GLSL之Uniform限制符

前言：

本文的主要内容是对存储限制符Uniform进行详细介绍，包括基本概念以及具体使用。

一、uniform限定符特性介绍

uniform修饰的变量为用户传递给着色器的数据，它在所有可用的着色阶段都是不变的，它必须定义为全局变量，并且存储在程序对象（Program Object）中。

uniform可以修饰任意类型以及任意类型的聚合类型，包括结构体、数组和不透明类型等。

在着色器中，无法写入到uniform变量，也无法改变它的值（对uniform变量进行写操作会导致编译错误），但是可以在定义时进行初始化操作，之后计算时就会用到初始化的值，直到这个值通过应用程序的API调用被修改。

注意：有一些平台可能不能正确实现初始化工作，所以尽量还是由应用程序传入数据。（我自己在windows上试了一下，如果我指定了一个初始化值，那么这个uniform变量虽然能够被正确初始化为给定的值，但是不能获得正确的位置，也就无法从应用程序中传递数据）

二、显式指定uniform变量的位置(Explicit uniform location)

1.指定变量

定义在uniform block之外的uniform变量都有一个位置，它可以在着色器中直接指定，例如：

layout (Location=2) uniform float scale=0.5f;

在上述代码中，就把scale变量的位置指定为了2。

在一个应用程序中，Location应当是唯一的，也就是我们不能给两个不同的uniform变量相同的Location。但是如果在不同的着色器阶段有两个相同类型相同名称的变量，那么它们的Location必须指定为相同的，否则将导致链接错误。 

ARB_explicit_uniform_location:这是显示指定uniform位置的扩展库，只有包含该扩展库或者在OpenGL3.3版本以后才可以使用，需要在着色器中添加一下代码：

#extension GLARB_explicit_uniform_location : enable

 也就是在该着色器中启用扩展，否则，编译器就会报错，Location qualifier not supported !

2.数组及结构体类型的变量的位置的指定与查询：除了数组和结构体类型的变量，其它变量每次只分配一个位置，而数组和结构体类型因为包含了更多的变量，所以它被分配一组位置。

数组和结构体类型的位置分配，将会被分配一组按顺序增长的位置，起始位置为自己指定的位置。

layout (Location=4) uniform float array[5];

上述代码，为数组array指定了起始位置4，剩余的元素将会依次递增，最终该数组将占据4到8共计5个位置，在查询的过程中我们可以直接使用数组名array查询，也可以使用各个元素的索引，也就是array[0]、array[1]等等。

对于结构体类型的变量，我们不能通过相关函数直接查询它的位置，只能够查询其变量内部各个元素的位置。

struct Obj{
    vec4 array[3];
    float scale;
};
layout (Location=2) uniform Obj obj; 
layout (Location=2) uniform Obj some_objs[3]; 

上述代码中，obj对象占据4个位置，但是我们无法查询obj的位置（结果返回-1），但是可以查询内部元素obj.scale；some_objs一共占据了12个位置，因为一个结构体占据了4个位置，其中第一个数组占据前三个位置，第二个变量占据第四个位置，如果要查询结构体数组，我们就需要通过数组内每个元素的索引值查询，比如我们可以查询some_objs[1].scale，但是我们不能查询some_obj[1]，因为some_obj[1]是一个结构体类型，不可以被查询。

注意：在应用过程中，由于两个变量不能拥有相同的Location，所以在为结构体和数组指定Location时要格外注意。

3.Location最大数量限制

在单个程序中，可用的Location数量是有限制的，最大数量为GL_MAX_UNIFORM_LOCATIONS（至少有1024个Location），所有变量位置的范围都应该在0到GL_MAX_UNIFORM_LOCATION-1之间。

//uniform数量限制
GLint uniformLocations;
glGetIntegerv(GL_MAX_UNIFORM_LOCATIONS, &uniformLocations);
cout << "uniformLocations:	" << uniformLocations << endl;	//uniformLocations:	4096

三、激活的uniform变量(Active Uniform)

glsl的编译器和链接器为了保证效率，会尽量删除掉那些对阶段输出没有影响的代码，所以一个定义的uniform变量在链接后的程序中未必是可用的。如果一个uniform变量在链接后的程序中可用，那么我们称之为激活的，否则，它就是未激活的，未激活的变量在链接程序中将不会有任何用处，因为链接后的程序不会给未激活的变量分配一个位置。

layout (Location=2) uniform float scale=0.5f;

上述代码中，我们给scale分配了一个位置2，但是如果在着色器中没有用到scale，或者scale对着色器阶段输出没有任何影响，那么当我们在应用程序中获取scale位置时，将会返回-1，也就是无法找到该变量。 

四、实现中的一些限制

可用的激活变量的最大数量会受到一系列限制，在不同的着色器阶段将会有不同的Component数量限制，每个阶段的限制如下，顶点着色器：GL_MAX_VERTEX_UNIFORM_COMPONENTS，几何着色器：GL_MAX_GEOMETRY_UNIFORM_COMPONENTS，片元着色器：GL_MAX_FRAGMENT_UNIFORM_COMPONENTS，可以通过glGetIntegerv来查询这些限制，它们通常都不少于1024。

注意：这些限制是指单个的float、int、uint和bool类型的变量的数量，一个双精度类型的变量占据的component是单精度类型的变量的两倍，一个vec3变量将会占3个components，一个mat4将会占据不多于4x4个component，一个数组占据的数量为数组大小乘以单个数组成员占据的components数量。

但是有时候，由于一些硬件原因，即使component的数量在限制范围之内，还是会出现链接失败，这时就需要假设每一个uniform分为4个component，例如一个uniform float变量占4个component，mat2x4占16个component(矩阵里每行占4个)，mat4x2占8个component。

五、Uniform变量管理

在着色器程序的各个阶段，使用的都是同一个uniform变量集合，比如说：如果在顶点着色器和片元着色器都定义了相同的变量ViewMat，那么在程序对象中，就只会有一个ViewMat，修改这个值会同时影响顶点着色器和片元着色器，所以如果在两个着色器中有两个相同的变量名，但类型不同，链接器就会报错。

记住：uniform变量的位置是着色器链接的时候产生的（即使你是显式指定了位置），也就是调用了glLinkProgram()的时候。

每一个激活变量都有一个Location，如果你没有显式指定一个Location，那链接器就会自动分配，在这种情况下，即使定义了两个相同的uniform变量集，它们也不一定会有相同的Location，就需要通过API分别获取位置。

各种类型的变量的位置：

如果是基础类型，我们可以通过变量名直接查询，如果是数组类型，可以通过数组名得到起始位置，其它位置也是依次递增的，特殊的是结构体类型，如果没有为结构体类型变量指定位置，那么结构体类型内各个元素的位置是没有任何关联的（如果显式指定，各个元素位置将是递增的），需要分别查询，结构体数组也是如此。

六、Uniform数据传递

获取uniform变量的位置的目的就是为了修改该变量的值，它是通过相应的glUniform*函数来完成，细节可以参考：https://www.khronos.org/opengl/wiki/GLAPI/glUniform。

在修改值之前，需要使用glUseProgram绑定程序对象，因为glUniform*函数内并未包含程序对象，所以这个函数的操作将会应用于当前绑定的对象。

如果使用的是OpenGL4.1或者 ARB_separate_shader_objects扩展库，就可以使用glProgramUniform*来直接指定相应的程序对象，而无须提前绑定。

总结：

关于uniform限定符的使用，还有uniform block和uniform buffer object两个主要的概念没有阐述，在之后的文章里会逐渐完善这部分内容。