(shù)才可以被vertex和fragment修飾，對于圖形著色函數(shù)，通過返回值類型可以辨認(rèn)出是為頂點計算還是像素計算，其返回值也可以是void，意味著不產(chǎn)生數(shù)據(jù)輸出到繪制管線，是一個無意義的動作;

// 并行計算函數(shù)(kernel) kernel void CCTestKernelFunctionA(int a,int b) { /*注意:1. 使用kernel 修飾的函數(shù)返回值必須是void 類型2. 一個被函數(shù)修飾符修飾過的函數(shù),不允許在調(diào)用其他的被函數(shù)修飾過的函數(shù). 非法3. 被函數(shù)修飾符修飾過的函數(shù),只允許在客戶端對其進(jìn)行操作. 不允許被普通的函數(shù)調(diào)用.*/// 不可以的!// 一個被函數(shù)修飾符修飾過的函數(shù),不允許在調(diào)用其他的被函數(shù)修飾過的函數(shù). 非法CCTestKernelFunctionB(1,2);//非法，錯誤調(diào)用！！！CCTestVertexFunctionB(1,2);//非法，錯誤調(diào)用！！！// 可以! 你可以調(diào)用普通函數(shù).而且在Metal 不僅僅只有這3種被修飾過的函數(shù).普通函數(shù)也可以存在CCTest();}// 并行計算函數(shù) kernel void CCTestKernelFunctionB(int a,int b) {..... }// 頂點函數(shù) vertex int CCTestVertexFunctionB(int a,int b) {..... }// 片元函數(shù) fragment int CCTestVertexFunctionB(int a,int b) {..... }// 普通函數(shù) void CCTest() {..... }

變量、參數(shù)的地址空間修飾符

一、概念

① Metal著色器語言使用地址空間修飾符來表示一個函數(shù)變量或者參數(shù)變量被分配于哪一片內(nèi)存區(qū)域，有以下4中地址空間修飾符:

• device： 設(shè)備地址空間
• threadgroup： 線程組地址空間
• constant 常量地址空間
• thread 線程地址空間

② 注意:

• 所有的著色函數(shù)（vertex、fragment、kernel）的參數(shù)，如果是指針/引用，都必須帶有地址空間修飾符號;
• 對于圖形著色器函數(shù)（即vertex/fragment修飾的函數(shù)），其指針/引用類型的參數(shù)必須定義為 device、constant地址空間;
• 對于并行計算函數(shù)（即kernel修飾的函數(shù)），其指針/引用類型的參數(shù)必須定義為 device、threadgroup、constant;
• 并不是所有的變量都需要修飾符，也可以定義普通變量（即無修飾符的變量）;

/*注意:1. 所有被(kernel,vertex,fragment)所修飾的參數(shù)變量,如果其類型是指針/引用 都必須帶有地址空間修飾符.2. 被fragment修飾的片元函數(shù), 指針/引用必須被device/constant/threadgroup*/// 變量/參數(shù)地址空間修飾符 void CCTestFouncitionE(device int *g_data,threadgroup int *l_data,constant float *c_data) {//...}

二、device：設(shè)備地址空間修飾符

• 設(shè)備地址空間指向設(shè)備內(nèi)存池分配出來的緩存對象（設(shè)備指顯存，即GPU），即GPU空間分配的緩存對象，它是可讀可寫的，一個緩存對象可以被聲明成一個標(biāo)量、向量或是用戶自定義結(jié)構(gòu)體的指針/引用;
• device放在變量類型之前;
• 除了可以修飾 圖形著色器函數(shù) / 并行計算函數(shù)參數(shù)，還可以修飾指針變量 和 結(jié)構(gòu)體指針變量:

// 設(shè)備地址空間: device 用來修飾指針.引用 // 修飾指針變量 device float4 *color;struct CCStruct{float a[3];int b[2]; }; // 修飾結(jié)構(gòu)體類的指針變量 device CCStruct *my_CS;

• 紋理對象總是在設(shè)備地址空間分配內(nèi)存，即紋理對象默認(rèn)在GPU分配內(nèi)存;
• device地址空間修飾符不必出現(xiàn)在紋理類型定義中;
• 一個紋理對象的內(nèi)容無法直接訪問，Metal提供讀寫紋理的內(nèi)建函數(shù)，通過內(nèi)建函數(shù)訪問紋理對象;

三、threadgroup：線程組地址空間修飾符

• 線程組地址空間用于為并行計算著色器函數(shù)分配內(nèi)存變量，這些變量被一個線程組的所有線程共享，在線程組地址空間分配的變量不能用于圖形繪制著色函數(shù)（即頂點著色函數(shù) / 片元著色函數(shù)），即在圖形繪制著色函數(shù)中不能使用線程組;
• 在并行計算著色函數(shù)中，在線程組地址空間分配的變量為一個線程組使用，生命周期和線程組相同;

/*1. threadgroup 被并行計算計算分配內(nèi)存變量, 這些變量被一個線程組的所有線程共享. 在線程組分配變量不能被用于圖像繪制2. thread 指向每個線程準(zhǔn)備的地址空間. 在其他線程是不可見切不可用*/ kernel void CCTestFouncitionF(threadgroup float *a) {// 在線程組地址空間分配一個浮點類型變量xthreadgroup float x;// 在線程組地址空間分配一個10個浮點類型數(shù)的數(shù)組y;threadgroup float y[10];}

四、constant：常量地址空間修飾符

• 常量地址空間指向的緩存對象也是從設(shè)備內(nèi)存池分配存儲，僅可讀;
• 在程序域的變量必須定義在常量地址空間并且聲明時初始化，用來初始化的值必須是編譯時的常量;
• 在程序域的變量的生命周期和程序一樣，在程序中的并行計算著色函數(shù)或者圖形繪制著色函數(shù)調(diào)用，但是constant的值會保持不變;
• 常量地址空間的指針/引用可以作為函數(shù)的參數(shù)，向聲明為常量的變量賦值會產(chǎn)生編譯錯誤;
• 聲明常量但是沒有賦予初值也會產(chǎn)生編譯錯誤;

constant float samples[] = { 1.0f, 2.0f, 3.0f, 4.0f };// 對一個常量地址空間的變量進(jìn)行修改也會失敗,因為它只讀 sampler[4] = {3,3,3,3}; //編譯失敗; // 定義為常量地址空間聲明時不賦初值也會編譯失敗 constant float a;

五、thread：線程地址空間修飾符

• 線程地址空間指向每個線程準(zhǔn)備的地址空間，也是在GPU中，該線程的地址空間定義的變量在其他線程不可見（即變量不共享）;
• 在圖形繪制著色函數(shù) 或者 并行計算著色函數(shù)中聲明的變量，在線程地址空間分配存儲;

kernel void CCTestFouncitionG(void) {// 在線程空間分配空間給x,pfloat x;thread float p = &x; }

內(nèi)建變量修飾符

• [[vertex_id]] ：頂點id標(biāo)識符，并不由開發(fā)者傳遞;
• [[position]]: 在頂點著色函數(shù)中，表示當(dāng)前的頂點信息，類型是float4; 還可以表示描述了片元的窗口的相對坐標(biāo)（x，y，z，1/w），即該像素點在屏幕上的位置信息;
• [[point_size]] ：點的大小，類型是float;
• [[color(m)]] ：顏色，m在編譯前就必須確定;
• [[stage_in]] ：片元著色函數(shù)使用的單個片元輸入數(shù)據(jù)是由頂點著色函數(shù)輸出然后經(jīng)過光柵化生成的（即由頂點著色函數(shù)之后的顏色傳遞到片元著色函數(shù)），類似于GLSL中的varying傳遞紋理/顏色;
  頂點和片元著色器函數(shù)都只能有一個參數(shù)被聲明為使用stage_in修飾符（即有且僅有一個）;
  對于一個使用了stage_in修飾符的自定義結(jié)構(gòu)體，其成員可以為一個整型/浮點類型標(biāo)量，或是整型/浮點類型向量。

// 定義了片元輸入的結(jié)構(gòu)體 struct MyFragmentOutput {// color attachment 0 顏色附著點0float4 clr_f [[color(0)]]; // color attachment 1 顏色附著點1int4 clr_i [[color(1)]]; // color attachment 2 顏色附著點2uint4 clr_ui [[color(2)]]; };fragment MyFragmentOutput my_frag_shader( ... ) {MyFragmentOutput f;....f.clr_f = ...;....return f; }

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的Metal之Shading Language Specification(着色语言规范)的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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