UE4 Shader编译以及变种实现

一、动机

这篇文章主要是我对UE4中Shader编译过程以及变种的理解，了解这一块还是挺有必要的，毕竟动辄几千上万个Shader的编译在UE里简直是家常便饭。了解它底层的实现机制后内心踏实一点，如果要去修改，大方向也不会错。

这部分工作是我之前就做好的，文章里涉及内部修改的地方都被我阉割掉了。所以这篇文章主要用于知识普及，分享给广大被UE4中的Shader编译折磨的码农们，凑活着看，看完其实应该就了解了。

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二、UE4中Shader的组织和获取

在讲具体的Shader编译过程时，先讲UE4的渲染过程，渲染过程中是怎么拿Shader的，最后再讲这些Shader是怎么生成的。

虚幻引擎中讲到线程主要有三个：游戏线程、渲染线程和RHI线程。

其中我们平时关心的比较多的就是游戏线程和渲染线程了，至于RHI线程偏向于底层硬件接口，是甚少关心的，一般情况下也很少有需要改动到RHI线程的东西。

1. 渲染线程
虚幻引擎在FEngineLoop::PreInit中对渲染线程进行初始化。

具体的位置是在StartRenderingThread函数里面，此时虚幻引擎主窗口是尚未被绘制出来的，渲染线程的启动位于StartRenderingThread函数里面，这个函数大概做了以下几件事：

1）通过FRunnableThread::Create函数创建渲染线程

2）等待渲染线程准备好从自己的TaskGraph取出任务并执行

3）注册渲染线程

4）创建渲染线程心跳更新线程

2. 渲染线程的运行
在UE4的体系中，渲染线程的主要执行内容在全局函数RenderingThreadMain(RenderingThread.cpp)中。

从本质上来讲他更像是一个员工，等着老板给他派任务，老板塞给他的任务都会放在TaskMap中，他则负责不断地提取这些任务去执行。

老板可以通过ENQUEUE_RENDER_COMMAND系列宏，给员工派发任务（添加到TaskMap中），下图说明了这个过程：

具体代码调用实例如下，这个宏是在游戏线程中调用的，有时候游戏线程中有一些资源发生了变动，或者添加了一些新的资源，抑或是因为一些逻辑而要去改到渲染线程的一些操作，都需要有一种方法去通知到渲染线程，就像是两艘并行飞驰的船，各自走自己的路，另一艘船上发生了什么是完全不知道的，而UE4就通过设置一系列宏为两艘船之间的通信提供了方法。

员工执行任务时也不是直接向GPU发送指令，而是将渲染命令添加到RHICommandList，也就是RHI命令列表中，由RHI线程不断取出指令，向GPU发送，并阻塞等待结果。

此时RHI线程虽然阻塞，但是渲染线程依然正常工作，可以继续处理向RHI命令列表填充指令。

3. 渲染过程中Shader的来源及选择
明白了上述那些概念我们知道，屏幕结果就像是我们最终要做出来的产品，老板就像是产品经理，告诉员工这个产品要怎么做，并交给员工对应的资源，员工根据这些资源，和老板的命令去完成最终的产品（绘制到屏幕上）。

首先讲这些资源在UE4中对应的是什么，以及员工在完成不同的工作阶段（绘制Pass）时是如何从这么多资源中拿到自己想要的资源的，再去讲这些资源的生成。

3.1 资源的组织：ShaderMap
那么屏幕上的画面究竟是如何呈现的呢？员工是怎么样去用这些资源的呢，换句话说就是老板给员工的资源，员工是怎么处理成最终能用的资源的？这些资源是怎么组织的？这里就涉及到一个名词：ShaderMap。

用过虚幻4的渲染的都知道，虚幻引擎中的着色器数量是非常庞大的，如果改动一个材质，经常就需要编几千个甚至上万个Shader，其实也就是说单个材质会编译出多个Shader，这一点是非常重要的。

用一个简单点的概念来理解ShaderMap，可以把它理解成一个三维矩阵，长度为每个材质类型，宽度为每个渲染阶段，高度为每个顶点工厂类型，矩阵的每一个方格都对应了一组着色器组合（顶点着色器，像素着色器），材质也不一定参与全部阶段，所以这个三维矩阵中是存在有很多空缺的。

顶点工厂在UE4中的含义是负责抽象顶点数据以供后面的着色器获取，从而让着色器能够忽略由于顶点类型造成的差异，比如说普通的静态网格物体和使用GPU进行蒙皮的物体，二者的顶点数据不同，但是通过顶点工厂进行抽象后，提供统一的数据获取接口，供后面的着色器使用。

3.2 资源的选择：怎么从ShaderMap中拿到想要的Shader
现在是第二个问题，如何根据当前阶段，当前的材质类型，当前顶点工厂类型，从这个三维矩阵中获得需要的着色器组合。

以一个StaticMesh物体的渲染为例（动态物体不同），对着色器数据选择的过程如下：

1）渲染线程把这个物体添加进场景AddToScene。

2）更新场景的静态物体绘制列表AddStaticMeshes。

3）调用CacheMeshDrawCommands，开始生成当前物体的绘制命令MeshDrawCommands并缓存住。

4）遍历所有的Rendering Pass类型，获取当前场景的CachedDrawLists生成Drawlistcontext。

5）调用不同Pass（以BasePass为例）的AddMeshBatch函数，并将Drawlistcontext作为参数传入（方便之后把生成的绘制命令缓存住）。

6）通过一系列参数判断该Mesh应不应该在当前Pass（BasePass为例）生成绘制命令，如果验证通过，那么调用当前Pass的Process函数。

7）获取该Mesh在当前Pass绘制需要的Shaders，绘制状态，光栅化状态，并最终生成该Mesh的绘制命令。

所以到这一步就讲清楚了渲染时怎么去拿Shader的流程，需要去看不同Pass的GetShaders函数，结合之前对ShaderMap的分析来看它的传入参数，MaterialResource对应它使用的材质资源，VertexFactory的type对应所用到的顶点工厂类型，最后还有用到的顶点和像素着色器。

最终得到顶点着色器和像素着色器的调用如下（此时材质类型和渲染Pass已经确定）：

材质的GetShader函数首先以当前顶点工厂类型的ID为索引，通过GetMeshShaderMap函数从OrderedMeshShaderMaps成员变量中查询到对应顶点工厂类型的MeshShaderMap，随后调用当前MeshShaderMap的GetShader函数，以当前着色器类型为参数查询，查询到实际对应的着色器。

总结如下：实质上获取一组着色器组合需要的三个变量：渲染Pass、顶点工厂类型和材质类型，这也就不难理解UE4中对资源的组织形式了。

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三、UE4中Shader的生成

1. MaterialShader的编译
在第二部分的内容中已经说清楚了UE4中Shader的组织形式以及具体是怎么去获取，那么接下来的问题就是如何去生成这些Shader，及材质如何编译，产生ShaderMap并缓存起来。

当HLSL代码生成后就需要进入到真正的着色器编译阶段。材质节点图生成的HLSL代码只是一批函数，并不具备完整的着色器信息，这些代码会镶嵌到真正的着色器编译环境中（FShaderCompilerEnvironment），重新编译成最终的ShaderMap中每一个着色器，主要流程如下：

1）保存材质并编译当前材质，触发Shader编译，调用FMaterial::BeginCompileShaderMap()。

2）新建一个ShaderMap实例，调用HLSLTranslator把材质节点翻译成HLSL代码。

3）初始化着色器编译环境，FShaderCompilerEnvironment通过MaterialTraslator::GetMaterialEnvironment初始化实例，主要就是去设置宏。

3.1）根据当前Material的各种属性，初始化各种着色器宏定义，从而控制编译过程中的各种宏开关是否启动。

3.2）根据FHLSLMaterialTranslator在解析过程中得出当前的参数集合，添加参数定义到环境中。

4）开始实际的编译工作

4.1）调用NewShaderMap的Compile函数：
a. 调用FMaterial::SetupMaterialEnvironment函数，设置当前的编译环境，这里面也会去设置各种宏定义。

b. 获取所有顶点工厂类型，对于每一种顶点工厂类型，查看该类型对应的ShaderMap是不是已经被使用，如果被使用就去BeginCompile。

c. BeginCompile函数中会去遍历所有的ShaderType,中间会调到实例类的ModifyCompilationEnvironment,最终调用全局函数GlobalBeginCompileShader，这个全局函数会去填充FShaderCompileJob，包括设置shader格式、usf路径、注入宏等等。

d. 真正执行编译任务的是把所有FShaderCompileJob交给FShaderCompilingManager，并且让其马上执行编译并返回。

2. 如何实现Shader变种？
FMeshMaterialShaderType继承自FShaderType，他存有模板类的两个静态函数指针：ModifyCompilationEnvironment和ShouldCompilePermutation，因此每次遍历我们都可以访问到这两个函数。

上文中的C阶段会先调用ShouldCompilePermutation询问TMobileBasePassPS是否为当前Template、VertexFactory、Material组合编译Shader。

如果需要编译，则调用ModifyCompilationEnvironment注入该当前模板确定的宏，以此实现Shader的变种。

3. GlobalShader的编译
在使用编辑器的时候，经常会有需要改动到Shader文件，并且需要在编辑器中查看效果的需求，与材质编辑器中的材质Shader不一样，材质编辑器提供了编译按钮，对材质的改动都可以保存并编译出Shader保存到ShaderMap中，所以如果改动了目录下的Shader文件怎么告诉引擎去帮我们编译修改后的Shader。

虚幻针对这个功能已经提供了相应的指令：

recompileshaders changed ，recompileshaders global，recompileshaders material ，recompileshaders all，recompileshaders

如果不知道这些指令，一个比较死的办法自然是重启编辑器，让它重编改动过的Shader，当然也可以不重启编辑器来重编这些改动过的Shader，比如使用Recompileshaders changed，这里首先讲通过指令重编的方法，它的具体流程是怎样？

3.1 动态重编Shader 不需要重开编辑器
1）修改Shader文件，保存，在控制台输入Recompileshaders changed。

2）调用RecompileShaders，根据指令的内容进入不同的分支，先去匹配具体的命令内容。

3）寻找过期的Shader文件（改动过的Shader）。

4）如果当前对Shader文件(.usf)没有任何改动，直接返回No Shader changes found，如果有改动，调用BeginRecompileGlobalShaders。
a. 调用FlushRenderingCommands，等待渲染线程执行完所有挂起的渲染命令。

b. 根据当前平台得到GlobalShaderMap，GetGlobalShaderMap（ShaderPlatform），这里也可以看出来不同的ShaderType是存在不同的ShaderMap中的。

c. 从ShaderMap中移除过期的CurrentGlobalShaderType和ShaderPipline（顶点还是像素着色器等等..）的Shader。

d. 调用VerifyGlobalShaders重编ShaderMap中的Shader。

5）完成GlobalShader的重编，调用FinishRecompileGlobalShaders()，该函数会阻塞直到所有的Global Shaders被编译和处理完毕。

3.2 重开编辑器
1）在引擎的preinit函数中调用CompileGlobalShaderMap。

2）新建一个GlobalShaderMap实例。

3）查看Shader缓存DDC中的内容与设定的KeyString是否一致，如果不一致说明缓存中对应部分的内容已经失效了，UE就会去重编这部分内容（对应最开始说到的重编Shader问题），并且去重新生成这部分的DDC。

4）从DDC中反序列化出来GlobalShaderMap实例的内容。

5）接下来就是一些Shader资源的初始化操作。

3.3 UE4中材质Cook保存的是什么
所谓的Cook是指把平台无关的编辑向数据转化为特定平台运行时所需的数据，对于材质来说就是把上述的usf文件和材质连线编译成安卓运行时需要的GLSL源码。

1）Cook Commandlet会首先调用一个Package里面所有的UObject的BeginCacheForCookedPlatformData（const ITargetPlatform *TargetPlatform）方法，该方法由各个UObject派生类各自实现，目的是生成特定所需数据并缓存下来，对于材质来讲就是UMaterial的BeginCacheForCookedPlatformData。

a. 开始为目标平台缓存着色器，并将正在编译的材质资源存储到CachedMaterialResourcesForCooking中。

b. 为当前ShaderFormat/FeatureLevel、QualityLevel生成一个FMaterialResource数组，并调用CacheShadersForResources填充其内容。

2）之后Cook Commandlet会保存该Package，也就是是去执行到UMaterial里面的Serialize方法。
实际上前面部分提到的usf文件和材质连线都通过CacheShadersForResources被转化成了一个个FMaterialResource，所以FMaterialResource到底是什么东西？

在UMaterial能找到如下成员：

结合之前的分析，不难得出UMaterial持有QualityLevelNum * FeatureLevelNum个FMaterialResource，可以通过QualityLevel和FeatureLevel索引到FMaterialResource。

FMaterialResource里有一个关键的成员FMaterialShaderMap，FMaterialShaderMap可以通过FVertexFactoryType::GetId()来索引到FMeshMaterialShaderMap；而FMeshMaterialShaderMap可以通过FShaderType来索引FShader。

因此FMaterialResource里面存放的实际上是FShader的集合，而FShader里面存放的就是最终使用的Shader代码了。

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文末，再次感谢YiQiu的分享，如果您有任何独到的见解或者发现也欢迎联系我们，一起探讨。（QQ群：793972859）

作者主页：https://www.zhihu.com/people/xie-jie-62-1，作者也是U Sparkle活动参与者，UWA欢迎更多开发朋友加入U Sparkle开发者计划，这个舞台有你更精彩！