理论

怎么写一个Computeshader

输入

资源类型

输出

算法/执行

注意事项

同步机制

实例

参考

Computeshader用了很久了，可是用了忘，忘了学，还是做个笔记吧。。

个人笔记只为自己看得懂，文章跳跃性很强，初次接触的朋友还是去找其他资料吧，末尾会附注一些参考资料。

理论

怎么写一个Computeshader

对我而言，Computeshader其实就是用来在GPU计算的一个工具，既然是计算，那么就得有输入+输出+算法。接下来就按这个思路来写。

输入

通常来说Computeshader只做计算工作，所以输入得由其他语言的业务代码来提供，具体到Unity上就是C#脚本文件来设置Computeshader所需的计算资源，而在HLSL语言中则需要用DirectX提供的一系列API设置计算资源（我不会D3D所以不说了）。

资源类型

SRV(Shader Resource View):只读不可写。

UAV(Unordered Access View):可读可写，线程访问顺序随机。在读的同时还可以被写入（但有Race Condition的问题，稍后会讲到）。

以上只是GPU端对计算资源的一个逻辑上的分类，但我们写Computeshader代码的时候并不是直接写一个SRV s = new SRV()这样子，而是使用相当于一个SRV/UAV的一些子类来存储资源。

我们常用的SRV包括：StructuredBuffer<Type>,Texture2D<Type>

我们常用的UAV包括：RWStructuredBuffer<Type>,RWTextured2D<Type>

其中Type可以是基本类型，如int，float，uint，float2等等，也可以是自定义的结构体。

Computeshader声明资源的代码如下。

struct MyType{float f1;float f2;float f3;float f4;
};
RWStructuredBuffer<MyType> outData;
StructuredBuffer<int> inData;
RWTexture2D<float4> Result;

然而我们说过，GPU的计算资源需要由CPU设置，那么在CPU端自然需要有同等实体与之对应，一般的，与Texture2D/RWTexture2D对应的是Unity中的Texture2D/RenderTexture类型，与StructuredBuffer/RWStructuredBuffer对应的是ComputeBuffer类型。

以下是Unity使用C#设置StructuredBuffer/RWStructuredBuffer的方式

    //首先要在C#代码里声明结构体，这个结构体要与Computeshader中的结构体对应//变量名可以不一样，但是对应的变量类型应该要一样，因为GPU是通过算字节偏移量找数据的struct MyTypeInCPU{float f1;float f2;float f3;float f4;}void AssignComputeBuffer(){int num = 10;//ComputeBuffer有五种类型，一般用默认类型即可，其他参数我没用过ComputeBuffer buffer = new ComputeBuffer(num, sizeof(float) * 4);MyTypeInCPU[] array = new MyTypeInCPU[num];buffer.SetData(array);//先找到Kernelint kernel = shader.FindKernel("KernalName");//使用SetBuffer()方法设置buffer，第二个参数是Computeshader里Buffer的名字shader.SetBuffer(kernel, "outData", buffer);}

而对于Texture2D这种资源也是类似

    void AssignTexture2D(){//格式千万要注意，格式不同画面效果完全不一样RenderTexture tex = new RenderTexture(1280, 1024, 0, RenderTextureFormat.ARGB64);//一定要开启tex的这个选项才能允许GPU写入数据tex.enableRandomWrite = true;int kernel = shader.FindKernel("KernalName");shader.SetTexture(kernel, "Result", tex);}

输出

当Computeshader运行结束后，CPU端可以从GPU端获取运行结果，但这是一个非常耗时的操作，CPU与GPU传输速度大概只有GPU访问VRAM速度的百分之一。

代码如下，注意，只有UAV资源才可以获得运行结果（因为只有UAV可被写入）。

        MyTypeInCPU[] mies = new MyTypeInCPU[10];buffer.GetData(mies);

而对于RWTexture2D等类型在Computeshader运行结束后就已经被改变了，不需要GetData()之类的操作，在C#代码里直接访问即可。

算法/执行

并不是真的要讲Computeshader的并行算法，这里主要是讲如何让GPU执行代码，或者叫分派线程，具体术语和原理略过，末尾有参考，这里放两张图和一段代码就行。

        //C#代码int kernel = shader.FindKernel("CSMain");shader.Dispatch(kernel, width/8, height/8, 1);

//Computeshader代码
#pragma kernel CSMain
[numthreads(8,8,1)]
void CSMain (uint3 id : SV_DispatchThreadID,uint groupIndex : SV_GroupIndex)
{//Do something...
}

注意事项

同步机制

在Computeshader中，越界写入是no-op（无操作），越界读取的值是0

首先非常可惜的一点，GPU不存在全局同步（哪天存在了请给我烧纸），最多只有同一个线程组内可以同步。

同一个线程组的线程，必然同时执行。

不同线程组的线程，可能同时执行，可能不同时执行。

线程之间同时Access一块数据，通过一个叫做bank layout的东西，如果多个线程同时访问这个同一个地址，就产生了bank冲突，因此，可以得出结论：任何时候，尽量减少Access。如果一块shared memory非要多次访问，甚至可以用一个临时变量保存/复制出来，而不是直接访问这个显存。

以上是基本结论，下面补充一下Race Condition的概念。

First of all, a race condition happens whenever one thread writes to a memory location while another thread reads OR writes from/to that same location. So, yes, += is already causing a race condition, and there is no "easy" way to fix this. (Btw: += implicitly reads the value, because you can't calculate the sum of two values without knowing them)

而在Computeshader中也存在Race Condition（之前提到的Bank Layout可以算Race Condition的特殊情况）的概念，但情况稍微有点点不同。

当不同线程同时向同一处Memory写入相同数据时不会有问题（但是性能会下降）；当不同线程同时向同一处Memory写入不同数据时发生Race Condition。

言归正传，Computeshader的同步机制据我所知有三种。

第一，groupshared关键字。用groupshared修饰的资源（无论是UAV还是SRV）在同一个线程组内部都是共享的，还可以用GroupMemoryBarrierWithGroupSync()来使线程组同步，如下

#pragma kernel CSMain
groupshared int si[64];
[numthreads(8,8,1)]
void CSMain (uint3 id : SV_DispatchThreadID,uint groupIndex : SV_GroupIndex)
{si[groupIndex]++;//在所有该线程组内的线程运行到GroupMemoryBarrierWithGroupSync()这行代码之前//暂停该线程的运行GroupMemoryBarrierWithGroupSync();//Do something else...
}

第二种，原子操作+循环。

下面的代码可以实现原子操作的对浮点数的加法。

void InterlockedAddFloat(RWByteAddressBuffer buf, uint addr, float value)
{uint i_val = asuint(value);uint tmp0 = 0;uint tmp1;while(true){buf.InterlockedCompareExchange(addr, tmp0, i_val, tmp1);if(tmp1 == tmp0)break;tmp0 = tmp1;i_val = asuint(value + asfloat(tmp1));}
}

慎重使用，极难DEBUG，出现死循环就得关机重启。

第三种，原子操作+全局变量。

RWStructuredBuffer<data> outData;
RWStructuredBuffer<uint> maxBuffer;
[numthreads(8,8,1)]
void CSMain (uint3 id : SV_DispatchThreadID,uint groupIndex : SV_GroupIndex)
{InterlockedAdd(maxBuffer[0],1);if(maxBuffer[0]>30) outData[id.y*8+id.x].i1=500;
}

这段代码并不能实现所有线程的互斥操作，但可以实现在一次分派线程（Dispatch）中，对maxBuffer的访问是全局且互斥的。

实例

略过。

参考

unity3d - hlsl CG compute shader Race Condition - Stack Overflowhttps://stackoverflow.com/questions/59349081/hlsl-cg-compute-shader-race-condition

Compute Shader - 知乎Compute Shader CS主要是干什么的？为什么我们需要CS？其实，早期的着色器，只有VS跟PS。在更古老的年代，连VS跟PS都没有，就是固定渲染管线。这个就等于直接调接口，传参数，流程，算法，全是固定的，你不能自己…https://zhuanlan.zhihu.com/p/102104374

上面两篇对于入门选手非常值得一看。https://gamedev.net/forums/topic/452857-changing-global-variables-in-hlsl/3991607/https://gamedev.net/forums/topic/452857-changing-global-variables-in-hlsl/3991607/ Variable Syntax - Win32 apps | Microsoft DocsUse the following syntax rules to declare HLSL variables.https://docs.microsoft.com/en-us/windows/win32/direct3dhlsl/dx-graphics-hlsl-variable-syntax

HLSL InterLockedAdd Float - 知乎HLSL 的 InterlockedAdd 只提供了 uint/int 类型的原子相加 HLSL interlockedAdd function但是有的时候需要用到 float 类型数据的原子加法， InterlockedAddFloatvoid InterlockedAddFloat(RWByteAddressBuffer bu…https://zhuanlan.zhihu.com/p/376313103Unity中Compute Shader的基础介绍与使用_UWA的博客-CSDN博客_compute shader前言Compute Shader是如今比较流行的一种技术，例如之前的《天刀手游》，还有最近大火的《永劫无间》，在分享技术的时候都有提到它。Unity官方对Compute Shader的介绍如下：Unity - Manual: Compute shadersCompute Shader和其他Shader一样是运行在GPU上的，但是它是独立于渲染管线之外的。我们可以利用它实现大量且并行的GPGPU算法，用来加速我们的游戏。在Unity中，我们在Project中右键，即可创建出一个Comput.https://blog.csdn.net/UWA4D/article/details/120821195Unity | 浅谈 Compute Shader - 知乎之前Compute Shader入门过一次，太久不用就给忘了，希望这次可以学得扎实。目录： Part1: Compute Shader入门 - Kyle Halladay Part2: 如何使用贴图来Debug Compute Shader - 十笔再次感谢Kyle Halladay，本篇文…https://zhuanlan.zhihu.com/p/113482286ComputeShader – Cheney Shenhttps://cheneyshen.com/category/all/gpu/compute-shader/

《DirectX12 3D游戏开发实战》

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