2.5 Attribute vs Uniform 两条通道

2.5 Attribute vs Uniform 两条通道

本节摘要：送进着色器的数据不是一锅粥。Attribute 按顶点变化，从缓冲读取，是顶点着色器的输入；Uniform 在一次绘制调用内保持不变，由 CPU 在 draw 前写入，VS 和 FS 都能读。varying（或 2.0 的 in/out）则是 VS 写、光栅插值、FS 读的第三通道。把 MVP 矩阵当 Attribute 上传、或把每顶点颜色塞进 Uniform 再循环 draw，都会把通道用反，两端一起变慢。

本节导读

阅读完本节，你应当能够：

1. 用“变化粒度”一句话区分 Attribute、Uniform、varying
2. 说明 vertexAttribPointer 如何把缓冲字节解释成 Attribute
3. 对照 uniformMatrix4fv 与顶点色 Attribute 各自该承载什么
4. 解释实例化绘制如何引入第四种粒度：per-instance Attribute
5. 指出 WebGL1 逐个 Uniform 与 WebGL2 UBO 在 CPU 提交上的差别

粒度决定通道，不是类型决定通道

颜色可以是 Attribute（每个顶点不同），也可以是 Uniform（整网格一个固有色）。矩阵几乎总是 Uniform，但实例化时模型矩阵可以变成 per-instance Attribute。类型（vec3、mat4）不决定通道，一次 draw 里它变不变、按什么单位变才决定。

剧场灯光可以对照：整场戏同一个追光颜色，是 Uniform；每个演员帽子上的 LED 颜色不同，是 Attribute；灯光打在纱幕上被空间混合后进观众眼睛，那层混合像 varying 插值。你不会给每个观众发一份剧场总灯光表的拷贝（那是把 Uniform 错当成 Attribute），也不会让全场帽子强制同色还用换场来模拟彩帽（那是把 Attribute 错当成 Uniform 加多次 draw）。

变化粒度从粗到细：
  Uniform          一次 draw 内全体顶点/片元相同
  per-instance     同一实例内相同，实例之间不同
  Attribute        每个顶点不同
  varying 插值     片元之间不同，由顶点值插出来
  纹理采样         由 UV 决定，粒度可以比几何更细
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两条通道的 API 与合同

Attribute 必须 enable。只 vertexAttribPointer 不 enable，VS 读到的是 Attribute 的当前通用值（vertexAttrib* 设的那个常数）。这是一条隐蔽通道：你可以用它给“没有 VBO 的属性”提供常数，相当于伪 Uniform。偶尔有人靠这个画全红三角形。不要依赖它承载真正的 per-vertex 数据，也不要在 enable 后以为通用值还在——enable 之后走缓冲。

gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vbo);
gl.vertexAttribPointer(locPos, 3, gl.FLOAT, false, 32, 0);
gl.enableVertexAttribArray(locPos);
gl.vertexAttribPointer(locUv, 2, gl.FLOAT, false, 32, 24);
gl.enableVertexAttribArray(locUv);
gl.uniformMatrix4fv(locMVP, false, mvp);
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注意最后一行没有 bind 缓冲。Uniform 不走 ARRAY_BUFFER。这是通道隔离。把矩阵 bufferData 进 VBO 却用 uniformMatrix4fv 去设，或反过来，属于把两根水管接反。

WebGL1 的 Uniform 是一颗颗设的。摄像机矩阵要对每个 program 设一遍，物体多、材质多时，CPU 在 uniformMatrix4fv 上就能忙死。WebGL2 UBO 让一块缓冲被多个 program 共享读取，CPU 写一次相机。这是版本轴在通道上的具体红利。实例化则是 Attribute 通道的加宽：divisor 为 1 时，GPU 每换一个实例才取下一个 Attribute。草地、士兵、碎片适合它；用 Uniform 循环一万次 draw 是把粒度选粗之后用次数硬补。

怎么选通道：先写变化频率表

我在加一个新量之前先填表：每顶点不同？每实例不同？每物体不同？每帧全局不同？答案分别指向 Attribute、instance Attribute、Uniform（物体）、Uniform（全局，可 UBO）。纹理是“表面细节比几何密”时的逃逸口：不要为了墙污渍把顶点拆到像素级。

引擎把 Attribute 藏在几何对象，Uniform 藏在材质与灯光。出 bug 时仍要问粒度。材质颜色改了所有共用该材质的物体都变，那是 Uniform 共享；只有某网格的顶点色变，那是 Attribute。场景图泄漏时，这张粒度表比“在哪点了属性面板”更管用。

⚠️ 常见坑：uniform 矩阵忘记 useProgram 就上传。数据写进了上一个 program 的槽，当前物体用的是旧矩阵或零。通道对了，目标 program 不对，等于寄错仓库。

💡 关键直觉：通道是带宽与提交次数的开关。越细的粒度越吃顶点拉取；越粗的粒度越可能逼你增加 draw。选错不会报“通道错误”，只会又慢又丑。

varying 的插值让三角形内部的法线是三个顶点法线的混合，这才有平滑着色。若 CPU 组装时每个面拆出自己的顶点、法线取面法线，插值仍发生，但三个顶点法线相同，于是看起来是平坦着色。这不是 FS 写错，是 Attribute 里装的粒度已经是“每面”而不是“每平滑顶点”。对照第 2.2 节硬边拆点：那是 Attribute 粒度的几何后果。

问题：能不能把所有东西都做成纹理？

能，这是“超大 Uniform”的逃逸：把骨骼矩阵打进纹理，VS 里采样。WebGL1 在 VS 采样有限制，WebGL2 宽松些。这把通道换成了纹理，粒度变成“按整数 UV 取矩阵”。当 Uniform 数量触顶、或实例数据太大塞不进 Attribute 时才值得。默认别把通道表简化成“全部贴图”，采样延迟和精度是另一张账单。

第一个三角形用 Attribute 传位置和颜色，Uniform 传 MVP（哪怕是单位矩阵）。刻意不要把颜色当 Uniform。这样你能在调试器里看见两条通道都工作。再做一个整网格变色，把颜色改 Uniform，对比 draw 次数与代码行数。通道一旦建立手感，后面光照和蒙皮只是往表里加行。

实例化、UBO、纹理，三种“把粒度调粗或调细”的手段

当物体数涨到成千上万、几何相同、变换不同，Uniform 每物体提交变成 CPU 灾难。实例化把模型矩阵或颜色变成 per-instance Attribute，一次 draw 吃完。粒度从“每物体一次 draw”调到“每实例一行数据”。数据仍可能由 CPU 每帧更新实例仓，但 draw 税没了。实例仓的写入策略回到 2.3：若变换每帧全变，STREAM；若只有一部分活着，考虑分块 SubData。

UBO 把粒度往粗调：相机 VP、雾参数、光照全局项，多 program 共享。CPU 写一次。WebGL1 没有它，只能重复 uniform 调用。迁 2.0 却不建 UBO，等于把最肥的全局数据仍按 program 撒。优先把相机放进 UBO，收益立刻可见。物体固有色仍留独立 Uniform 或材质 UBO，看你们的绑定模型。

纹理把粒度调到比顶点更细。墙污渍不要拆顶点，要 UV。骨骼特别多时矩阵进纹理，是把 Uniform 数组溢出逃到采样。逃逸有代价：VS 采样限制、精度、缓存。先填频率表，表上没有“塞不下”再逃。乱逃会让通道表无法阅读，新人会把所有东西做成贴图，包括 MVP。

位置查询失败返回 -1。对 -1 调用 uniform 是静默空操作。拼错名字时画面用零矩阵，物体消失，日志没有。启动时断言 location 有效，是 CPU 合同检查，便宜且救命。引擎有时把未使用 Uniform 优化掉，location 也是 -1。这不是 bug，是链接器认为它没参与。调试时在着色器里真用一下该变量，或关掉优化，对照后再删。

默认值、禁用属性、以及程序切换时的脏 Uniform

切换 program 后，Uniform 不会从上一份程序带过来。每份程序有自己的槽。你必须给当前程序需要的槽赋值。漏赋则用驱动默认，常常是 0，物体在原点或黑色。CPU 侧按 program 缓存一份“上一帧已上传的 VP”，变了才写，没变可跳过。跳过是优化；漏写是 bug。先保证每 draw 前必要槽有效，再做脏标记。脏标记写错会比每次上传更难查。

禁用的 Attribute 走当前通用值。实例化时若某实例属性 disable，所有实例同值。这可以用来给“没有 per-instance 色”的网格提供白。混用 enable 状态时，VAO 会记下 enable。切 VAO 等于切 enable 集合。以为全局 enable 还在，其实 VAO 把它关了。调试属性问题先看 VAO 是否绑定正确，再看指针。通道问题多半是绑错对象，不是 GLSL 写错。

对照问答：-1 位置、实例化、脏标记

location 为 -1 为什么不报错？

规范允许对 -1 的 uniform 调用变成空操作。拼错名字、被链接器优化掉、用了错的 program，都会 -1。启动时断言必要槽不是 -1。调试版打印所有查询结果。生产版至少对 MVP 与采样器断言。物体消失先打 location，再怀疑矩阵数学。

实例化后颜色全错？

divisor 没设或 VAO 没记录实例缓冲。实例色被当成顶点色，前几个顶点吃掉实例表，后面读越界。先画两个实例、用显眼的红绿，确认每个实例整块同色，再扩数量。实例矩阵若按行主序上传，会再叠一层 3.1 的合同错误。一次只验证一个通道。

脏标记上传漏了相机怎么办？

所有物体用旧 VP，表现为整体滞后或第一帧错位。脏标记要在相机更新处置位，不要只在物体移动处置位。更稳的是每帧上传全局 UBO 一次，物体级才脏标记。全局数据量小，省不了几个调用，却能避免整场景错一帧。先稳后省。

工程备忘：布局表贴在 VAO 旁

每个 VAO 建立处贴一张表：属性名、location、size、type、stride、offset、divisor。表与 packed 数据生成器共用同一份常量。生成器改了 offset，表不改，就会出现法线吃位置的经典事故。Code review 只看这张表比看一串 magic number 快。Uniform 块同理：全局相机一份、物体一份、材质一份。命名前缀 uView、uModel、uMat，避免两份 program 同名不同含义。同名不同含义时，脏标记会把错误值当命中。前缀是通道卫生。

通道表应出现在每个新效果的设计文档第一页。没有表就不准写代码。表能阻止把时间塞进 Attribute、把顶点色塞进一万次 Uniform。实例化验收用红绿两实例，颜色错立刻可见。UBO 验收改一次相机，所有 program 跟着动，有一个没动就是没绑到同一块。脏标记先不做，等 profiler 证明 uniform 上传占主线程再做。过早脏标记的 bug 比上传更难查。location 断言做成 debug 构建默认开、release 关。release 仍应对 MVP 与采样器断言，这两类失败画面是空的，空比错更无信息。空的时候用户以为没加载，其实是通道寄错仓库。

通道验收不要一次上齐。先只有位置 Attribute 与 MVP Uniform 画出白色物体，再加 UV，再加实例色。每一步能指出新通道是否工作。齐上时错了要二分，浪费的正是这把尺。采样器也是 Uniform，整数槽位与纹理单元必须同号。同名不同号会导致串味，串味像贴图错，其实是通道寄错单元。启动打印 program 的槽表，能把这类问题从夜晚提前到加载条。

温故知新

• 粒度决定通道：draw 内不变走 Uniform，每顶点变走 Attribute，片元变走插值或纹理。
• API 隔离：指针与 enable 管 Attribute；gl.uniform* 管 Uniform，不绑 VBO。
• enable 改变语义：开启后走缓冲，关闭时走通用顶点属性值。
• UBO 与实例化：分别减 CPU 重复提交、减 draw 次数，是通道加宽不是新管线。
• 引擎映射：材质≈Uniform 集，几何≈Attribute 布局；共享材质就是共享 Uniform。
• 先填频率表再写代码：比事后用性能工具猜通道更便宜。

下一节对照纹理这条更细的通道：CPU 如何把图像变成像素仓库，GPU 如何按 UV 采样。