Metal Shading Language 是什么

Apple生态下的着色语言，其目的类似于OpenGL 的GL Shading Language, 用来编写3D图形渲染逻辑 和 并行计算核心逻辑 的一门编程语言。在iOS开发中，应用场景涉及到Metal框架时，需要通过Metal Shading Language来编写Metal文件。Metal语言通过Clang和LLVM进行编译处理(这里不同于OpenGL的手动编译和链接)。Metal语法基于C++11.0设计。

Metal 数据类型

Metal 向量和矩阵数据类型

向量类型: booln charn shortn intn ucharn ushortn uintn halfn floatn(‘n’表示向量维度，eg. int3,float4)
矩阵类型: halfNxM floatNxM ('NxM'表示矩阵的行和列,eg. float4x4 half2x3)

纹理Textures

纹理类型：一个句柄，它是一个一维/二维/三维纹理数据，而纹理数据对应着一个纹理的某个level的mipmap的全部或者一部分。

enum class access {sample ,read ,write}; 
texture1d<T, access a = access::sample>
texture1d_array<T, access a = access::sample> 
texture2d<T, access a = access::sample> 
texture2d_array<T, access a = access::sample> 
texture3d<T, access a = access::sample> 
texturecube<T, access a = access::sample> 
texture2d_ms<T, access a = access::read>

void foo (texture2d<float> imgA[[texture(0)]],
          texture2d<float,access::read> imgB[[texture(1)]],
          texture2d<float,access::write> imgC[[texture(2)]])
{}

采样器Samplers

这个类似于GLSL的uniform sampler2D,只是Metal的Samplers融合了一些纹理的一些属性的配置(比如环绕方式,过滤方式)

constexpr sampler s(coord::pixel, filter::linear, mip_filter::nearest)

#warning: 在Metal程序中初始化采样器必须使用constexpr关键字修饰

函数修饰符

kernel,表示该函数是一个数据并行计算着色函数,它将被分配在一个一维/二维/三维的线程组网格中执行.
vertex,表示该函数是一个顶点着色函数,它将为顶点数据流中的每个顶点数据执⾏一次, 然后为每个顶点生成数据输出到绘制管线中去.
fragment,表示该函数是一个片元着色函数,它将片元数据流中的每个片元和其关联的数 据执行一次然后为每个⽚元生成数据输出到绘制管线中去.

//并行计算函数
kernel void ZZTestKernelFunctionA(int a,int b) { ... }
//顶点函数
vertex int ZZTestVertexFunctionB(int a,int b){ ... }
//片元函数
fragment int ZZTestVertexFunctionB(int a,int b){ ... }

注意

1. 使用kernel 修饰的函数返回值必须是void类型
2. 一个被函数修饰符修饰过的函数,不允许在调用其他的被函数修饰过的函数
3. 被函数修饰符修饰过的函数,只允许在客户端对齐进行操作. 不允许被普通的函数调用.

地址空间修饰符

Metal 着色器语言使用，地址空间修饰符 来表示一个函数变量或者参数被分配到那块内存区域，所有的着色函数(vertex,fragment,kernel)的参数,如果是指针或者是引用,都必须带有地址空间修饰符号。

• device ：设备地址空间
• threadgroup ：线程组地址空间
• constant ：常量地址空间
• thread：thread 地址空间
  对于图形着色器函数，其指针或者引用类型的参数必须定义为device 或者 constant地址空间；对于并行计算着色函数,其指针或者引用类型的参数必须为device 或者 threadgroup 或者 constant 地址空间；

device float4  *color;
struct Foo {
  float a[3];
  int b[2];
}
device Foo *my_info;
void ZZTestFouncitionE(device int *g_data,
                       threadgroup int *l_data,
                       constant float *c_data
                       )
{....}
kernel void ZZTestFouncitionF(threadgroup float *a)
{
    //在线程组地址空间分配一个浮点类型变量x
    threadgroup float x;
    //在线程组地址空间分配一个10个浮点类型数的数组y;
    threadgroup float y[10];
}
constant float sampler[] = {1.0f,2.0f,3.0f,4.0f};
kernel void ZZTestFouncitionG(void)
{
    //在线程空间分配空间给x,p
    float x;
    thread float p = &x;   
}

#warning：纹理对象总是在设备地址空间(device)分配内存，地址空间修饰符不必出现在纹理类型定义中，一个纹理对象的内容无法直接访问,Metal 提供了读写纹理的内建函数；

函数参数与变量

图形绘制或是并行计算着色函数的输入/输出都需要通过参数传递(除了常 量地址空间变量和程序域中定义的采样器以外).参数可以是如下之一:

• device buffer — 设备缓存
• constant buffer — 常量量缓存
• texture object — 纹理理对象
• sample object — 采样器器对象
• threadgroup — 线程共享的缓存

用于寻址缓存,纹理,采样器属性修饰符

为每个参数,指定一个属性修饰符. 指定明确的缓冲,纹理位置.

• device 和 constant buffers — [[ buffer ( index ) ]]
• texture — [[ texture ( index ) ]]
• sampler — [[ sampler ( index ) ]]
• threadgroup buffer — [[ threadgroup ( index ) ]]

kernel void add_vectros(
                const device float4 *inA [[buffer(0)]],
                const device float4 *inB [[buffer(1)]],
                device float4 *out [[buffer(2)]]
                uint id[[thread_position_in_grid]])
{
    out[id] = inA[id] + inB[id];
}
//着色函数的多个参数使用不同类型的属性修饰符的情况
kernel void my_kernel(device float4 *p [[buffer(0)]],
                      texture2d<float> img [[texture(0)]],
                      sampler sam [[sampler(0)]])
{
    //.....
}

通过唯一标识的索引值来实现参数传递。这里类似于GLSL中的(
GLuint positionSlot = glGetAttribLocation(program, "Position");
glEnableVertexAttribArray(positionSlot);
glVertexAttribPointer(positionSlot,...);
....
)

参考文献

Metal Shading Language 开发指南
MetalKit