Metal語言規(guī)范

??Metal著?語?是?個?來編寫3D圖形渲染邏輯和并?計算核?邏輯的編程語?,編寫Metal框架的APP需要使?Metal 著?語?程序。
??Metal 著?語? 與 Metal 框架配合使?,Metal 框架管理Metal著?語?的運?和可選編譯選項. Metal 著?器語?使?Clang和LLVM,編譯器對于在GPU上的代碼執(zhí)?效率有更好的控制。

Metal語言的限制

C++ 11.0 特性在Metal 語?中不?持之處
- Lambda 表達式
- 遞歸函數(shù)調?
- 動態(tài)轉換操作符
- 類型識別
- 對象創(chuàng)建new 和銷毀delete 操作符
- 操作符 noexcept
- goto 跳轉
- 變量存儲修飾符register 和 thread_local
- 虛函數(shù)修飾符
- 派?類
- 異常處理
- C++ 標準庫在Metal 語?中也不可使?
Metal 語?中對于指針使?的限制
- Metal圖形和并?計算函數(shù)?到的?參數(shù); 如果是指針必須使?地址空間修飾符 (device,threadgroup,constant)
- 不?持函數(shù)指針
- 函數(shù)名不能出現(xiàn)main
Metal 像素坐標系統(tǒng): Metal 中紋理/幀緩存區(qū)attachment 的像素使?的坐標系統(tǒng)的原點是左上 ?;

Metal數(shù)據(jù)類型

bool 布爾類型, true/false
char 有符號8位整數(shù)
unsigned char /uchar ?符號8-bit 整數(shù)
short 有符號16-bit整數(shù)
unsigned short / ushort ?符號32-bit 整數(shù)
half 16位bit 浮點數(shù)（沒有double類型）
float 32bit 浮點數(shù)
size_t 64 ?符號整數(shù)
void 該類型表示?個空的值集合

Metal數(shù)據(jù)類型.png

Metal向量與矩陣

向量支持如下類型:
- booln
- charn
- shortn
- intn
- ucharn
- ushortn
- uintn
- halfn
- floatn

向量中的n,指的是維度

例如,n=4的時候，我們可以用int4表示一個4維向量

// int型的4維向量
int4 test = int4(0,1,2,3);

向量的相關操作
獲取其中的元素

//向量可以通過x,y,z,w或者r,g,b,a來訪問屬性，但是x,y,z,w和r,g,b,a不能混合使用
int4 test = int4(0,1,2,3);
//x表示第一個元素
int a = test.x;
//y表示第二個元素
int b = test.y;
//z表示第三個元素
int c = test.z;
//w表示第四個元素
int d = test.w;

//r表示第一個元素
int e = test.r;
//g表示第二個元素
int f = test.g;
//b表示第三個元素
int g = test.b;
//a表示第四個元素
int h = test.a;

獲取其中元素組成的向量

//2維向量
int2 test1 = test.xy;
//3維向量
int3 test1 = test.xyz;

向量賦值

float4 pos = float4(1.0f,2.0f,3.0f,4.0f);
//向量讀取可以亂序
float4 swiz = pos.wxyz;  //swiz = (4.0,1.0,2.0,3.0);
//向量讀取可以重復
float4 dup = pos.xxyy;  //dup = (1.0f,1.0f,2.0f,2.0f);
//pos = (5.0f,2.0,3.0,6.0)
pos.xw = float2(5.0f,6.0f);
//pos = (8.0f,2.0f,3.0f,7.0f)
pos.wx = float2(7.0f,8.0f);
//pos = (3.0f,5.0f,9.0f,7.0f);
pos.xyz = float3(3.0f,5.0f,9.0f);
//非法,x出現(xiàn)2次
pos.xx = float2(3.0,4.0f);
//不合法-使用混合限定符
pos.xy = float4(1.0f,2.0,3.0,4.0);

矩陣支持如下類型:
- halfnxm
- floatnxm
  nxm分別指的是矩陣的?數(shù)和列數(shù)（最大為4*4）

float4x4 m;
//將第二排的值設置為0
m[1] = float4(2.0f);
//設置第一行/第一列為1.0f
m[0][0] = 1.0f;
//設置第三行第四列的元素為3.0f
m[2][3] = 3.0f;

紋理Textures 類型

紋理類型是?個句柄, 它指向?個?維/?維/三維紋理數(shù)據(jù)

枚舉值: 定義了訪問權利

enum class access {sample ,read ,write};

sample : 紋理對象可以被采樣. 采樣?維這是使?或不使?采樣器從紋理中讀取數(shù)據(jù);
read : 不使?采樣器, ?個圖形渲染函數(shù)或者?個并?計算函數(shù)可以讀取紋理對象;
write: ?個圖形渲染函數(shù)或者?個并?計算函數(shù)可以向紋理對象寫?數(shù)據(jù);

紋理表達式

//一維紋理
texture1d<T, access a = access::sample> 
//二維紋理
texture2d<T, access a = access::sample>
//三維紋理 
texture3d<T, access a = access::sample>

T : 數(shù)據(jù)類型設定了從紋理中讀取或是向紋理中寫?時的顏?類型. T可以是half, float, short, int 等;

 //當access為sample類型時，access a = access::sample可以省略
 void foo (texture2d<float> imgA [[ texture(0) ]] , texture2d<float, access::read> imgB [[ texture(1) ]], texture2d<float, access::write> imgC [[ texture(2) ]])
  {  ...  }

采樣器Samplers類型

采取器類型決定了如何對?個紋理進?采樣操作. 在Metal 框架中有?個對應著?器語?的采樣器的對象 MTLSamplerState 這個對象作為圖形渲染著?器函數(shù)參數(shù)或是并?計算函數(shù)的參數(shù)傳遞;

從紋理中采樣時,紋理坐標是否需要歸?化

enum class coord { normalized, pixel };

紋理采樣過濾?式, 放?/縮?過濾模式

enum class filter { nearest, linear };

設置紋理采樣的縮?過濾模式

enum class min_filter { nearest, linear };

設置紋理采樣的放?過濾模式

enum class mag_filter { nearest, linear };

設置紋理s,t,r坐標的尋址模式

enum class s_address { clamp_to_zero, clamp_to_edge, repeat, mirrored_repeat }; enum class t_address { clamp_to_zero, clamp_to_edge, repeat, mirrored_repeat }; enum class r_address { clamp_to_zero, clamp_to_edge, repeat, mirrored_repeat };

設置所有的紋理坐標的尋址模式

enum class address { clamp_to_zero, clamp_to_edge, repeat, mirrored_repeat };

-設置紋理采樣的mipMap過濾模式, 如果是none,那么只有?層紋理?效

enum class mip_filter { none, nearest, linear };

注意: 在Metal 程序中初始化的采樣器必須使? constexpr 修飾符聲明

代碼示例

constexpr sampler s(coord::pixel,address::clamp_to_zero, filter::linear);

函數(shù)修飾符

Metal 有以下3種函數(shù)修飾符:

kernel , 表示該函數(shù)是?個數(shù)據(jù)并?計算著?函數(shù). 它可以被分配在?維/?維/三維線程組中去執(zhí)?;

 kernel void foo(...)  
{
  ...  
}

注意: 使?kernel 修飾的函數(shù). 其返回值類型必須是void 類型;

vertex , 表示該函數(shù)是?個頂點著?函數(shù) , 它將為頂點數(shù)據(jù)流中的每個頂點數(shù)據(jù)執(zhí)??次然后為每個頂點?成數(shù)據(jù)輸出到繪制管線;

//頂點函數(shù)
vertex int CCTestVertexFunctionB(int a,int b)
{
    ...  
}

fragment , 表示該函數(shù)是?個?元著?函數(shù), 它將為?元數(shù)據(jù)流中的每個?元和其關聯(lián)執(zhí)??次然后將每個?元?成的顏?數(shù)據(jù)輸出到繪制管線中;

//片元函數(shù)
fragment int CCTestVertexFunctionB(int a,int b)
{
    ...
}

只有圖形著?函數(shù)才可以被 vertex 和 fragment 修飾.
對于圖形著?函數(shù), 返回值類型可以辨認出它是為頂點做計算還是為每像素做計算.
圖形著?函數(shù)的返回值可以為 void , 但是這也就意味著該函數(shù)不產?數(shù) 據(jù)輸出到繪制管線; 這是?個?意義的動作;

?個被函數(shù)修飾符修飾的函數(shù)不能在調?其他也被函數(shù)修飾符修飾的函數(shù); 這樣會導致編譯失敗;
即kernel、vertex、fragment之間無法相互調用

kernel void hello(...)
{ ... } 

vertex float4 hello1(...)
{ 
 //?個被函數(shù)修飾符修飾的函數(shù)不能在調?其他也被函數(shù)修飾符修飾的函數(shù); 這樣會 導致編譯失敗; 
 hello(...); 
//錯誤調?? 
}

?于變量或者參數(shù)的地址空間修飾符

??Metal 著?器語?使?地址空間修飾符來表示?個函數(shù)變量或者參數(shù)變量被分配于那??內存區(qū)域.
??所有的著?函數(shù)(vertex, fragment, kernel)的參數(shù),如果是指針或是引?, 都必須帶有地址空間修飾符號;

device
threadgroup
constant
thread

對于圖形著?器函數(shù), 其指針或是引?類型的參數(shù)必須定義為 device 或是 constant 地址空間;
對于并?計算著?函數(shù), 其指針或是引?類型的參數(shù)必須定義為 device 或是 threadgroup 或是 constant 地址空間;

Device Address Space(設備地址空間)

??在設備地址空間(Device)指向設備(此處設備指的是顯存)內存池分配出來的緩存對象, 它是可讀也是可寫的;
???個緩存對象可以被聲明成?個標量,向量或是?戶?定義結構體的指針或是引?。
??由于device修飾的變量存放在顯存中，所以讀取速度會比放在內存中要快。

 //device修飾4維向量的顏色
 device float4 *color;

struct Foo {  
float a[3]; 
int b[2];  
}; 
//device修飾結構體
device Foo *my_info;

注意: 紋理對象總是在設備地址空間分配內存, device 地址空間修飾符不必出現(xiàn)在紋理類型定義中. ?個紋理對象的內容?法直接訪問. Metal 提供讀寫紋理的內建函數(shù);

threadgrounp Address Space (線程組地址空間)

??線程組地址空間?于為并?計算著?函數(shù)分配內存變量. 這些變量被?個線程組的所有線程共享. 在線程組地址空間分配的變量不能被?于圖形繪制著?函數(shù)[頂點著?函數(shù), ?元著?函數(shù)]
??在并?計算著?函數(shù)中, 在線程組地址空間分配的變量為?個線程組使?, 聲明周期和線程組相同;

 kernel void my_func(threadgroup float *a [[ threadgroup(0) ]], ...){
     threadgroup float x;
     threadgroup float b[10];
}

constant Address Space (常量地址空間)

??常量地址空間指向的緩存對象也是從設備內存池分配存儲, 但是它是只讀的;
??在程序域的變量必須定義在常量地址空間并且聲明的時候初始化; ?來初始化的值必須是編譯時的常量.
??在程序域的變量的?命周期和程序?樣, 在程序中的并?計算著?函數(shù)或者圖形繪制著?函數(shù)調?, 但是constant 的值會保持不變;

注意: 常量地址空間的指針或是引?可以作為函數(shù)的參數(shù). 向聲明為常量的變量賦值會產?編譯錯誤. 聲明常量但是沒有賦予初值也會產?編譯錯誤;

  //定義一個常量samples
  constant float samples[] = { 1.0f, 2.0f, 3.0f, 4.0f };
  //對?個常量地址空間的變量進?修改也會失敗,因為它只讀的
  sampler[4] = {3,3,3,3}; //編譯失敗;
   //定義為常量地址空間聲明時不賦初值也會編譯失敗
  constant float a;

thread Address Space (線程地址空間)

??thread 地址空間指向每個線程準備的地址空間, 這個線程的地址空間定義的變量在其他線程不可?, 在圖形繪制著?函數(shù)或者并?計算著?函數(shù)中聲明的變量thread 地址空間分配;

kernel void my_func(...)
{
      float x;
      thread float p = &x;
}

函數(shù)參數(shù)與變量

??圖形繪制或者并?計算著?器函數(shù)的輸?輸出都是通過參數(shù)傳遞. 除了常量地址空間變量和程序域定義的采樣器以外.

device buffer- 設備緩存, ?個指向設備地址空間的任意數(shù)據(jù)類型的指針或者引?;
constant buffer -常量緩存區(qū), ?個指向常量地址空間的任意數(shù)據(jù)類型的指針或引?
texture - 紋理對象;
sampler - 采樣器對象;
threadGrounp - 在線程組中供各線程共享的緩存.

對于每個著?器函數(shù)來說, ?個修飾符是必須指定的. 他?來設定?個緩存,紋理, 采樣器的位置;

device buffers/ constant buffer --> [[buffer (index)]]
texture -- [[texture (index)]]
sampler -- [[sampler (index)]]
threadgroup buffer -- [[threadgroup (index)]]

index是?個unsigned integer類型的值，它表示了?個緩存、紋理、采樣器參數(shù)的位置(在函數(shù)參數(shù)索引表中的位置,相當于GLSL中的Location)。從語法上講，屬性修飾符的聲明位置應該位于參數(shù)變量名之后

kernel void add_vectors(const device float4 *inA [[ buffer(0) ]],  
const device float4 *inB [[ buffer(1) ]],  
device float4 *out [[ buffer(2) ]],  
uint id [[ thread_position_in_grid ]])
{
    //thread_position_in_grid : ?于表示當前節(jié)點在多線程?格中的位置;由Metal自行進行傳遞
    out[id] = inA[id] + inB[id];
}

[[ buffer(index) ]]中的index不能和其他的相同，否則會覆蓋掉之前的數(shù)據(jù)

內建變量屬性修飾符

[[vertex_id]] 頂點id 標識符;
[[position]] 頂點信息(float4) / 在片元著色器中描述了?元的窗?相對坐標(x, y, z, 1/w)
[[point_size]] 點的??(float)
[[color(m)]] 顏?, m編譯前得確定;（有可能在一個函數(shù)中，會出現(xiàn)多種顏色，用m進行區(qū)分）
[[stage_in]] : ?元著?函數(shù)使?的單個?元輸?數(shù)據(jù)是由頂點著?函數(shù)輸出然后經過光柵化?成的.頂點和?元著?函數(shù)都是只能有?個參數(shù)被聲明為使?“stage_in”修飾符，對于?個使? 了“stage_in”修飾符的? 定義的結構體，其成員可以為?個整形或浮點標量，或是整形或浮點向量

[[stage_in]]表示從頂點著色器中經過圖元裝配、光柵化等操作后傳遞給片元著色器的數(shù)據(jù)。類似于GLSL中的Varying。

 struct MyFragmentOutput { 
    // color attachment 0
    float4 clr_f [[color(0)]]; 
    // color attachment 1
    int4 clr_i [[color(1)]]; 
    // color attachment 2
    uint4 clr_ui [[color(2)]]; 
};

fragment MyFragmentOutput my_frag_shader( ... )
{
    MyFragmentOutput f;
    ....
    f.clr_f = ...;
    ....
    return f;
}

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Metal著色器語言(Metal Shading Language)

Metal著色器語言(Metal Shading Language)

Metal語言規(guī)范

Metal語言的限制

Metal數(shù)據(jù)類型

Metal向量與矩陣

紋理Textures 類型

采樣器Samplers類型

函數(shù)修飾符

?于變量或者參數(shù)的地址空間修飾符

Device Address Space(設備地址空間)

threadgrounp Address Space (線程組地址空間)

constant Address Space (常量地址空間)

thread Address Space (線程地址空間)

函數(shù)參數(shù)與變量

內建變量屬性修飾符

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Metal著色器語言(Metal Shading Language)

Metal語言規(guī)范

Metal語言的限制

Metal數(shù)據(jù)類型

Metal向量與矩陣

紋理Textures 類型

采樣器Samplers類型

函數(shù)修飾符

?于變量或者參數(shù)的地址空間修飾符

Device Address Space(設備地址空間)

threadgrounp Address Space (線程組地址空間)

constant Address Space (常量地址空間)

thread Address Space (線程地址空間)

函數(shù)參數(shù)與變量

內建變量屬性修飾符

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