【cocos2d-x 源码解析】shader 实现

亦凉 2022-06-07 06:47 294阅读 0赞

### 文件结构 ###

cocos2d-x 与 shader 相关的代码在 renderer 目录下

其中比较重要的几个类是 GLProgram，GLProgramCache，GLProgramState 和 GLProgramStateCache；除此之外还定义一些默认的着色器程序，.vert 后缀的文件是顶点着色器程序，.frag 后缀的文件是片段着色器程序。下面通过解析这几个主要类了解着色器的创建过程和使用方法

### GLProgramCache ###

首先从 GLProgramCache 这个类入手，这个类是着色器 Program 的一个缓冲区，也就是说这个类保存了创建好的着色器程序，使用的时候直接从这缓冲中取 Program 即可。和其它缓冲类一样，GLProgramCache 也是单例模式

GLProgramCache* GLProgramCache::getInstance()
    {
        if (!_sharedGLProgramCache) {
            _sharedGLProgramCache = new (std::nothrow) GLProgramCache();
            if (!_sharedGLProgramCache->init())
            {
                CC_SAFE_DELETE(_sharedGLProgramCache);
            }
        }
        return _sharedGLProgramCache;
    }

第一次调用 getInstance 方法会先创建一个 GLProgramCache 实例，然后调用 init 方法进行初始化

bool GLProgramCache::init()
    {
        loadDefaultGLPrograms();
    
        auto listener = EventListenerCustom::create(Configuration::CONFIG_FILE_LOADED, [this](EventCustom* event){
            reloadDefaultGLProgramsRelativeToLights();
        });
    
        Director::getInstance()->getEventDispatcher()->addEventListenerWithFixedPriority(listener, -1);
    
        return true;
    }

init 方法一个很重要的功能就是调用 loadDefaultGLPrograms 方法，这个方法创建所有默认的着色器程序

void GLProgramCache::loadDefaultGLPrograms()
    {
        // Position Texture Color shader
        GLProgram *p = new (std::nothrow) GLProgram();
        loadDefaultGLProgram(p, kShaderType_PositionTextureColor);
        _programs.insert( std::make_pair( GLProgram::SHADER_NAME_POSITION_TEXTURE_COLOR, p ) );
    
        // Position Texture Color without MVP shader
        p = new (std::nothrow) GLProgram();
        loadDefaultGLProgram(p, kShaderType_PositionTextureColor_noMVP);
        _programs.insert( std::make_pair( GLProgram::SHADER_NAME_POSITION_TEXTURE_COLOR_NO_MVP, p ) );
    
        //...
    }

loadDefaultGLPrograms 创建 cocos 自带的所有着色器程序，首先创建一个 GLProgram，然后调用 loadDefaultGLProgram 进行内容填充，再插入到 \_programs 字典中去

void GLProgramCache::loadDefaultGLProgram(GLProgram *p, int type)
    {
        switch (type) {
            case kShaderType_PositionTextureColor:
                p->initWithByteArrays(ccPositionTextureColor_vert, ccPositionTextureColor_frag);
                break;
            case kShaderType_PositionTextureColor_noMVP:
                //...
            //...
            default:
                CCLOG("cocos2d: %s:%d, error shader type", __FUNCTION__, __LINE__);
                return;
        }
        p->link();
        p->updateUniforms();
    
        CHECK_GL_ERROR_DEBUG();
    }

loadDefaultGLProgram 用于创建单个着色器程序，它接收两个参数，一个是事先创建出来的 GLProgram，一个是着色器类型；然后调用 GLProgram 的 initWithByteArrays 进行内容填充，根据不同的 type 传递不同的着色器源文件，ccPositionTextureColor\_vert 这些变量在着色器源文件中定义，即上面说到的 *.vert 和* .frag 文件中定义，它们的值是一个字符串，也就是着色器的源代码。这里为什么可以直接使用 ccPositionTextureColor\_vert 这些变量呢？这是因为这些变量都是全局变量，而且在 ccShaders.cpp 中添加了所有的引用，ccShaders.cpp 的内容如下

#include "renderer/ccShaders.h"
    
    #define STRINGIFY(A) #A
    
    NS_CC_BEGIN
    //
    
    #include "ccShader_Position_uColor.frag"
    
    #include "ccShader_Position_uColor.vert"
    
    //
    #include "ccShader_PositionColor.frag"
    #include "ccShader_PositionColor.vert"
    
    //...
    
    NS_CC_END

loadDefaultGLProgram 调用 GLProgram->initWithByteArrays 编译着色器，然后调用 GLProgram->link 链接着色器，然后调用 GLProgram->updateUniforms 设置 uniform 变量的值，至此 GLProgramCache 的初始化工作就完成了

GLProgramCache 缓冲了 cocos 自带的所有着色器程序，要使用 shader program 的时候直接从这个缓冲区取即可，getGLProgram 方法的实现很简单，直接根据 key 值从字典 \_programs 中查找

GLProgram* GLProgramCache::getGLProgram(const std::string &key)
    {
        auto it = _programs.find(key);
        if( it != _programs.end() )
     return it->second;
     return nullptr;
    }

另外，还提供了两个导出函数

CC_DEPRECATED_ATTRIBUTE GLProgram * getProgram(const std::string &key) { return getGLProgram(key); }
    CC_DEPRECATED_ATTRIBUTE GLProgram * programForKey(const std::string &key){ return getGLProgram(key); }

GLProgramCache 初始化时缓冲了一些着色器，如果后面想自己缓冲一些着色器也行，直接调用 addGLProgram 就行

void GLProgramCache::addGLProgram(GLProgram* program, const std::string &key)
    {
        // release old one
        auto prev = getGLProgram(key);
        if( prev == program )
            return;
    
        _programs.erase(key);
        CC_SAFE_RELEASE_NULL(prev);
    
        if (program)
            program->retain();
        _programs[key] = program;
    }

### GLProgram ###

首先，GLProgram 定义了着色器程序的 key 值

const char* GLProgram::SHADER_NAME_POSITION_TEXTURE_COLOR = "ShaderPositionTextureColor";
    const char* GLProgram::SHADER_NAME_POSITION_TEXTURE_COLOR_NO_MVP = "ShaderPositionTextureColor_noMVP";
    const char* GLProgram::SHADER_NAME_POSITION_TEXTURE_ALPHA_TEST = "ShaderPositionTextureColorAlphaTest";
    const char* GLProgram::SHADER_NAME_POSITION_TEXTURE_ALPHA_TEST_NO_MV = "ShaderPositionTextureColorAlphaTest_NoMV";
    //...

然后，GLProgram 还定义了着色器程序的一段共有代码，主要是定义常见的 uniform 变量，这段代码在着色器编译之前会合并到着色器源代码中去

static const char * COCOS2D_SHADER_UNIFORMS =
            "uniform mat4 CC_PMatrix;\n"
            "uniform mat4 CC_MVMatrix;\n"
            "uniform mat4 CC_MVPMatrix;\n"
            "uniform mat3 CC_NormalMatrix;\n"
            "uniform vec4 CC_Time;\n"
            "uniform vec4 CC_SinTime;\n"
            "uniform vec4 CC_CosTime;\n"
            "uniform vec4 CC_Random01;\n"
            "uniform sampler2D CC_Texture0;\n"
            "uniform sampler2D CC_Texture1;\n"
            "uniform sampler2D CC_Texture2;\n"
            "uniform sampler2D CC_Texture3;\n"
            "//CC INCLUDES END\n\n";

GLProgram 有下面几个工厂函数及初始化函数，主要是通过文件名和通过字符串两种方式来创建着色器

static GLProgram* createWithByteArrays(const GLchar* vShaderByteArray, const GLchar* fShaderByteArray);
    bool initWithByteArrays(const GLchar* vShaderByteArray, const GLchar* fShaderByteArray);
    
    static GLProgram* createWithByteArrays(const GLchar* vShaderByteArray, const GLchar* fShaderByteArray, const std::string& compileTimeDefines);
    bool initWithByteArrays(const GLchar* vShaderByteArray, const GLchar* fShaderByteArray, const std::string& compileTimeDefines);
    
    static GLProgram* createWithFilenames(const std::string& vShaderFilename, const std::string& fShaderFilename);
    bool initWithFilenames(const std::string& vShaderFilename, const std::string& fShaderFilename);
    
    static GLProgram* createWithFilenames(const std::string& vShaderFilename, const std::string& fShaderFilename, const std::string& compileTimeDefines);
    bool initWithFilenames(const std::string& vShaderFilename, const std::string& fShaderFilename, const std::string& compileTimeDefines);

在这几个方法中，createWithByteArrays 会调用 initWithByteArrays 进行初始化，createWithFilenames 会调用 initWithFilenames 进行初始化，而 initWithFilenames 最终也是调用 initWithByteArrays，前面讲到的 GLProgramCache 创建 GLProgram 也是调用 initWithByteArrays。initWithByteArrays 是真正初始化着色器的地方，这个初始化过程其实就是编译着色器的过程

bool GLProgram::initWithByteArrays(const GLchar* vShaderByteArray, const GLchar* fShaderByteArray, const std::string& compileTimeDefines)
    {
        _program = glCreateProgram();
        CHECK_GL_ERROR_DEBUG();
    
        // convert defines here. If we do it in "compileShader" we will do it it twice.
        // a cache for the defines could be useful, but seems like overkill at this point
        std::string replacedDefines = "";
        replaceDefines(compileTimeDefines, replacedDefines);
    
        _vertShader = _fragShader = 0;
    
        if (vShaderByteArray)
        {
            if (!compileShader(&_vertShader, GL_VERTEX_SHADER, vShaderByteArray, replacedDefines))
            {
                CCLOG("cocos2d: ERROR: Failed to compile vertex shader");
                return false;
           }
        }
    
        // Create and compile fragment shader
        if (fShaderByteArray)
        {
            if (!compileShader(&_fragShader, GL_FRAGMENT_SHADER, fShaderByteArray, replacedDefines))
            {
                CCLOG("cocos2d: ERROR: Failed to compile fragment shader");
                return false;
            }
        }
    
        if (_vertShader)
        {
            glAttachShader(_program, _vertShader);
        }
        CHECK_GL_ERROR_DEBUG();
    
        if (_fragShader)
        {
            glAttachShader(_program, _fragShader);
        }
    
        _hashForUniforms.clear();
    
        CHECK_GL_ERROR_DEBUG();
    
        return true;
    }

可以看到，initWithByteArrays 首先会调用 OpenGL 函数 glCreateProgram 创建一个着色器程序 \_program，然后调用 compileShader 方法编译着色器，然后判断编译是否成功，编译成功则调用 OpenGL 函数 glAttachShader 将着色器附加到着色器程序 \_program。接下来看一下 compileShader 就去做的事

bool GLProgram::compileShader(GLuint* shader, GLenum type, const GLchar* source, const std::string& convertedDefines)
    {
        GLint status;
    
        if (!source)
        {
            return false;
        }
    
        const GLchar *sources[] = {
    #if CC_TARGET_PLATFORM == CC_PLATFORM_WINRT
            (type == GL_VERTEX_SHADER ? "precision mediump float;\n precision mediump int;\n" : "precision mediump float;\n precision mediump int;\n"),
    #elif (CC_TARGET_PLATFORM != CC_PLATFORM_WIN32 && CC_TARGET_PLATFORM != CC_PLATFORM_LINUX && CC_TARGET_PLATFORM != CC_PLATFORM_MAC)
            (type == GL_VERTEX_SHADER ? "precision highp float;\n precision highp int;\n" : "precision mediump float;\n precision mediump int;\n"),
    #endif
            COCOS2D_SHADER_UNIFORMS,
            convertedDefines.c_str(),
            source
        };
    
        *shader = glCreateShader(type);
        glShaderSource(*shader, sizeof(sources)/sizeof(*sources), sources, nullptr);
        glCompileShader(*shader);
    
        glGetShaderiv(*shader, GL_COMPILE_STATUS, &status);
    
        if (! status)
        {
            GLsizei length;
            glGetShaderiv(*shader, GL_SHADER_SOURCE_LENGTH, &length);
            GLchar* src = (GLchar *)malloc(sizeof(GLchar) * length);
    
            glGetShaderSource(*shader, length, nullptr, src);
            CCLOG("cocos2d: ERROR: Failed to compile shader:\n%s", src);
    
            if (type == GL_VERTEX_SHADER)
            {
                CCLOG("cocos2d: %s", getVertexShaderLog().c_str());
            }
            else
            {
                CCLOG("cocos2d: %s", getFragmentShaderLog().c_str());
            }
            free(src);
    
            return false;;
        }
        return (status == GL_TRUE);
    }

compileShader 方法首先会修改着色器源代码 source，在其前面加上公共定义的 uniform 变量部分，即前面定义的 COCOS2D\_SHADER\_UNIFORMS 变量，然后创建 shader，编译，检查错误

至此，initWithByteArrays 做的事就完了，我们再回到 createWithByteArrays 方法和 createWithFilenames 方法

GLProgram* GLProgram::createWithByteArrays(const GLchar* vShaderByteArray, const GLchar* fShaderByteArray, const std::string& compileTimeDefines)
    {
        auto ret = new (std::nothrow) GLProgram();
        if(ret && ret->initWithByteArrays(vShaderByteArray, fShaderByteArray, compileTimeDefines)) {
            ret->link();
            ret->updateUniforms();
            ret->autorelease();
            return ret;
        }
    
        CC_SAFE_DELETE(ret);
        return nullptr;
    }
    
    GLProgram* GLProgram::createWithFilenames(const std::string& vShaderFilename, const std::string& fShaderFilename, const std::string& compileTimeDefines)
    {
        auto ret = new (std::nothrow) GLProgram();
        if(ret && ret->initWithFilenames(vShaderFilename, fShaderFilename, compileTimeDefines)) {
            ret->link();
            ret->updateUniforms();
            ret->autorelease();
            return ret;
        }
    
        CC_SAFE_DELETE(ret);
        return nullptr;
    }

可以看到，调用 initWithByteArrays 编译着色器之后会调用 link 方法链接着色器，调用 updateUniforms 方法设置 uniform 变量的值；前面讲到的 GLProgramCache 创建一个 GLProgram 的过程也是如此，这也是创建一个 shader program 的统一过程  
\* 第一步，调用 initWithByteArrays 方法编译着色器  
\* 第二步，调用 link 方法链接着色器  
\* 第三步，调用 updateUniforms 方法设置 uniform 变量的值

### GLProgramState 和 GLProgramStateCache ###

通过解析 GLProgram 和 GLProgramCache 这两个类，我们已经知道了一个 shader program 的创建过程，接下来看一下如何使用 shader program，在这过程中解析一下 GLProgramState 和 GLProgramStateCache 这两个类。cocos2d-x 中的所有结点都可以使用着色器，即继承自 CCNode 的类都可以设置一个 shader program，CCNode 对外开放了一个接口 setShaderProgram，给一个结点添加一个着色器程序的过程非常简单

//test
    auto program = ShaderCache::getInstance()->programForKey(GLProgram::SHADER_NAME_POSITION_GRAYSCALE);
    sprite->setShaderProgram(program);

setShaderProgram 其实是调用内部的一个私有函数 setGLProgram

CC_DEPRECATED_ATTRIBUTE void setShaderProgram(GLProgram *glprogram) { setGLProgram(glprogram); }

void Node::setGLProgram(GLProgram* glProgram)
    {
        if (_glProgramState == nullptr || (_glProgramState && _glProgramState->getGLProgram() != glProgram))
        {
            CC_SAFE_RELEASE(_glProgramState);
            _glProgramState = GLProgramState::getOrCreateWithGLProgram(glProgram);
            _glProgramState->retain();
    
            _glProgramState->setNodeBinding(this);
        }
    }

通过 setGLProgram 方法可以看出，CCNode 实际上保存的并不是 GLProgram，而是 GLProgramState；GLProgramState 是对 GLProgram 的二次封装，其内部还是保存了一个 GLProgram，通过 GLProgramState 可以将 GLProgram 和 CCNode 进行绑定。GLPorgramState 同样使用一个缓冲 GLProgramStateCache 进行管理，就像 GLProgram 相对于 GLProgramCache 一样；如果多个结点使用了同个 GLProgram，cocos 只会创建一个 GLProgramState，任意一个 Node 修改了 GLProgramState，其它的结点也会受影响，如果不想其它结点受影响，则不要使用 setGLProgram 方法来给结点添加着色器程序，而是手动创建 GLProgramState 然后进行绑定。

setGLProgram 方法接收参数 GLProgram，然后判断是否已经存在和接收的 GLProgram 匹配的 GLProgramState 了，如果不存在再调用 GLProgramState 的静态方法 getOrCreateWithGLProgram 创建一个

GLProgramState* GLProgramState::getOrCreateWithGLProgram(GLProgram *glprogram)
    {
        GLProgramState* ret = GLProgramStateCache::getInstance()->getGLProgramState(glprogram);
        return ret;
    }

getOrCreateWithGLProgram 方法直接从缓冲区 GLProgramStateCache 获取 GLProgramState

GLProgramState* GLProgramStateCache::getGLProgramState(GLProgram* glprogram)
    {
        const auto& itr = _glProgramStates.find(glprogram);
        if (itr != _glProgramStates.end())
        {
            return itr->second;
        }
    
        auto ret = new (std::nothrow) GLProgramState;
        if(ret && ret->init(glprogram)) {
            _glProgramStates.insert(glprogram, ret);
            ret->release();
            return ret;
        }
    
        CC_SAFE_RELEASE(ret);
        return ret;
    }

GLProgramStateCache 通过一个字典 \_glProgramStates 保存已经创建的 GLProgramState，调用 getGLProgramState 方法时先从字典中查找是否有与 GLProgram 匹配的 GLProgramState，有则返回，没有则创建一个，创建之后调用 GLProgramState->init 方法进行初始化，再插入到字典中去

bool GLProgramState::init(GLProgram* glprogram)
    {
        CCASSERT(glprogram, "invalid shader");
    
        _glprogram = glprogram;
        _glprogram->retain();
    
        for(auto &attrib : _glprogram->_vertexAttribs) {
            VertexAttribValue value(&attrib.second);
            _attributes[attrib.first] = value;
        }
    
        for(auto &uniform : _glprogram->_userUniforms) {
            UniformValue value(&uniform.second, _glprogram);
            _uniforms[uniform.second.location] = value;
            _uniformsByName[uniform.first] = uniform.second.location;
        }
     return true;
    }

init 方法将 GLProgram 保存下来，再将顶点属性和 uniform 变量保存下来