第05章 CG 數(shù)據(jù)類型
書讀的越多而不加思考未巫，你就會(huì)覺得你知道得很多；而當(dāng)你讀書而思考得越多的時(shí)候，你就會(huì)越清楚地看到，你知道得很少笤虫。
------ 伏爾泰
本章將著重介紹 Cg 語言中預(yù)定義的內(nèi)置（built in）的、或稱為基本（primitive）的數(shù)據(jù)類型祖凫。然后介紹可以用來聲明對(duì)象的各種類型琼蚯，主要是數(shù)組和結(jié)構(gòu)類型。學(xué)習(xí)本章時(shí)惠况，需要體會(huì)內(nèi)置向量類型和數(shù)組類型的區(qū)別遭庶。
5.1 基本數(shù)據(jù)類型
Cg 支持 7 種基本的數(shù)據(jù)類型：
- float, 32 位浮點(diǎn)數(shù)據(jù)，一個(gè)符號(hào)位稠屠。浮點(diǎn)數(shù)據(jù)類型被所有的 Profiles 支持（但是 DirectX8 Pixel Profiles 在一些操作中降低了浮點(diǎn)數(shù)的精度和范圍）峦睡；
- half，16 位浮點(diǎn)數(shù)據(jù)权埠；
- int榨了，32 位整形數(shù)據(jù)，有些 Profile 會(huì)將 int 類型作為 float 類型使用攘蔽；
- fixed阻逮，12 位定點(diǎn)數(shù)，被所有的 fragment Profiles 所支持秩彤；
- bool叔扼，布爾數(shù)據(jù)，通常用于 if 和條件操作符（?:）, 布爾數(shù)據(jù)類型被所有的 Profiles 支持漫雷；
- sampler, 紋理對(duì)象的句柄（the handle to a texture object）瓜富，分為 6 類：sampler，sampler1D降盹，sampler2D与柑，sampler3D，samplerCUBE 和 samplerRECT。DirectX Profiles 不支持 samplerRECT 類型价捧，除此之外這些類型被所有的 Pixel Profiles 和 NV40 vertex program profile 所支持（CgUsersManual 30 頁）丑念。由此可見，在不遠(yuǎn)的未來结蟋，頂點(diǎn)程序也將廣泛支持紋理操作脯倚；
- string，字符類型嵌屎，該類型不被當(dāng)前存在 Profiles 所支持推正，實(shí)際上也沒有必要在 Cg 程序中用到字符類型，但是泥可以通過 Cg Runtime API 聲明該類型變量宝惰，并賦值植榕；因此，該類型變量可以保存 Cg 文件的信息尼夺。
前 6 種類型會(huì)經(jīng)常用到尊残，事實(shí)上在 Wikipedia 有關(guān) Cg 語言的闡述中只列舉了前 6 種類型，而并沒有提到 string 數(shù)據(jù)類型淤堵。除了上面的基本數(shù)據(jù)類型外夜郁，Cg 還提供了內(nèi)置的向量數(shù)據(jù)（built-in vector data types），內(nèi)置的向量數(shù)據(jù)類型基于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型粘勒。例如：float4竞端，表示 float 類型的 4 元向量； bool4庙睡，表示 bool 類型 4 元向量事富。
注意：向量最長(zhǎng)不能超過 4 元，即在 Cg 程序中可以聲明 float1乘陪、float2统台、float3、float4 類型的數(shù)組變量啡邑，但是不能聲明超過 4 元的向量贱勃，例如：
float5 array; // 編譯報(bào)錯(cuò)
向量初始化方式一般為：
float5 array = float4(1.0, 2.0, 3.0, 4.0);
較長(zhǎng)的向量還可以通過較短的向量進(jìn)行構(gòu)建：
float2 a = float2(1.0, 2.0);
float4 b = float4(a, 0.0, 0.0, 0.0);
此外，Cg 還提供矩陣數(shù)據(jù)類型谤逼，不過最大的維數(shù)不能超過 4 * 4 階贵扰。例如：
float1x1 matrix1; // 等價(jià)于 float matirx1； x 是字符流部，并不是乘號(hào)戚绕；
float2x3 matrix2； // 表示2 * 3 階矩陣枝冀，包含了 6 個(gè) float 類型數(shù)據(jù)舞丛；
float4x3 matrix3耘子； // 表示4 * 2 階矩陣，包含了 8 個(gè) float 類型數(shù)據(jù)球切；
float4x4 matrix4谷誓； // 表示4 * 4 階矩陣，這是最大的維數(shù)吨凑；
矩陣的初始化方式為：
float2x3 matrix5 = {1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0};
注意：Cg 中向量捍歪、矩陣與數(shù)組是完全不同，向量和矩陣是內(nèi)置的數(shù)據(jù)類型（矩陣基于向量）怀骤，而數(shù)組則是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)费封，不是內(nèi)置數(shù)據(jù)類型焕妙！這一點(diǎn)和 C\C++ 中不太一樣蒋伦，在 C\C++ 中，這三者同屬于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)焚鹊，數(shù)組可以構(gòu)建向量和矩陣痕届。下一節(jié)中將詳細(xì)闡述 Cg 中的數(shù)組類型。
5.2 數(shù)組類型
“General-purpose arrays can only be used ad uniform parameters to a vertex program. The intent is to allow an application to pass arrays of skinning matrices and arrays of light parameters to a vertex program”（文獻(xiàn)【3】的 Array 章節(jié)）末患。
在著色程序中研叫，數(shù)組通常的使用目的是：作為從外部應(yīng)用程序傳入大量參數(shù)到 Cg 的頂點(diǎn)程序中的形參接口，例如與皮膚形變相關(guān)的矩陣數(shù)組璧针，或者光照參數(shù)數(shù)組等嚷炉。
簡(jiǎn)而言之，數(shù)組數(shù)據(jù)類型在 Cg 程序中的作用是：作為函數(shù)的形參探橱，用于大量數(shù)據(jù)的傳遞申屹。
Cg 中聲明數(shù)組變量的方式和 C 語言類似，例如：
float a[10]; // 聲明了一個(gè)數(shù)組隧膏，包含 10 個(gè) float 類型數(shù)據(jù)哗讥；
float4 b[10]; // 聲明了一個(gè)數(shù)組，包含 10 個(gè) float4 類型數(shù)據(jù)胞枕；
對(duì)數(shù)組進(jìn)行初始化的方式為：
float a[4] = {1.0, 2.0, 3.0, 4.0}; // 初始化一個(gè)數(shù)組杆煞；
要獲取數(shù)組長(zhǎng)度，可以調(diào)用“.legth”腐泻，例如：
float a[10]; // 聲明一個(gè)數(shù)組决乎；
int length = a.length; // 獲取數(shù)組的長(zhǎng)度；
聲明多維數(shù)組以及初始化的方式如下所示：
float b[2][3] = {{0.0, 0.0, 0.0}, {1.0, 1.0, 1.0}}派桩；
對(duì)多維數(shù)組取長(zhǎng)度的方式為：
int length1 = b.length瑞驱； // length1 值為 2
int length2 = b[0].length； // length2 值為 3
數(shù)組和矩陣有些類似窄坦，但是并不是相同唤反。例如 4 * 4 階數(shù)組的聲明方式為： float M[4][4]; 4 階矩陣的聲明方式為： float4x4 M凳寺。前者是一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包含 16 個(gè) float 類型數(shù)據(jù)彤侍，后者是一個(gè) 4 階矩陣數(shù)據(jù)肠缨。float4x4 M[4]，表示一個(gè)數(shù)組盏阶，包含 4 個(gè) 4 階矩陣數(shù)據(jù)晒奕。
進(jìn)行數(shù)組變量聲明時(shí)，一定要指定數(shù)組長(zhǎng)度名斟，除非是作為函數(shù)參數(shù)而聲明的形參數(shù)組脑慧。并且在當(dāng)前的 profiles 中，數(shù)組的長(zhǎng)度和所引用的數(shù)組元素的地址必須在編譯時(shí)就知道砰盐。
“Unsized arrays may only be declared as function parameters-key may not be declared as variables. Furthermore, in all current profiles, the actual array length and address calculations implied by array indexing must be known at compile time”（文獻(xiàn)【3】）闷袒。
由于形參數(shù)組的概念與函數(shù)的概念緊密結(jié)合，所以將在第 8 章的 8.1 函數(shù)章節(jié)進(jìn)行統(tǒng)一闡述岩梳。
5.3 結(jié)構(gòu)類型
Cg 語言支持結(jié)構(gòu)體（structure）囊骤，實(shí)際上 Cg 中的結(jié)構(gòu)體的聲明、使用和 C++ 非常類似（只是類似冀值，不是相同）也物。一個(gè)結(jié)構(gòu)體相當(dāng)于一種數(shù)據(jù)類型，可以定義該類型的變量列疗。引入結(jié)構(gòu)體機(jī)制滑蚯，賦予了 Cg 語言一絲面向?qū)ο蟮纳省＿€記得 C++ 中抵栈，結(jié)構(gòu)體與類的區(qū)別嗎告材？沒有區(qū)別，除了默認(rèn)訪問屬性在結(jié)構(gòu)體中為 public竭讳，類中為 private创葡，所以結(jié)構(gòu)體與類是非常近似的，由此可以看出 shader 語言的發(fā)展趨勢(shì)還是向著具有面向?qū)ο筇匦缘母呒?jí)語言绢慢。不過目前的 Cg 語言中的結(jié)構(gòu)體以展現(xiàn)“封裝”功能為主灿渴，并不支持集成機(jī)制。
結(jié)構(gòu)體的聲明以關(guān)鍵字 struct 開始胰舆，然后緊跟結(jié)構(gòu)體的名字骚露，接下來是一個(gè)大括號(hào)，并以分號(hào)結(jié)尾（不要忘了分號(hào)）缚窿。大括號(hào)中是結(jié)構(gòu)體的定義棘幸，分為兩大類：成員變量和成員函數(shù)。例如倦零，定義一個(gè)名為 myAdd 的結(jié)構(gòu)體误续，包含一個(gè)成員變量吨悍，和一個(gè)執(zhí)行相加功能的成員函數(shù)，然后聲明一個(gè)該結(jié)構(gòu)體類型的變量蹋嵌，代碼為：
struct myAdd
{
float val;
float add(float x)
{
return val + x;
}
};
myAdds;
使用符號(hào)“.”引用結(jié)構(gòu)體中的成員變量和成員函數(shù)育瓜。例如：
float a = s.value；
float b = s.add(a)栽烂；
注意：在當(dāng)前的所有的 profile 版本下躏仇，如果結(jié)構(gòu)體的一個(gè)成員函數(shù)使用了成員變量，則該成員變量要聲明在前腺办。此外焰手，成員函數(shù)是否可以重載依賴于使用的 Profile 版本。（文獻(xiàn)【3】 的 structures and Member functions 章節(jié)）
一般來說怀喉，Cg 的源代碼都會(huì)在文件首部定義二個(gè)結(jié)構(gòu)體书妻，分別用于定義輸入和輸出的類型，這個(gè)二個(gè)結(jié)構(gòu)體定義與普通的 C 結(jié)構(gòu)定義不同磺送，除了定義結(jié)構(gòu)體成員的數(shù)據(jù)類型外驻子，還定義了該成員的綁定語義類型（Binding Semantics）灿意，所謂綁定語義類型是為了與宿主環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的時(shí)候識(shí)別不同數(shù)據(jù)類型的估灿。目前 Cg 支持的綁定語義類型包括 POSTION （位置），COLOR（顏色）缤剧，NORMAL（法向量）馅袁，Texcoord（紋理坐標(biāo)）等類型。
當(dāng)頂點(diǎn)著色程序向片段著色程序傳遞的數(shù)據(jù)類型較多的情況下荒辕，使用結(jié)構(gòu)體可以大大的方便代碼的編寫和維護(hù)汗销。總而言之抵窒，使用結(jié)構(gòu)體是一個(gè)好習(xí)慣弛针，高智商的孩子都使用（感覺是不是很囧 哈哈哈 O(∩_∩)O哈哈~）。
5.4 接口（Interfaces）類型
Cg 語言提供接口類型李皇，實(shí)際上削茁，我本人很少見到使用接口類型的著色程序，原因在于掉房，Cg 語言中的接口類型還不夠完善茧跋，不能被擴(kuò)展和包含。此外卓囚，目前的 GPU 編程大多是針對(duì)獨(dú)立的算法進(jìn)行編碼瘾杭，規(guī)模較小，使用接口類型沒有太大的優(yōu)勢(shì)哪亿。所以這里對(duì)該類型并不多做說明粥烁。有興趣的讀者可以參閱文獻(xiàn)【3】的 Interfaces 章節(jié)贤笆。
5.5 類型轉(zhuǎn)換
Cg 中的類型轉(zhuǎn)換和 C 語言的類型轉(zhuǎn)換很類似。C 語言中類型轉(zhuǎn)換可以是強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換讨阻，也可以是隱式類型轉(zhuǎn)換苏潜，如果是后者，則數(shù)據(jù)類型從低精度向高精度轉(zhuǎn)換变勇。在 Cg 語言中也是如此恤左。例如：
float a = 1.0；
half b = 2.0搀绣；
float c = a + b飞袋； // 等價(jià)于 float c = a + (float)b;
當(dāng)有類型變量和無類型常量數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算時(shí)，該常量數(shù)據(jù)不做類型轉(zhuǎn)換链患，舉例如下：
float a = 1.0巧鸭；
float b = a + 2.0；// 2.0 為無類型常量數(shù)據(jù)麻捻，編譯時(shí)作為 float 類型;
Cg 語言中對(duì)于常量數(shù)據(jù)可以加上類型后綴纲仍，表示該數(shù)據(jù)的類型，例如：
float a = 1.0贸毕；
float b = a + 2.0h郑叠；// 2.0h 為half類型常量數(shù)據(jù)；
運(yùn)算是需要做類型轉(zhuǎn)換常量的類型后綴（type suffix）有 3 種：
f : 表示 float明棍；
h : 表示 half乡革；
x : 表示 fixed；
