JS `WebGPU` `Pipeline Layouts` 与 `Shader Modules` 的编译优化

各位观众老爷们，晚上好！今天咱们聊聊 WebGPU 里那些让人头大的东西，Pipeline Layouts 和 Shader Modules，顺带看看怎么让它们跑得更快一点。别担心，我会尽量说得接地气，让你们听了之后感觉自己也能去写 WebGPU 游戏引擎了（当然，只是感觉）。

开场白：WebGPU，性能优化的新战场

WebGPU 承诺给我们更强大的 GPU 控制力，这意味着更多的可能性，也意味着更多的优化空间。别看 WebGL 已经够折腾了，WebGPU 的优化才刚刚开始。Pipeline Layouts 和 Shader Modules 是 WebGPU 的核心，它们直接影响着渲染管线的效率。理解它们，并学会优化，是提升 WebGPU 性能的关键。

第一部分：Pipeline Layouts：数据传输的指挥官

Pipeline Layouts，顾名思义，就是用来描述渲染管线中数据是如何布局的。它定义了哪些资源（比如 uniform buffers, textures, samplers）会被 Shader 使用，以及这些资源在 GPU 内存中的排列方式。

1.1 为什么需要 Pipeline Layouts？

想象一下，你是一家餐厅的领班，Shader 就是厨师，而 uniform buffers 和 textures 就是食材。领班需要告诉厨师，食材放在哪里，怎么拿。Pipeline Layouts 就扮演了领班的角色，它告诉 WebGPU，Shader 需要哪些资源，这些资源在 GPU 内存中的哪个位置。

没有 Pipeline Layouts，WebGPU 就不知道如何将数据传递给 Shader，渲染管线就无法工作。

1.2 Pipeline Layout 的组成

一个 Pipeline Layout 由多个 Bind Group Layouts 组成。Bind Group Layouts 描述了一组相关联的资源。每个 Bind Group Layout 包含一个或多个 Bindings。Bindings 描述了单个资源的类型（uniform buffer, texture, sampler 等）和 Shader 的访问权限。

可以用下面的表格来总结：

概念	描述	对应代码
Pipeline Layout	描述整个渲染管线的数据布局，由多个 Bind Group Layouts 组成	`device.createPipelineLayout({ bindGroupLayouts: [bindGroupLayout1, bindGroupLayout2, ...] })`
Bind Group Layout	描述一组相关联的资源，由多个 Bindings 组成。通常代表一组 uniform buffer 或者一组 texture 和 sampler。	`device.createBindGroupLayout({ entries: [binding1, binding2, ...] })`
Binding	描述单个资源的类型和 Shader 的访问权限。例如，一个 uniform buffer，一个 texture，一个 sampler。	`javascript { binding: 0, visibility: GPUShaderStage.VERTEX \| GPUShaderStage.FRAGMENT, buffer: { type: "uniform" } }`

1.3 创建 Pipeline Layout

下面是一个创建 Pipeline Layout 的例子：

// 创建 Bind Group Layout
const bindGroupLayout = device.createBindGroupLayout({
  entries: [
    {
      binding: 0,
      visibility: GPUShaderStage.VERTEX | GPUShaderStage.FRAGMENT,
      buffer: {
        type: "uniform",
      },
    },
    {
      binding: 1,
      visibility: GPUShaderStage.FRAGMENT,
      texture: {
        sampleType: "float",
        viewDimension: "2d",
      },
    },
    {
      binding: 2,
      visibility: GPUShaderStage.FRAGMENT,
      sampler: {
        type: "filtering",
      },
    },
  ],
});

// 创建 Pipeline Layout
const pipelineLayout = device.createPipelineLayout({
  bindGroupLayouts: [bindGroupLayout],
});

这个例子创建了一个包含一个 Bind Group Layout 的 Pipeline Layout。这个 Bind Group Layout 包含三个 Binding：

Binding 0: 一个 uniform buffer，在 Vertex 和 Fragment Shader 中都可见。
Binding 1: 一个 2D texture，在 Fragment Shader 中可见。
Binding 2: 一个 filtering sampler，在 Fragment Shader 中可见。

1.4 Pipeline Layout 优化

减少 Bind Group 的数量： 切换 Bind Group 是一个比较昂贵的操作。尽量将相关的资源放在同一个 Bind Group 中，减少 Bind Group 的数量。
合并 Uniform Buffer： 如果多个 Shader 使用相同的 Uniform 数据，可以将它们放在同一个 Uniform Buffer 中，减少 Uniform Buffer 的数量。
使用动态 Uniform Buffer： 如果 Uniform 数据经常更新，可以使用动态 Uniform Buffer。动态 Uniform Buffer 允许你在每个 draw call 中更新 Uniform 数据，而不需要重新创建 Bind Group。

第二部分：Shader Modules：渲染管线的灵魂

Shader Modules 包含了用 WGSL（WebGPU Shading Language）编写的 Shader 代码。Shader 代码定义了顶点和片段的处理逻辑，是渲染管线的灵魂。

2.1 为什么需要 Shader Modules？

Shader Modules 告诉 WebGPU 如何处理顶点和片段。没有 Shader Modules，WebGPU 就不知道如何渲染场景。

2.2 Shader Module 的组成

一个 Shader Module 包含一个或多个 Shader 函数。Shader 函数可以是顶点 Shader 或片段 Shader。

2.3 创建 Shader Module

下面是一个创建 Shader Module 的例子：

const shaderModule = device.createShaderModule({
  code: `
    struct Uniforms {
      modelViewProjectionMatrix : mat4x4<f32>;
    };

    @group(0) @binding(0) var<uniform> uniforms : Uniforms;
    @group(0) @binding(1) var texture : texture_2d<f32>;
    @group(0) @binding(2) var sampler : sampler;

    struct VertexOutput {
      @builtin(position) position : vec4<f32>;
      @location(0) uv : vec2<f32>;
    };

    @vertex
    fn vertexMain(@location(0) position : vec3<f32>, @location(1) uv : vec2<f32>) -> VertexOutput {
      var output : VertexOutput;
      output.position = uniforms.modelViewProjectionMatrix * vec4<f32>(position, 1.0);
      output.uv = uv;
      return output;
    }

    @fragment
    fn fragmentMain(@location(0) uv : vec2<f32>) -> @location(0) vec4<f32> {
      return textureSample(texture, sampler, uv);
    }
  `,
});

这个例子创建了一个包含一个顶点 Shader 和一个片段 Shader 的 Shader Module。

@group(0) @binding(0) var<uniform> uniforms : Uniforms; 声明了一个 uniform 变量，它对应于 Pipeline Layout 中 Bind Group 0 的 Binding 0。
@group(0) @binding(1) var texture : texture_2d<f32>; 声明了一个 texture 变量，它对应于 Pipeline Layout 中 Bind Group 0 的 Binding 1。
@group(0) @binding(2) var sampler : sampler; 声明了一个 sampler 变量，它对应于 Pipeline Layout 中 Bind Group 0 的 Binding 2。
@vertex 标记的函数是顶点 Shader。
@fragment 标记的函数是片段 Shader。

2.4 Shader Module 优化

减少 Shader 指令的数量： 尽量使用更少的 Shader 指令来实现相同的功能。例如，可以使用预计算的 lookup table 代替复杂的计算。
避免不必要的 branching： Branching 会导致 GPU 的流水线停顿，影响性能。尽量避免不必要的 branching。
使用 SIMD 指令： SIMD（Single Instruction, Multiple Data）指令允许 GPU 同时处理多个数据，可以显著提升性能。WGSL 编译器会自动将一些循环和数组操作转换为 SIMD 指令。
使用 WebGPU 提供的内置函数： WebGPU 提供了一些内置函数，例如 textureSample，这些函数通常比自己实现的函数更高效。
减少纹理采样次数： 纹理采样是一个比较昂贵的操作。尽量减少纹理采样次数。可以使用 mipmapping 来减少远处物体的纹理采样次数。

2.5 Shader Module 编译优化

WebGPU 会在运行时编译 Shader Module。编译 Shader Module 是一个耗时的操作。

缓存 Shader Module： 将编译后的 Shader Module 缓存起来，下次使用时直接加载缓存，避免重新编译。
使用预编译的 Shader Module： 一些工具可以将 Shader Module 预编译成二进制格式，加载速度更快。
优化 WGSL 代码： 优化 WGSL 代码可以减少编译时间。例如，避免使用复杂的控制流语句，减少全局变量的使用。

第三部分：Pipeline 创建优化

创建 Render Pipeline 和 Compute Pipeline 也是一个耗时的操作。

缓存 Pipeline 对象： 将创建好的 Pipeline 对象缓存起来，下次使用时直接加载缓存，避免重新创建。
使用 Pipeline Cache API： WebGPU 提供了一个 Pipeline Cache API，允许你将 Pipeline 对象缓存到磁盘上，下次启动程序时直接加载缓存。

3.1 Pipeline Cache API 示例

async function getOrCreateRenderPipeline(device, shaderModule, pipelineLayout) {
  const cacheKey = generateCacheKey(shaderModule, pipelineLayout); // 根据 shader 和 layout 生成唯一的 key

  let renderPipeline = pipelineCache[cacheKey];

  if (!renderPipeline) {
    const pipelineDescriptor = {
      layout: pipelineLayout,
      vertex: {
        module: shaderModule,
        entryPoint: "vertexMain",
        buffers: [/* ...vertex buffer layout...*/],
      },
      fragment: {
        module: shaderModule,
        entryPoint: "fragmentMain",
        targets: [/* ...color target state...*/],
      },
      primitive: {
        topology: "triangle-list",
        cullMode: "back",
      },
    };

    renderPipeline = device.createRenderPipeline(pipelineDescriptor);

    pipelineCache[cacheKey] = renderPipeline;
  }

  return renderPipeline;
}

// 一个简单的生成 cache key 的函数
function generateCacheKey(shaderModule, pipelineLayout) {
  // 这里可以使用 shader module 的 SPIR-V 或者 WGSL 代码的 hash 值，
  // 加上 pipeline layout 的结构信息的 hash 值。
  // 确保 shader 代码或者 layout 改变时，cache key 也会改变。
  const shaderCodeHash = hashString(shaderModule.code); // 假设有一个 hashString 函数
  const layoutHash = hashLayout(pipelineLayout); // 假设有一个 hashLayout 函数

  return `${shaderCodeHash}-${layoutHash}`;
}

第四部分：实战案例：优化一个简单的渲染循环

假设我们有一个简单的渲染循环，它绘制一个三角形：

// 创建顶点 buffer
const vertexBuffer = device.createBuffer({
  size: vertexData.byteLength,
  usage: GPUBufferUsage.VERTEX | GPUBufferUsage.COPY_DST,
  mappedAtCreation: true,
});
new Float32Array(vertexBuffer.getMappedRange()).set(vertexData);
vertexBuffer.unmap();

// 创建 uniform buffer
const uniformBuffer = device.createBuffer({
  size: uniformData.byteLength,
  usage: GPUBufferUsage.UNIFORM | GPUBufferUsage.COPY_DST,
  mappedAtCreation: true,
});
new Float32Array(uniformBuffer.getMappedRange()).set(uniformData);
uniformBuffer.unmap();

// 创建 bind group
const bindGroup = device.createBindGroup({
  layout: bindGroupLayout,
  entries: [
    {
      binding: 0,
      resource: {
        buffer: uniformBuffer,
      },
    },
  ],
});

// 渲染循环
function render() {
  const commandEncoder = device.createCommandEncoder();
  const renderPass = commandEncoder.beginRenderPass({
    colorAttachments: [
      {
        view: context.getCurrentTexture().createView(),
        loadOp: "clear",
        storeOp: "store",
      },
    ],
  });

  renderPass.setPipeline(renderPipeline);
  renderPass.setVertexBuffer(0, vertexBuffer);
  renderPass.setBindGroup(0, bindGroup);
  renderPass.draw(3, 1, 0, 0);

  renderPass.end();

  device.queue.submit([commandEncoder.finish()]);

  requestAnimationFrame(render);
}

render();

优化步骤：

缓存 Pipeline 对象： 使用 Pipeline Cache API 缓存 renderPipeline 对象。
使用动态 Uniform Buffer： 如果 uniformData 经常更新，可以使用动态 Uniform Buffer。
优化 Shader 代码： 检查 Shader 代码，看看是否有可以优化的空间。例如，可以使用预计算的 lookup table 代替复杂的计算。
合并 Bind Group: 如果可能，将 vertexBuffer 的数据也放入 Uniform Buffer 中（当然，如果数据量太大就不适合了）。这样可以减少 Bind Group 的数量。

第五部分：总结与展望

WebGPU 的性能优化是一个持续的过程。Pipeline Layouts 和 Shader Modules 是 WebGPU 的核心，理解它们，并学会优化，是提升 WebGPU 性能的关键。

记住，优化是一个迭代的过程，需要不断地分析和测试。使用 WebGPU 提供的性能分析工具，例如 Chrome DevTools，可以帮助你找到性能瓶颈，并进行优化。

WebGPU 的未来充满希望。随着 WebGPU 的不断发展，我们将会看到更多的性能优化技巧和工具。

最后，感谢大家的观看！希望今天的讲座对大家有所帮助。下次再见！

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