1 前言

????????本文將介紹 GLSL 中數據類型、數組、結構體、宏、運算符、向量運算、矩陣運算、函數、流程控制、精度限定符、變量限定符（in、out、inout）、函數參數限定符等內容，另外提供了一個 include 工具，方便多文件管理 glsl 代碼，實現代碼的精簡、復用。

? ? ? ? Unity 中 Shader 介紹詳見 →?【Unity3D】Shader常量、變量、結構體、函數，渲染管線介紹詳見 →?【OpenGL ES】渲染管線。

2 數據類型

2.1 基本數據類型

2.1.1 基本數據類型

類型	說明	案例
void	空類型，即不返回任何值	void fun() { }
bool	布爾類型 true、false	bool a = true;
int	帶符號的整數	int a = 0;
float	帶符號的浮點數	float a = 1.0; float b = 2.;
vec2、vec3、vec4	2 維、3 維、4 維浮點數向量	vec2 a = vec2(1., 2.); vec2 b = vec2(1.); // ? vec2(1., 1.) vec3 c = vec3(a, 3.); // ? vec3(1., 2., 3.)
bvec2、bvec3、bvec4	2 維、3 維、4 維布爾向量	bvec2 a = bvec2(true, false); bvec2 b = bvec2(true); // ? bvec2(true, true) bec3 c = bvec3(a, true); // ? bvec3(true, false, true)
ivec2、ivec3、ivec4	2 維、3 維、4 維整數向量	ivec2 a = ivec2(1, 2); ivec2 b = ivec2(1); // ? ivec2(1, 1) ivec3 c = ivec3(a, 3); // ? ivec3(1, 2, 3)
mat2、mat3、mat4	2x2、3x3、4x4 浮點數矩陣 (列向量)	mat2 a = mat2(1., 2., 3., 4.); mat2 b = mat2(1.);?// ? mat2(1., 1., 1., 1.)
sampler2D	2D 紋理	sampler2D sampler;
samplerCube	盒紋理	samplerCube sampler;

????????說明：mat2、mat3、mat4 中的元素都是按照列向量的順序排列的，即 mat2 m = mat2(m11, m21, m12, m22) 對應的公式如下。

2.1.2 向量分量訪問

????????GLSL 中的向量（vec2、vec3、vec4）可以表示一個空間坐標 (x, y, z, w)，也可以表示一個顏色 (r, g, b, a)，還可以表示一個紋理坐標 (s, t ,p, q)，所以 GLSL 提供了多樣的分量訪問方式。

vec4 v = vec4(1.0, 2.0, 3.0, 4.0);
float x1 = v.x; // 1.0
float x2 = v.r; // 1.0
float x3 = v.s; // 1.0
float x4 = v[0]; // 1.0vec3 xyz = v.xyz; // vec3(1.0, 2.0, 3.0)
vec3 stq = v.stq; // vec3(1.0, 2.0, 3.0)
vec3 rgb = v.rgb; // vec3(1.0, 2.0, 3.0)
vec3 abc = vec3(v[0], v[1], v[2]); // vec3(1.0, 2.0, 3.0)

2.1.3 數據類型轉換

????????GLSL 可以使用構造函數進行顯式類型轉換。

// 0或0.0轉換為false, 非0轉換為true
bool a1 = bool(1.0); // true
bool a2 = bool(0); // false// true轉換為1或1.0, false轉換為0或0.0
int a3 = int(true); // 1
float a4 = float(false); // 0.0int a5 = int(2.0); // 2
float a6 = float(1); // 1.0

2.2 數組

? ? ? ? GLSL 只支持一維數組。

// float 數組
float[3] a = float[] (1.0, 2.0, 3.0);
float b[3] = float[] (1.0, 2.0, 3.0);
float c[3] = float[3] (1.0, 2.0, 3.0);// vec 數組
vec2[2] d = vec2[] (vec2(0.0), vec2(1.0));

2.3 結構體

struct light {vec4 color;vec3 pos;
};
const light lgt = light(vec4(1.0), vec3(0.0));

? ? ? ? 說明：結構體中的字段不可用 const 修飾。

2.4 內置變量

范圍	變量	說明
頂點著色器的 Output 變量	highp vec4 gl_Position;	頂點坐標信息
	mediump float gl_PointSize;	頂點大小 (只在 GL_POINTS 圖元模式下有效)?? ?
片元著色器的 Input 變量	mediump vec4 gl_FragCoord;	片元在屏幕空間的坐標，假設屏幕寬高分別為 width、height x:?片元的x坐標，值域 [0, width - 1] y:?片元的x坐標，值域 [0, height - 1] z:?片元的深度坐標，值域 [0, 1] w:?總是 1，通常用于透視除法
	bool gl_FrontFacing;	標志當前圖元是否是正面圖元的一部分
片元著色器的 Output 變量	mediump vec4 gl_FragColor;	設置當前片點的顏色

2.5 宏

? ? ? ? 與 C 語言一樣，GLSL 中也可以通過 #define 定義宏，如下。

#define PI 3.14159265359

? ? ? ? 另外，GLSL 也提供了一些內置宏。

__LINE__ // 當前源碼中的行號
__VERSION__ // 當前glsl版本號, 如: 300
GL_ES // 當前運行環境是否是 OPGL ES, 1 表示是
GL_FRAGMENT_PRECISION_HIGH // 當前系統的片元著色器是否支持高浮點精度, 1表示支持

3 運算符

3.1 基礎運算符

優先級 (越小越高)	運算符	說明	結合性
1	()	聚組: a * (b + c)	N/A
2	[] () . ++ --	數組下標 方法參數: fun(arg1, arg2) 屬性訪問 自增 (a++) / 自減 (a--)	L - R
3	++ -- + - !	自增 (++a) / 自減 (--a) 正 (+a) 負 (-a) 號 取反 (!a)	R - L
4	* / %	乘法 / 除法運算 整數求余運算 (浮點數求余用 mod 函數)	L - R
5	+ -	加法 / 減法運算	L - R
7	< > <= >=	關系運算符	L - R
8	== !=	相等性運算符	L - R
12	&&	邏輯與	L - R
13	^^	邏輯排他或 (用處基本等于 !=)	L - R
14	||	邏輯或	L - R
15	? :	三目運算符	L - R
16	= += -= *= /=	賦值和復合賦值	L - R
17	,	順序分配運算	L - R

? ? ? ? 說明：GLSL 中沒有隱式類型轉換，因此任何表達式左右兩側的類型必須一致，以下表達式都是錯誤的。

// 以下代碼運行時會報錯
int a = 2.;
int b = 1. + 2;
float c = 2;
float d = 2. + 1;
bool e = 0;
vec2 f = vec2(1., 2.) * 2;

3.2 向量運算符

// 標量與向量運算
vec2 a = vec2(1., 2.) + 3.; // vec2(4., 5.)
vec2 b = 3. + vec2(1., 2.); // vec2(4., 5.)
vec2 c = vec2(1., 2.) * 3.; // vec2(3., 6.)
vec2 d = 3. * vec2(1., 2.); // vec2(3., 6.)// 向量與向量運算
vec2 e = vec2(1., 2.) + vec2(3., 4.); // vec2(4., 6.)
vec2 f = vec2(1., 2.) * vec2(3., 4.); // vec2(3., 8.)

3.3 矩陣運算符

// 標量與矩陣運算
mat2 a = mat2(1.) + 2.; // mat2(3.)
mat2 b = 2. + mat2(1.); // mat2(3.)
mat2 c = mat2(1.) * 2.; // mat2(2.)
mat2 d = 2. * mat2(1.); // mat2(2.)// 向量與矩陣運算
vec2 e = vec2(1., 2.) * mat2(1., 2., 3., 4.); // vec2(5., 11.)
vec2 f = mat2(1., 2., 3., 4.) * vec2(1., 2.); // vec2(7., 10.)// 矩陣與矩陣運算(矩陣對應元素運算)
mat2 g = mat2(1.) + mat2(2.); // mat2(3.)
mat2 h = matrixCompMult(mat2(1.), mat2(2.)); // mat2(2.)// 矩陣與矩陣運算(矩陣乘法)
mat2 i = mat2(1., 2., 3., 4.) * mat2(5., 6., 7., 8.); // mat2(23., 34., 31., 46.)
mat2 j = mat2(5., 6., 7., 8.) * mat2(1., 2., 3., 4.); // mat2(19., 22., 43., 50.)

4 函數

4.1 自定義函數

????????GLSL 允許在程序的最外部聲明函數，函數不能嵌套、不能遞歸調用，且必須聲明返回值類型（無返回值時聲明為 void）在其他方面 GLSL 函數與 C 語言函數非常類似。

vec4 getPosition() { vec4 pos = vec4(0.,0.,0.,1.);return pos;
}void doubleSize(inout float size) {size = size * 2.0;
}

4.2 內置函數

? ? ? ? 1）數值運算?

sign(x)、abs(x) // 符號、絕對值
min(a, b)、max(a, b) // 最值函數
ceil(x)、floor(x)、round(x) // 取整函數
fract(x) // 取小數部分
mod(x, y) // 取余數
sqrt(x)、pow(x)、inversesqrt(x) // 冪函數, inversesqrt(x)=1/sqrt(x)
exp(x)、exp2(x) // 指數函數(e^x、2^x)
log(x)、log2(x) // 對數函數
degrees(x)、radians(x) // 角度轉換函數
sin(x)、cos(x)、tan(x)、asin(x)、acos(x)、atan(x) // 三角函數
sinh(x)、cosh(x)、tanh(x) // 雙曲線函數
clamp(x, min, max) // 將x約束在min和max之間, 超過邊界就取邊界值
smoothstep(min, max, x) // 平滑比例, 公式: k=saturate((x-min)/(max-min)), y=k*k*(3-2*k)
mix(a, b, f) // 混合, 公式: y=(1-f)*a+f*b
step(a, b) // 如果a>b, 返回0; 如果a<=b, 返回1; 當a、b是向量時, 每個分量獨立判斷, 如: step(fixed2(1,1),fixed(0,2))=(0,1)

? ? ? ? 說明：以上函數輸入的可以是：float、vec2、vec3、vec4，且可以逐分量操作；對于整數求余運算，只能用 %；對于浮點數求余運算，只能用 mod。

????????2）邏輯運算

bvec z = lessThan(x, y) // 逐分量比較x < y, 將結果寫入z的對應位置
bvec z = lessThanEqual(x, y) // 逐分量比較x <= y, 將結果寫入z的對應位置
bvec z = greaterThan(x, y) // 逐分量比較x > y, 將結果寫入z的對應位置
bvec z = greaterThanEqual(x, y) // 逐分量比較x >= y, 將結果寫入z的對應位置
bvec z = equal(x, y) // 逐分量比較x == y, 將結果寫入z的對應位置
bvec z = notEqual(x, y) // 逐分量比較x != y, 將結果寫入z的對應位置
bvec y = not(x) // bool矢量的逐分量取反
bool y = any(x) // 如果x的任意一個分量是true, 則結果為true
bool y = all(x) // 如果x的所有分量是true, 則結果為true

? ? ? ? 3）向量運算

distance(pos1, pos2) // 計算pos1與pos2之間的距離
length(vec) // 計算向量的模長
normalize(vec) // 計算向量的單位向量
dot(v1, v2) // 向量點乘
cross(v1, v2) // 向量叉乘
reflect(i, n) // 根據入射向量和法線向量, 計算反射向量(i和n不需要歸一化)
refract(i, n, ratio); // 根據入射向量、法線向量、折射率比值, 計算折射向量(i和n需要歸一化, ratio為入射介質折射率/折射介質折射率, 或sin(折射角)/sin(入射角))

? ? ? ? 4）矩陣運算

// 矩陣與矩陣運算(矩陣對應元素運算)
mat2 a = mat2(1.) + mat2(2.); // mat2(3.)
mat2 b = matrixCompMult(mat2(1.), mat2(2.)); // mat2(2.)// 矩陣與矩陣運算(矩陣乘法)
mat2 c = mat2(1., 2., 3., 4.) * mat2(5., 6., 7., 8.); // mat2(23., 34., 31., 46.)
mat2 d = mat2(5., 6., 7., 8.) * mat2(1., 2., 3., 4.); // mat2(19., 22., 43., 50.)

? ? ? ? 5）紋理查詢函數

vec4 texture(sampler2D sampler, vec2 coord);
vec4 texture2D(sampler2D sampler, vec2 coord);
vec4 texture2DProj(sampler2D sampler, vec3 coord);
vec4 texture2DProj(sampler2D sampler, vec4 coord);
vec4 textureCube(samplerCube sampler, vec3 coord);

5 流程控制

????????GLSL 的流控制與?C 語言非常相似，主要有 if、for、while、continue、break，不同的是 GLSL 中多了 discard。使用 discard 會退出片元著色器，不會執行后面的操作，片元也不會寫入幀緩沖區。

for (int i = 0; i < 10; i++) {sum += a[i];if (sum > 5.0)break;
}while (i < 10) {sum += a[i];if (i % 3 == 1)continue;i++;
}do {sum += a[i];if (sum > 5.0)discard;i++;
} while (i < 10)

6 限定符

6.1 精度限定符

? ? ? ? 片元著色器中，對于浮點數 GLSL 有?highp（高）、mediump（中）、lowp（低） 三種精度。

lowp float color;
varying mediump vec2 Coord;
lowp ivec2 foo(lowp mat3);
highp mat4 m;

????????在片元著色器的第一行加上 precision highp float，表示設定了默認的精度，所有沒有顯式表明精度的變量都會按照默認精度處理。

precision highp float;

????????通過判斷系統環境，來選擇合適的精度。

#ifdef GL_ES
#ifdef GL_FRAGMENT_PRECISION_HIGH
precision highp float;
#else
precision mediump float;
#endif
#endif

6.2 變量限定符

限定符	說明
none	默認的變量限定符，可省略，可讀寫。
const	修飾的變量為只讀類型，變量在定義時必須初始化。
attribute	只能在頂點著色器中使用，修飾全局只讀變量，一般用于修飾頂點屬性，如：頂點的位置、法線、紋理坐標、顏色等。
uniform	修飾全局只讀變量，一般用于修飾程序傳遞給 shader 的變量，如：屏幕寬高比、光源位置等。
varying	修飾需要進行光柵化插值的變量，在片元著色器中是只讀的，如：紋理坐標等。

// 頂點著色器
attribute vec4 a_position;
attribute vec2 a_texCoord0;
varying vec2 v_texCoord0;void main() {gl_Position = vec4(a_position, 1.0);v_texCoord0 = a_texCoord0;
}// 片元著色器
precision highp float;
uniform sampler2D u_texture;
varying vec2 v_texCoord0;void main() {gl_FragColor = texture(u_texture, v_texCoord0);
}

6.3 函數參數限定符

????????函數的參數默認以拷貝的形式傳遞，即值傳遞，我們可以為參數添加限定符實現引用傳遞，GLSL 中提供的參數限定符如下。

限定符	說明
in	默認的限定符，參數是值傳遞，在函數中可讀寫。
out	參數是引用傳遞，在函數中只能寫（write-only）。
inout	參數是引用傳遞，在函數中可讀寫（read-write）。

? ? ? ? 除了函數的參數可以用 in、out、inout 修飾，全局變量也可以用這些限定符修飾，如下。

// 頂點著色器
in vec3 a_position;
in vec2 a_texCoord0;
out vec2 v_texCoord0;void main() {gl_Position = vec4(a_position, 1.0);v_texCoord0 = a_texCoord0;
}// 片元著色器
precision highp float;
uniform sampler2D u_texture;
in vec2 v_texCoord0;
out vec4 o_fragColor;void main() {o_fragColor = texture(u_texture, v_texCoord0);
}

7 include

????????GLSL 中沒有提供 #include 功能，如以下代碼會運行報錯。

#include <shaders/utils/constant.glsl>

????????要想實現一個 glsl 文件依賴另一個 glsl 文件，可以使用以下工具加載 glsl 字符串。

????????ShaderUtils.java

import android.content.Context;import java.util.HashSet;
import java.util.regex.Matcher;
import java.util.regex.Pattern;/*** Shader工具類* @author little fat sheep*/
public class ShaderUtils {// 匹配: #include <xxx> 或 #include “xxx”, 并且不以"//"開頭private static final String INCLUDE_REGEX = "(?m)^(?!//\\s*)#include\\s+(<([^>]+)>|\"([^\"]+)\")";/*** 通過asset加載shader* @param vertexShader 頂點著色器路徑, 如: "shaders/origin_vert.glsl"* @param fragmentShader 片元著色器路徑, 如: "shaders/origin_frag.glsl"*/public static String[] loadShader(Context context, String vertexShader, String fragmentShader) {String vertex = StringUtils.loadString(context, vertexShader);String fragment = StringUtils.loadString(context, fragmentShader);String vertex1 = replaceIncludeFiles(context, vertex);String fragment1 = replaceIncludeFiles(context, fragment);return new String[] { vertex1, fragment1 };}/*** 通過資源id加載shader* @param vertexShader 頂點著色器資源id, 如: R.raw.origin_vertex* @param fragmentShader 片元著色器資源id, 如: R.raw.origin_fragment*/public static String[] loadShader(Context context, int vertexShader, int fragmentShader) {String vertex = StringUtils.loadString(context, vertexShader);String fragment = StringUtils.loadString(context, fragmentShader);String vertex1 = replaceIncludeFiles(context, vertex);String fragment1 = replaceIncludeFiles(context, fragment);return new String[] { vertex1, fragment1 };}/*** 將shader字符串中#include的文件替換為文件內容*/public static String replaceIncludeFiles(Context context, String shaderContent) {Pattern pattern = Pattern.compile(INCLUDE_REGEX);HashSet<String> set = new HashSet<>(); // 用于去掉重復的includereturn replaceIncludeFiles(context, shaderContent, pattern, set);}/*** 將shader字符串中#include的文件替換為文件內容(include的文件中可能也有include, 需要遞歸調用)*/private static String replaceIncludeFiles(Context context, String shaderContent, Pattern pattern, HashSet<String> set) {Matcher matcher = pattern.matcher(shaderContent);StringBuffer sb = new StringBuffer(shaderContent.length());while (matcher.find()) {String angleBrackets = matcher.group(2); // 尖括號內的路徑String quotationMarks = matcher.group(3); // 引號內的路徑String file = angleBrackets != null ? angleBrackets : quotationMarks;if (set.contains(file)) {matcher.appendReplacement(sb, ""); // 刪除重復的include} else {set.add(file);String includeShader = StringUtils.loadString(context, file); // 加載include文件中的字符串String quoteShader = Matcher.quoteReplacement(includeShader); // 替換字符串中的轉義字符String wholeShader = replaceIncludeFiles(context, quoteShader, pattern, set); // 遞歸替換字串中的includematcher.appendReplacement(sb, wholeShader); // 將字符串添加到sb中}}matcher.appendTail(sb);return sb.toString();}
}

? ? ? ? StringUtils.java

import android.content.Context;import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.InputStreamReader;/*** 字符串工具類* @author little fat sheep*/
public class StringUtils {/*** 根據資源路徑讀取字符串* @param assetPath 資源路徑, 如: "shaders/origin_vert.glsl"*/public static String loadString(Context context, String assetPath) {String str = "";try (InputStream inputStream = context.getAssets().open(assetPath)) {str = loadString(inputStream);} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}return str;}/*** 根據資源id讀取字符串* @param rawId 資源id, 如: R.raw.origin_vertex*/public static String loadString(Context context, int rawId) {String str = "";try (InputStream inputStream = context.getResources().openRawResource(rawId)) {str = loadString(inputStream);} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}return str;}private static String loadString(InputStream inputStream) {StringBuilder sb = new StringBuilder();try (BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(inputStream))) {String line;while ((line = br.readLine()) != null) {sb.append(line).append("\n");}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}return sb.toString();}
}