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JavaScript内核与高级编程之：`JavaScript`的`WebGPU`：其在`GPU`计算中的新`API`。

各位朋友，大家好！今天咱们来聊聊JavaScript里的新家伙——WebGPU，这家伙可是个狠角色，直接把JavaScript的小手伸向了GPU，要搞搞GPU计算的大事情。准备好了吗？咱们这就开始！

开场白：别再用CPU装老大了！

过去啊，咱们JavaScript主要在浏览器里晃悠，CPU就是咱们的大哥，啥都听它的。但现在不一样了，图形越来越复杂，计算量越来越大，CPU有点力不从心了。这时候，GPU就站出来了：“喂，老兄，别一个人扛着，我来帮你！”

所以，WebGPU就应运而生了。它是一个新的Web API，允许咱们JavaScript直接控制GPU，进行高性能的图形渲染和并行计算。这意味着什么？这意味着咱们可以在浏览器里搞出更炫酷的3D游戏，更复杂的科学计算，甚至是更智能的AI应用！

WebGPU：你的新朋友，高性能计算的钥匙

WebGPU的目标是提供一个现代、高效、安全的API，充分利用GPU的强大计算能力。它借鉴了Vulkan、Metal和DirectX 12等底层图形API的经验，但又做到了更高的抽象和更好的跨平台兼容性。

WebGPU的几个关键概念

要玩转WebGPU，咱们得先搞清楚几个关键概念：

  • Device： GPU设备的抽象，相当于咱们的GPU硬件。

  • Queue： 命令队列，用于将命令提交到GPU执行。

  • Buffer： 用于存储数据的缓冲区，可以是顶点数据、索引数据、纹理数据等等。

  • Texture： 纹理，用于存储图像数据。

  • Sampler： 采样器，用于在纹理中进行采样。

  • Shader： 着色器，用WGSL语言编写的程序，运行在GPU上，负责处理顶点和像素。

  • Pipeline： 管线，定义了GPU执行图形渲染或计算的流程。

  • Bind Group： 绑定组，用于将Buffer、Texture、Sampler等资源绑定到着色器。

  • Render Pass： 渲染通道，定义了渲染的目标和配置。

  • Compute Pass： 计算通道，定义了计算的目标和配置。

听起来有点晕？没关系，咱们一点一点来。

实战演练：画一个简单的三角形

光说不练假把式，咱们直接上代码，画一个简单的三角形。

async function initWebGPU() {
  // 1. 获取GPU设备
  if (!navigator.gpu) {
    console.error("WebGPU is not supported on this browser.");
    return;
  }

  const adapter = await navigator.gpu.requestAdapter();
  if (!adapter) {
    console.error("No appropriate GPUAdapter found.");
    return;
  }

  const device = await adapter.requestDevice();

  // 2. 获取canvas上下文
  const canvas = document.getElementById("myCanvas");
  const context = canvas.getContext("webgpu");

  // 3. 配置canvas上下文
  const canvasFormat = navigator.gpu.getPreferredCanvasFormat();
  context.configure({
    device: device,
    format: canvasFormat,
  });

  // 4. 创建着色器模块
  const shaderModule = device.createShaderModule({
    code: `
      @vertex
      fn vertexMain(@builtin(vertex_index) vertexIndex: u32) -> @builtin(position) vec4f {
        let pos = array(
          vec2f( 0.0,  0.5),  // Top center
          vec2f(-0.5, -0.5),  // Bottom left
          vec2f( 0.5, -0.5)   // Bottom right
        );
        return vec4f(pos[vertexIndex], 0.0, 1.0);
      }

      @fragment
      fn fragmentMain() -> @location(0) vec4f {
        return vec4f(1.0, 0.0, 0.0, 1.0); // Red color
      }
    `,
  });

  // 5. 创建渲染管线
  const renderPipeline = device.createRenderPipeline({
    layout: 'auto',
    vertex: {
      module: shaderModule,
      entryPoint: "vertexMain",
    },
    fragment: {
      module: shaderModule,
      entryPoint: "fragmentMain",
      targets: [
        {
          format: canvasFormat,
        },
      ],
    },
    primitive: {
        topology: "triangle-list",
    },
  });

  // 6. 渲染循环
  function render() {
    // 获取当前纹理
    const textureView = context.getCurrentTexture().createView();

    // 创建渲染通道描述符
    const renderPassDescriptor = {
      colorAttachments: [
        {
          view: textureView,
          clearValue: { r: 0.0, g: 0.0, b: 0.0, a: 1.0 }, // Black color
          loadOp: "clear",
          storeOp: "store",
        },
      ],
    };

    // 创建命令编码器
    const commandEncoder = device.createCommandEncoder();

    // 开始渲染通道
    const passEncoder = commandEncoder.beginRenderPass(renderPassDescriptor);

    // 设置渲染管线
    passEncoder.setPipeline(renderPipeline);

    // 绘制三角形
    passEncoder.draw(3, 1, 0, 0);

    // 结束渲染通道
    passEncoder.end();

    // 提交命令
    device.queue.submit([commandEncoder.finish()]);

    // 请求下一帧渲染
    requestAnimationFrame(render);
  }

  // 开始渲染
  render();
}

initWebGPU();

这段代码有点长，咱们来分解一下：

  1. 获取GPU设备： 首先，咱们要拿到GPU设备，这就像拿到一把枪，才能去打仗。

  2. 获取canvas上下文： 拿到canvas的上下文，这是咱们画画的地方。

  3. 配置canvas上下文： 配置canvas的格式，让它和GPU的格式匹配。

  4. 创建着色器模块： 这是最重要的部分，咱们用WGSL语言编写着色器代码，告诉GPU怎么处理顶点和像素。

    • @vertex：标记顶点着色器。
    • @fragment：标记片元着色器（也叫像素着色器）。
    • @builtin(vertex_index)：内置变量，表示顶点索引。
    • @builtin(position)：内置变量，表示顶点位置。
    • @location(0)：输出变量的位置。

  5. 创建渲染管线： 创建渲染管线，把着色器组合起来，定义渲染流程。

  6. 渲染循环： 在渲染循环中，不断地绘制三角形。

    • device.queue.submit([commandEncoder.finish()])：提交命令到GPU执行。
    • requestAnimationFrame(render)：请求下一帧渲染。

这段代码运行起来，就能在canvas上看到一个红色的三角形。

WGSL：WebGPU的灵魂

刚才咱们提到了WGSL，这是WebGPU的着色器语言，全称是WebGPU Shading Language。它是一种类Rust的语言，专门为GPU计算设计的。

WGSL的特点：

  • 类型安全： WGSL是强类型语言，可以减少运行时错误。
  • 显式内存管理： WGSL允许咱们显式地控制内存，提高性能。
  • 并行计算： WGSL支持并行计算，充分利用GPU的计算能力。

咱们来看一个简单的WGSL例子：

@vertex
fn main(@builtin(vertex_index) vertexIndex: u32) -> @builtin(position) vec4f {
  let positions = array(
    vec2f( 0.0,  0.5),  // Top center
    vec2f(-0.5, -0.5),  // Bottom left
    vec2f( 0.5, -0.5)   // Bottom right
  );
  return vec4f(positions[vertexIndex], 0.0, 1.0);
}

@fragment
fn main() -> @location(0) vec4f {
  return vec4f(1.0, 0.0, 0.0, 1.0); // Red color
}

这个例子定义了一个顶点着色器和一个片元着色器，用于绘制一个红色的三角形。

WebGPU的优势

WebGPU相比于之前的WebGL，有很多优势：

  • 性能提升： WebGPU更接近底层硬件，可以更好地利用GPU的性能。
  • 更现代的API： WebGPU的API设计更现代，更易于使用。
  • 更好的跨平台兼容性： WebGPU可以在不同的平台上运行，包括Windows、macOS、Linux和Android。
  • 计算能力： WebGPU不仅可以用于图形渲染，还可以用于通用计算（GPGPU）。

WebGPU的应用场景

WebGPU的应用场景非常广泛：

  • 3D游戏： 打造更炫酷、更流畅的3D游戏。
  • 科学计算： 进行复杂的科学计算，例如物理模拟、气候模拟等。
  • 机器学习： 加速机器学习模型的训练和推理。
  • 图像处理： 进行图像处理和视频编辑。
  • 数据可视化： 创建更复杂、更交互的数据可视化应用。

表格：WebGPU vs WebGL

特性 WebGL WebGPU
API层次 较高 较低
性能 较低 较高
编程模型 基于OpenGL ES 基于现代底层图形API (Vulkan, Metal, D3D12)
着色器语言 GLSL ES WGSL
计算支持 有限 强大
跨平台兼容性 较好 更好
学习曲线 相对容易 较陡峭
适用场景 简单3D图形，对性能要求不高的应用 复杂3D图形，高性能计算，机器学习等

高级技巧：Buffer、Texture、Bind Group

除了基本的三角形绘制，咱们还可以使用Buffer、Texture和Bind Group来实现更复杂的效果。

  • Buffer： 用于存储顶点数据、索引数据、 uniform数据等。

  • Texture： 用于存储图像数据，可以用于纹理映射、光照计算等。

  • Bind Group： 用于将Buffer和Texture绑定到着色器，让着色器可以访问这些数据。

咱们来看一个使用Buffer和Bind Group的例子：

// 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: 16, // 4x4矩阵
  usage: GPUBufferUsage.UNIFORM | GPUBufferUsage.COPY_DST,
});

// 创建 Bind Group 布局
const bindGroupLayout = device.createBindGroupLayout({
  entries: [
    {
      binding: 0,
      visibility: GPUShaderStage.VERTEX,
      buffer: {},
    },
  ],
});

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

// 在渲染通道中使用 Bind Group
passEncoder.setBindGroup(0, bindGroup);

在这个例子中，咱们创建了一个顶点Buffer和一个uniform Buffer，然后使用Bind Group将它们绑定到着色器。这样，着色器就可以访问顶点数据和uniform数据了。

WebGPU的未来

WebGPU还处于发展阶段，但它的潜力是巨大的。随着WebGPU的不断完善，咱们可以期待在浏览器里看到更多更强大的图形和计算应用。

学习资源

总结：拥抱WebGPU，迎接高性能计算的未来！

今天咱们一起学习了WebGPU，了解了它的基本概念、优势和应用场景。WebGPU是JavaScript领域的一场革命，它将开启高性能计算的新时代。

虽然WebGPU的学习曲线比较陡峭，但只要咱们坚持学习，不断实践，就能掌握这门强大的技术，创造出令人惊叹的应用。

好了，今天的讲座就到这里。希望大家有所收获！下次有机会再和大家一起探讨更深入的WebGPU技术。再见！

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