着色器函数参数性能

Question

我在尝试理解着色器语言中参数传递的实现方式。

我已经阅读了几篇文章和文档，但仍然有些疑问。特别是，我正在尝试理解与 C++ 函数调用之间的区别，并着重关注性能方面的问题。

HLSL、Cg 和 GLSL 之间存在一些细微差异，但我想底层实现相当相似。

目前我所理解的：

• 除非另有规定，否则函数参数始终是按值传递的（即使是矩阵也是如此？）
• 在这种情况下，按值传递并不具有与 C++ 相同的含义。不支持递归，因此不使用栈，并且大多数函数都是内联的，参数直接放入寄存器中。
• 默认情况下，函数通常都是内联的（HLSL），或者至少内联关键字总是受编译器尊重的（Cg）

以上观点是否正确？

现在有两个具体问题：

1. 将矩阵作为函数参数传递

   inline float4 DoSomething(in Mat4x4 mat, in float3 vec) { ... }

考虑上面的函数，在 C++ 中，这将是可怕的，最好使用引用：const Mat4x4&。

那么在着色器中呢？这是一种不好的方法吗？我读到过例如可以使用 inout 限定符来按引用传递矩阵，但实际上它意味着被调用的函数将修改该矩阵..

2. 参数数量（和类型）是否有任何影响？例如，使用具有有限参数集的函数是否更好？或避免传递矩阵？ 在这里，inout 修改器是否是提高性能的有效方法？如果是，任何人都知道典型编译器如何实现此操作吗？

3. 在这方面，HLSL 和 GLSL 之间有何区别？ 有人对此有什么提示吗？

- Heisenbug

Answer 1

根据规范，值总是被复制。对于 in 参数，在调用时被复制，对于 out 参数，在返回时被复制，在调用和返回时都复制 inout 参数。

按照规范的术语（GLSL 4.50，第6.1.1节“函数调用约定”）：

 

所有参数都在调用时按顺序从左到右精确评估一次。评估输入参数会得到一个被复制到形式参数的值。评估输出参数会得到一个 l-value，该 l-value 在函数返回时用于复制值。评估 inout 参数会得到一个值和一个 l-value；值在调用时被复制到形式参数，lvalue 在函数返回时用于复制值。

当然，实现可以自由优化任何它想要的，只要结果与文档中记录的行为相同即可。但我认为您不能指望它以任何特定的方式工作。

例如，通过引用传递所有inout参数是不安全的。假设有以下代码：

vec4 Foo(inout mat4 mat1, inout mat4 mat2) {
    mat1 = mat4(0.0);
    mat2 = mat4(1.0);
    return mat1 * vec4(1.0);
}

mat4 myMat;
vec4 res = Foo(myMat, myMat);

正确的结果是一个包含所有 0.0 组件的向量。如果参数是通过引用传递的，那么 Foo() 中的 mat1 和 mat2 将引用同一个矩阵。这意味着对 mat2 的赋值也会改变 mat1 的值，结果将是一个所有分量均为 1.0 的向量，这是错误的。

当然，这只是一个非常人为的例子，但优化必须具有选择性才能在所有情况下正常工作。

- Reto Koradi

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感谢您的回答。所以可以确定inout不对应于按引用传递。我在Stack Overflow上读到过它会作为引用工作，但是您的示例表明这显然是错误的，并且不会优化任何内容。 - Heisenbug

@Heisenbug：你会在Stack Overflow和其他无数地方看到这样的讨论。inout并不是一种性能优化，而是GLSL中最接近引用的东西。实际上，正确的行为是在调用时复制数据，在返回时复制数据，但是优化编译器不会浪费时间进行不必要的复制，除非你像这里所示那样做某些事情。这回到了我在答案中讨论的内容，限定符本身并不重要，而是你传递的变量所做的事情真正重要。 - Andon M. Coleman

一个聪明的编译器通过引用、内联或任何它认为聪明的方式来完成。一个聪明的编译器也能理解 Foo(myMat, myMat) 的意图。对于我们来说，聪明的编译器是一个黑盒子。但不要太认真地认为编译器会“复制”mat4的实例，因为规范并没有这样说。 - Chameleon

Answer 2

您在考虑使用 inout 限定的参数时，第一个要点将不会起作用。

真正的问题在于您在函数内部对参数的处理方式。如果您修改了一个以 in 修饰的参数，则它不能被“按引用传递”，必须制作一份副本。在现代硬件上，这可能并不是什么大问题，但 Shader Model 2.0 在临时寄存器数量方面相当有限，当 GLSL 和 Cg 刚出现时，我遇到过这类问题不止一次。

请参考以下 GLSL 代码：

vec4 DoSomething (mat4 mat, vec3 vec)
{
  // Pretty straight forward, no temporary registers are required to pass arguments.
  return vec4 (mat [0] + vec4 (vec, 0.0));
}

vec4 DoSomethingCopy (mat4 mat, vec3 vec)
{
  mat [0][0] = 0.0; // This requires the compiler to make a local copy of mat
  return vec4 (mat [0] + vec4 (vec, 0.0));
}

vec4 DoSomethingInOut (inout mat4 mat, in vec3 vec)
{
  mat [0][0] = 0.0; // No copy required, but the original mat is modified
  return vec4 (mat [0] + vec4 (vec, 0.0));
}

我不能对性能发表评论，我的不好经验只与在较旧的GPU上达到实际硬件限制有关。当然，您应该假设每次需要复制某些内容时，都会对性能产生负面影响。

- Andon M. Coleman

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只要我不修改作为参数传递的矩阵，就不需要进行复制，编译器会优化吗？ - Heisenbug

@Heisenbug：我可以明确地说，在HLSL中是这种情况（Microsoft实现了该编译器，如果您想查看它如何优化某些内容，可以查看生成的字节码）。GLSL则不同，因为每个供应商都实现了自己的编译器。虽然几乎无法想象供应商的编译器不会识别这种情况，但更奇怪的事情已经发生过。 - Andon M. Coleman

感谢提供的信息。我主要使用Profile 2.0针对移动设备进行开发（通过Unity，因此Cg被交叉编译为GLSL，使得事情更加难以预测）。我仍然会让问题保持开放状态一段时间，以便收集尽可能多的信息。 - Heisenbug

@Heisenbug：请保持开放状态。我最初能够将那个答案的要点放入一个评论中（去掉代码示例），这通常是一个不完整的回答的标志_(至少对我而言)_ ;) 如果您将图形API作为标签之一，您的问题可能会获得更多关注。 - Andon M. Coleman

您IP地址为143.198.54.68，由于运营成本限制，当前对于免费用户的使用频率限制为每个IP每72小时10次对话，如需解除限制，请点击左下角设置图标按钮（手机用户先点击左上角菜单按钮）。 - jozxyqk

Answer 3

所有着色器函数都是内联的（禁止递归函数）。引用/指针的概念在此处也无效。唯一的情况是当您对输入参数进行写入时，会生成一些代码。但是，如果原始寄存器不再使用，则编译器可能会使用相同的寄存器，并且不需要复制（mov操作）。

总之：函数调用是免费的。

- dv1729

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你有这个声明的来源吗？我没有看到规范中说实现必须内联所有函数。 - Reto Koradi

我猜规格没有说明这一点。但是，由于规格指出不允许递归，编译器可以自由地这样做。此外，我读过一些在 Nvidia 硬件上的 GLSL 着色器的汇编代码，所有函数都被内联：没有函数调用，也没有函数定义。我猜 AMD 硬件也会这样做。如果禁止递归函数，我不知道不这样做的原因。 - dv1729