跟OpenGL ES類似映企，Metal也有自己的著色器語言诡宗，相比更接近C語言的GLSL锹雏，Metal Shading Language的語言更接近于C++要拂。而且抠璃，Metal有著和OpenGL管道相同的渲染流程，即：頂點著色器->圖元裝配->光柵化->片元著色器->提交緩沖區(qū)脱惰，不同的是搏嗡，Metal中將著色器描述為函數(shù)，但本質是相同的拉一。

但是畢竟是蘋果的親兒子采盒，Xcode不僅可以提供了創(chuàng)建Metal文件的入口，還能使用Clang+LLVM對Metal文件進行編譯鏈接蔚润，這相比于要開發(fā)者手敲GLSL的OpenGL ES來說磅氨，無疑是比較優(yōu)勢的一點，畢竟僅僅是以字符串形式存在的著色器來說嫡纠，查找錯誤是一個麻煩的過程烦租。

但是Metal的語法仿佛繼承了OC語言惡心的特質，學習起來還是需要一定成本的除盏，本文將對Metal Shading Language做一個學習歸納叉橱，方便日后查看。

Metal Shading Language 基本語法

Metal Shading Language使用的是 Clang 和 LLVM 進行編譯處理的者蠕，它基于C++ 11.0 語言設計窃祝，但它也不完全等同與C++的語言，Metal不支持以下特征：

• Lambda表達式
• 遞歸函數(shù)調用
• 動態(tài)轉換操作符
• 類型識別
• 對象創(chuàng)建new和銷毀delete操作符
• 操作符noexcept
• goto跳轉
• 變量存儲修飾符register和thread_local
• 虛函數(shù)修飾符
• 派生類
• 異常處理
• C++標準庫

另外踱侣，Metal像素坐標系統(tǒng)使用的原點是左上角粪小，這與OpenGL的左下角是不同的，所以我們使用Metal渲染紋理時不再需要翻轉抡句。

而且糕再，Metal函數(shù)名不能命名為Main，這點和GLSL是不同的玉转。

Metal支持結構體和枚舉突想。

基本數(shù)據(jù)類型

Metal 有以下基本數(shù)據(jù)類型：

與OpenGL不同的是猾担，Metal支持數(shù)字后綴表示字面量類型，如0.4f刺下，0.5h绑嘹。

指針類型

Metal Shading Language 也是支持指針類型的，同樣是使用 * 表示指針,但是在Metal Shading Language中橘茉，對指針的使用以下限制：

• Metal圖型和并行計算函數(shù)用的的入?yún)⑷绻侵羔樆蛘邞妙愋凸ひ福仨毷褂玫刂房臻g修飾符（如device姨丈，threadgroup，constant）
• 不支持函數(shù)指針

向量和矩陣數(shù)據(jù)類型

向量

Metal Shading Language 使用基本數(shù)據(jù)類型+維度表示向量擅腰，如float3表示每個維度類型為float的3維向量蟋恬，它的定義可以寫為：

short4 vector1 = {1,2,3,4};
float3 vector2 = float3(1.f, 2.f, 3.f);

和GLSL類似，它也可以使用.xyzw或者.rgba讀取或賦予對應的值：

short2 vector3 = vector1.xy; // vector3 = (1, 2)
float2 vector4 = vector2.rb; // vector4 = (1.f, 3.f)

向量讀取的是后實際是使用索引值趁冈，所以向量的xyzw（或rgba）可以顛倒和重復：

vector3.xy = vector3.yx; // vector3 = (2, 1)
vector4.rg = vector4.rr; // vector4 = (1.f, 1,f)

另外歼争，因為xyzw（或rgba）讀取的索引值，所以不能讀取越界的索引渗勘，也不能xyzw和rgba混用沐绒，如

vector3.zw // 錯誤，二維向量沒有zw值
vector4.xg // 錯誤旺坠，xyzw和rgba不能混用

向量支持如下類型：

• booln
• charn
• shortn
• intn
• ucharn
• ushortn
• uintn
• halfn
• floatn

0<n≤4,表示維度

矩陣

矩陣支持如下類型：

• halfnxm
• floatnxm

n乔遮、m分別表示矩陣的行數(shù)和列數(shù)

它可以這么定義：

half2x2 matrix = half2x2(1.h,2.h,3.h,4.h);
matrix = {2.h,2.h,2.h,2.h};

紋理類型

紋理類型是一個句柄，它指向一個一維/二維/三維紋理數(shù)據(jù)取刃。他是這么定義的:

texture1d<T, access a = access::sample>
texture2d<T, access a = access::sample>
texture3d<T, access a = access::sample>

T表示數(shù)據(jù)類型蹋肮，設定了從紋理中讀取的或是向紋理中寫入時的顏色類型，可以是half蝉衣，float括尸，short，int等

access是一個枚舉值病毡，定義了訪問權利：

enum class access {
    sample, // 默認值濒翻， 紋理對象可以被采樣，采樣一維時使用或不使用都從紋理中讀取數(shù)據(jù)
    read, // 不使用采樣器啦膜，一個圖形渲染函數(shù)或一個并行計算函數(shù)可以讀取紋理對象
    write // 一個圖形渲染函數(shù)或者一個并行函數(shù)可以像紋理對象寫入數(shù)據(jù)
}

示例如下：

void foo(texture2d<float> imgA[[ texture(0) ]],
         texture2d<float, access::read> imgB [[ texture(1) ]],
         texture2d<float, access::write> imgC [[ texture(2) ]])

采樣器類型

采樣器類型決定了如何對一個紋理進行采樣操作有送，在Metal框架中有一個對應著著色器語言的采樣器對象MTLSamplerState，這個對象作為圖形渲染著色器函數(shù)參數(shù)或者并行計算函數(shù)的參數(shù)傳遞僧家。
需要注意的是雀摘，Metal程序中，初始化采樣器必須使用constexpr修飾符聲明八拱。

constexpr sampler s(coord::normalized)

例中括號內表示采樣器的采樣參數(shù)阵赠，是一個枚舉值，Metal中采樣器以下幾種類型：

例：

constexpr sampler s(coord::pixel, address::clamp_to_zero, filter::linear);
constexpr sampler a(address::repeat);

修飾符

修飾符是Metal Shading Language中比較難理解的點诺凡，Metal中的修飾符有函數(shù)修飾符东揣、地址空間修飾符和傳遞修飾符3種

函數(shù)修飾符

函數(shù)修飾符位于函數(shù)之前践惑，例如：

kernel void foo(...) {
 ...
}

Metal有以下3種函數(shù)修飾符

1. kernel：表示該函數(shù)是一個數(shù)據(jù)并行計算函數(shù)，他可以分配在一維/二維/三維線程組中去執(zhí)行嘶卧。
2. vertex：表示該函數(shù)是一個頂點著色函數(shù)尔觉，它將頂點數(shù)據(jù)劉總的每個頂點數(shù)據(jù)執(zhí)行一次然后為每個頂點生成數(shù)據(jù)輸出到繪制管線。
3. fragment：表示該函數(shù)是一個片元著色函數(shù)脸候，它將為片元數(shù)據(jù)流中的每個片元和其關聯(lián)執(zhí)行一次然后將每個片元生成的顏色數(shù)據(jù)輸出到繪制管線中穷娱。

只有圖形著色器函數(shù)才可以被vertex和fragment修飾绑蔫，對于圖形著色函數(shù)运沦，返回值類型可以辨別出他是為頂點做計算還是為每個像素做計算，圖型函數(shù)返回值可以為void配深，但這意味著該函數(shù)不產生數(shù)據(jù)輸出到繪制管線携添，這是一個無意義的動作。

函數(shù)修飾符有以下注意點：

1. 使用kernel修飾的函數(shù)篓叶，其返回值類型必須是void類型烈掠；
2. 一個被函數(shù)修飾符修飾的函數(shù)不能調用其他被函數(shù)修飾符修飾的函數(shù)；

地址空間修飾符

地址空間修飾符用于變量或者參數(shù)缸托，位于變量或參數(shù)類型之前左敌，例如：

device float4 *color;

空間修飾符表示一個變量被分配在哪一片內存區(qū)域，所有著色器函數(shù)（vertex俐镐，fragment矫限，kernel）的參數(shù)，如果是指針或者應用佩抹，都必須帶有地址空間修飾符。

空間修飾符有以下4種棍苹。

• device：設備地址空間
• threadgroup：線程組地址空間
• constant：常量地址空間
• thread：線程地址空間

對于圖形著色器函數(shù)无宿，其指針或者應用類型參數(shù)必須定位為device或constant地址空間；
對于并行計算函數(shù)枢里，其指針或者應用類型參數(shù)必須定義為device或threadgroup或constant地址空間彬碱；

1.設備地址空間

指的是設備內存池分配出來的緩存對象，它是可讀可寫的搬泥，一個緩存對象可以被聲明為一個標量忿檩、向量或者是用戶自定義結構體的指針或應用。
另外注意的是辨图，紋理對象總是在設備地址空間分配內存，device地址空間修飾符不必出現(xiàn)在紋理類型定義中，一個紋理對象的內容無法直接訪問，Metal提供讀寫紋理的內建函數(shù)姨俩。

例：

device float4 *color;
struct Foo {
    float a[3];
    int b[2];
}
device Foo *my_info;

2.線程組地址空間

指的是用于為并行計算著色函數(shù)分配內存變量的空間哼勇，這些變量被一個線程組的所有線程共享积担。
在線程組地址空間分配的變量不能用與圖形繪制著色函數(shù)湿刽。
在并行計算著色函數(shù)中渴庆，在線程組地址空間分配的變量為一個線程組使用耸弄，聲明周期和線程組相同捌显。
例：

kernel void my_func(threadgroup float *a [[threadgroup(0)]]) {
    threadgroup float x;
    
    threadgroup float b[10];
}

3.常量地址空間

指向的緩存對象也是設備內存池分配，但他是只讀的尉间，它修飾的變量必須在定義的時候初始化击罪，用來初始化的值必須是編譯時的常量媳禁，修飾的變量在程序域的生命周期和程序一樣竣稽，在程序中的并行計算著色函數(shù)或者圖形繪制著色函數(shù)調用時，它的的值都會保持不變耍缴。
值得注意的是防嗡，常量地址空間的指針或引用也可以作為函數(shù)的參數(shù)，為聲明的常量賦值會產生編譯錯誤，聲明常量但是沒有賦予初值也會編譯錯誤近顷；
例如：

constant float samplers[] = {1.f, 2.f, 3.f, 3.f};

sampler[4] = {3,3,3,3}; // 編譯失敗

constant float a; // 編譯失敗

4.線程地址空間

指向每個線程準備的地址空間域醇，這個線程地址空間定義的變量在其他線程不可見酪呻〗赘裕可以在圖形繪制函數(shù)或者并行計算函數(shù)中使用闷尿。
例：

kernel void my_func(...) {
    float x;
    thread float = &x;
}

傳遞修飾符

對于圖形繪制或并行著色器函數(shù)來說，輸入/輸出都需要通過參數(shù)傳遞（除了常量地址空間變量和程序域中定義的采樣器以外）女坑，參數(shù)可以以下之一：

• device buffer - 設備緩存填具，一個指向設備地址空間的任意數(shù)據(jù)類型的指針或者引用
• constant buffer - 常量緩存區(qū)，一個指向常量地址空間的任意數(shù)據(jù)類型的引用
• texture - 紋理對象
• sampler - 采樣器對象
• threadgroup - 在線程組中供各線程共享的緩存

注意的是堂飞，著色器的緩存（device 和 constant）不能重名灌旧。

對于每個著色器來說，一個變量傳遞修飾符是必須指定的绰筛，它用來設置一個緩沖枢泰、紋理、采樣器的位置铝噩。
傳遞修飾符位于參數(shù)變量之后衡蚂，用[[]]表示，并在()內指定它的位置。
通常我們有以下幾種類型可以從外部傳入著色器：

• [[buffer(index)]] // device buffer / constant buffer
• [[texture(index)]] // texture
• [[sampler(index)]] // sampler
• [[threadgroup(index)]] // threadgroup

index是一個unsigned integer類型的值毛甲，它表示一個緩存年叮、紋理、采樣器參數(shù)的位置玻募。

參考代碼如下：

kernel void add_vectors(const device float4 *inA [[buffer(0)]],
                        const device float4 *inB [[buffer(1)]],
                        device float4 *out [[buffer(2)]],
                        uint id [[thread_position_in_grid]]) {
                        
                        out[id] = inA[id] + inB[id];
                        }

thread_position_in_grid: 用于表示當前節(jié)點在多線程網絡中的位置,不需要用戶傳入

內建變量屬性修飾符

除了以上的傳遞修飾符只损，Metal還提供了內建的傳遞修飾符。常見的有以下幾種：

• [[vertex_id]] 頂點id表示符七咧，即當前是第幾個頂點
• [[position]] 頂點信息跃惫，表述片元的窗口相對坐標（x, y, z, 1/w）
• [[point_size]] 點的大小
• [[color(m)]] 顏色,m編譯前得確定，表示傳入顏色附著點m
• [[stage_in]] 表示由頂點著色函數(shù)輸出經過光柵化生成傳入片元函數(shù)的數(shù)據(jù)艾栋，一個頂點和片元函數(shù)都只能有一個參數(shù)被聲明為stage_in