2.2 控制流、函数与存储限定符

2.2 控制流、函数与存储限定符

本节摘要：GLSL 的函数语法接近 C，但控制流的代价模型完全不同——分支的开销取决于"组内线程是否走同一条路"，而不是判断本身。本节讲清分支与循环的真实成本、函数的参数限定符，以及 in/out/uniform 这组决定数据通道的关键字——它们是读懂一切着色器模板的钥匙。

分支不是免费的

CPU 程序员的直觉是"if 判断很便宜"。GPU 上这个直觉必须修正。着色器线程是成组调度的：一批线程锁步执行同一指令序列。遇到分支时，硬件把组内两条路径都走一遍，每个线程按自己的条件"假装"执行不属于它的那条路——术语叫分支发散。组内条件越杂，浪费越大。

// 反例：按片元条件分支，同一批线程条件各异，两条路都要走
if (texture(uTex, vUv).r > 0.5) {
    color = color * 1.5;
} else {
    color = doExpensiveCalc(color);
}
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上面这段代码在最坏情况下等于把便宜路径和昂贵路径都执行一遍。改写思路有两种：用混合函数把分支抹平，或者确认条件在整组线程上一致。

// 改法一：无分支化，用 step 得到 0 或 1 的权重做插值
float k = step(0.5, texture(uTex, vUv).r);
color = mix(doExpensiveCalc(color), color * 1.5, k);

// 改法二：uniform 条件分支是安全的——所有线程看到同一个值，方向必然一致
if (uEnableVignette) {
    color *= vignetteFactor(vUv);
}
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step 配 mix 的无分支写法是片元着色器的日常武器，第 4 章会大量使用。判断分支是否值得写，只需要问一句：条件对所有线程是否同值？同值（uniform、常量）放心写；异值（依赖纹理、依赖插值属性）尽量无分支化。循环的规矩类似：循环边界是常量或 uniform 时，驱动能展开优化；边界依赖逐线程数据的循环则要慎用，且 GLSL 不保证动态循环的高效实现。

函数写法与参数限定符

GLSL 函数与 C 函数神似，但有三条硬约束：不支持递归（调用栈在 GPU 上是奢侈品）、所有函数必须在使用前声明或定义、返回值不能是数组。日常写法如下：

// 工具函数：求亮度（人眼对各通道敏感度不同，权重不相等）
float luminance(vec3 c) {
    return dot(c, vec3(0.2126, 0.7152, 0.0722));
}

// 参数限定符：in（默认，值传入）、out（结果传出）、inout（双向）
void expandUV(inout vec2 uv, float scale) {
    uv = (uv - 0.5) * scale + 0.5;    // 以中心为基准缩放 UV
}
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inout 参数是 GLSL 里少数能"修改调用者变量"的手段，相当于 C 里的传指针但语法更干净。工具函数的积累非常重要：成熟的着色器工程师都有一份自己的小函数库（亮度、哈希噪声、旋转矩阵、雾混合），第 4 章的数学工具箱会帮你攒起第一批。

💡 关键直觉：把着色器函数当"纯数学函数"设计——不改全局状态、不依赖执行历史，同输入必同输出。这个习惯能避开绝大多数着色器调试噩梦，也为将来迁移到 compute 场景打好底子。

存储限定符：给数据声明来路

一个变量前的限定符，宣告的是它站在哪条数据通道上。这是 GLSL 与普通语言差异最大的地方，用一张表对齐：

把两个着色器的 in/out 想成插头与插座：顶点着色器 out vec2 vUv; 声明了一个插座，片元着色器 in vec2 vUv; 必须提供匹配的插头——名字相同、类型相同，缺一不可。链接器会做匹配检查，对不上直接报链接错误。数据在两站之间经历插值：顶点处的值在三角形表面上按重心坐标线性混合后交给每个片元，这一机制是第 4 章的主角。

uniform 则是全体线程共享的只读常量，CPU 在绘制前上传，绘制期间不变。它是 CPU 与 GPU 之间最重要的参数通道：时间、相机矩阵、光源参数全走这里。误用 uniform 当可写变量是新手高频错误——尝试在着色器里给 uniform 赋值，编译器会直接拒绝，这是好事，说明通道语义被语言强制了。

// 顶点着色器：完整的通道视角
#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos;    // in：顶点缓冲流入，location 对应 CPU 侧绑定
layout (location = 1) in vec2 aUv;

uniform mat4 uMVP;                      // uniform：CPU 上传，全体顶点共用

out vec2 vUv;                           // out：流向片元着色器的插座

void main() {
    vUv = aUv;
    gl_Position = uMVP * vec4(aPos, 1.0);
}
​

顺带交代历史包袱：老教程里的 attribute 与 varying 分别是 in（顶点阶段）与 out/in（跨阶段）的旧名，GLSL 3.30 起全面换成现代写法。看老代码时在脑子里做个替换映射即可，新代码一律用现代限定符。

三问三答

问：GLSL 有标准库吗？想排序、查字符串怎么办？ 没有也不需要。着色器函数库是数学向的（三角、指数、向量、矩阵），字符串与容器这类 CPU 概念在 GPU 上没有立足点。真需要复杂数据处理，那是 CPU 的活，处理好再把结果喂进来——着色器只做它擅长的数值变换。

问：两个着色器阶段能用同一个函数吗？ 可以，把工具函数放进公共源码字符串，编译顶点与片元着色器时各自拼接进去。工程里常见的组织方式是"公共头"——噪声函数、颜色空间转换、旋转矩阵这类通用件集中维护，各阶段按需引入。注意GLSL 没有真正的链接器，重复引入同名函数会直接编译报错。

问：uniform 数量有上限吗？ 有，且各平台不一：移动端常见 256 个 vec4 的量级，桌面宽裕得多。超限的症状是编译或链接报错，也可能静默失败。参数多的材质应该优先改用纹理存参数（查表思路）或常量块分池——这也是引擎里"材质参数面板"背后做结构设计的原因。

本节要点回顾

• 分支看一致性：uniform 条件放心分支，逐线程条件优先 step 加 mix 无分支化；
• 循环看边界：常量或 uniform 边界可被优化，逐线程动态边界慎用；
• 函数三约束：无递归、先声明后使用、返回值不能是数组；inout 参数是修改调用者变量的合法通道；
• 限定符即通道：in 收上游、out 交下游、uniform 接 CPU、const 编译期定死；
• 跨阶段配对：顶点 out 与片元 in 必须名字类型双匹配，中间自动发生插值。

语法工具齐了。下一章进入顶点着色器的正面战场：坐标变换与 MVP 矩阵。