UBO 内存布局策略

UBO 内存布局策略

Cocos Shader 规定，所有非 sampler 类型的 uniform 都应以 UBO（Uniform Buffer Object/Uniform Block）形式声明。

以内置着色器 builtin-standard.effect 为例，其 uniform block 声明如下：

uniform Constants {
    vec4 tilingOffset;
    vec4 albedo;
    vec4 albedoScaleAndCutoff;
    vec4 pbrParams;
    vec4 miscParams;
    vec4 emissive;
    vec4 emissiveScaleParam;
  };

并且所有的 UBO 应当遵守以下规则：

不应出现 vec3 成员；
对数组类型成员，每个元素 size 不能小于 vec4；
不允许任何会引入 padding 的成员声明顺序。

Cocos Shader 在编译时会对上述规则进行检查，以便在导入错误（implicit padding 相关）时及时提醒修改。

这可能听起来有些过分严格，但背后有非常务实的考量：
首先，UBO 是渲染管线内要做到高效数据复用的唯一基本单位，离散声明已不是一个选项；
其次，WebGL2 的 UBO 只支持 std140 布局，它遵守一套比较原始的 padding 规则1：

所有 vec3 成员都会补齐至 vec4：

uniform ControversialType {
  vec3 v3_1; // offset 0, length 16 [IMPLICIT PADDING!]
}; // total of 16 bytes

任意长度小于 vec4 类型的数组和结构体，都会将元素补齐至 vec4：

uniform ProblematicArrays {
  float f4_1[4]; // offset 0, stride 16, length 64 [IMPLICIT PADDING!]
}; // total of 64 bytes

所有成员在 UBO 内的实际偏移都会按自身所占字节数对齐2：

uniform IncorrectUBOOrder {
  float f1_1; // offset 0, length 4 (aligned to 4 bytes)
  vec2 v2; // offset 8, length 8 (aligned to 8 bytes) [IMPLICIT PADDING!]
  float f1_2; // offset 16, length 4 (aligned to 4 bytes)
}; // total of 32 bytes
uniform CorrectUBOOrder {
  float f1_1; // offset 0, length 4 (aligned to 4 bytes)
  float f1_2; // offset 4, length 4 (aligned to 4 bytes)
  vec2 v2; // offset 8, length 8 (aligned to 8 bytes)
}; // total of 16 bytes

这意味着大量的空间浪费，且某些设备的驱动实现也并不完全符合此标准3，因此目前 Cocos Shader 选择限制这部分功能的使用，以帮助排除一部分非常隐晦的运行时问题。

再次提醒：uniform 的类型与 inspector 的显示和运行时参数赋值时的程序接口可以不直接对应，通过 property target 机制，可以独立编辑任意 uniform 的具体分量。

OpenGL 4.5, Section 7.6.2.2, page 137 ↩

注意在示例代码中，UBO IncorrectUBOOrder 的总长度为 32 字节，实际上这个数据到今天也依然是平台相关的，看起来是由于 GLSL 标准的疏忽，更多相关讨论可以参考这里。↩

Interface Block - OpenGL Wiki：https://www.khronos.org/opengl/wiki/Interface_Block_(GLSL)#Memory_layout#Memory_layout)↩