Shader Compilation Jank：Skia 的着色器预编译与 Impeller 的 AOT 解决方案

Shader Compilation Jank：Skia 的着色器预编译与 Impeller 的 AOT 解决方案

大家好，今天我们要深入探讨一个在图形渲染领域经常遇到的问题：Shader Compilation Jank，也就是着色器编译导致的卡顿。我们将聚焦于两个非常流行的渲染引擎：Skia 和 Impeller，看看它们是如何处理这个问题的。Skia 使用了一种基于预编译的策略，而 Impeller 则采用了 AOT（Ahead-of-Time）编译的方案。通过了解这两种方法，我们可以更好地理解如何在各种渲染场景中优化着色器编译，从而提升应用的性能和用户体验。

为什么 Shader Compilation 会导致 Jank？

首先，我们需要理解为什么着色器编译会导致卡顿。着色器，本质上是用 GLSL（OpenGL Shading Language）或者 Metal Shading Language (MSL) 等高级着色语言编写的程序，它们运行在 GPU 上，负责处理图形渲染的各个阶段，比如顶点处理和像素着色。

当一个着色器第一次被使用时，GPU 驱动需要将这些高级语言编写的着色器代码编译成 GPU 可以直接执行的机器码。这个编译过程是一个计算密集型的任务，它涉及到词法分析、语法分析、优化和代码生成等多个步骤。

在移动设备或者嵌入式设备上，GPU 的计算能力相对有限，着色器编译的时间可能会很长，从几毫秒到几百毫秒不等。如果在渲染过程中，突然需要编译一个新的着色器，那么就会导致渲染线程阻塞，从而产生明显的卡顿现象，这就是 Shader Compilation Jank。

尤其是在动画或者滚动等需要流畅体验的场景中，即使是短暂的卡顿也会对用户体验造成很大的影响。因此，如何有效地避免或者减少着色器编译带来的卡顿，是一个非常重要的优化课题。

Skia 的着色器预编译策略

Skia 是 Google 开发的一个跨平台的 2D 图形库，被广泛应用于 Chrome、Android 等多个平台。为了解决 Shader Compilation Jank 的问题，Skia 采用了一种基于预编译的策略。

Skia 的预编译策略的核心思想是：在应用启动或者初始化阶段，预先将常用的着色器编译好，并将编译结果缓存起来。当应用在后续的渲染过程中需要使用这些着色器时，就可以直接从缓存中加载编译好的代码，而不需要进行实时的编译，从而避免了卡顿。

具体来说，Skia 的预编译策略可以分为以下几个步骤：

1. 着色器收集： Skia 会收集应用中常用的着色器代码。这些着色器可能来自于 Skia 内部的渲染管线，也可能来自于应用自定义的着色器。
2. 编译： Skia 会使用 GPU 驱动提供的编译器，将收集到的着色器代码编译成 GPU 可以执行的机器码。这个过程通常是在后台线程中进行的，以避免阻塞主线程。
3. 缓存： Skia 会将编译好的着色器代码缓存到磁盘或者内存中。缓存的格式可以是二进制文件，也可以是数据库。
4. 加载： 当应用在渲染过程中需要使用某个着色器时，Skia 会首先检查缓存中是否存在该着色器的编译结果。如果存在，则直接从缓存中加载，否则才进行实时的编译。

下面是一个简单的示例代码，展示了如何使用 Skia 的预编译策略：

#include "include/core/SkCanvas.h"
#include "include/core/SkSurface.h"
#include "include/core/SkShader.h"
#include "include/core/SkPaint.h"
#include "include/gpu/GrDirectContext.h"
#include "include/gpu/gl/GrGLInterface.h"

#include <iostream>
#include <fstream>

// 定义一个简单的着色器代码
const char* kShaderSource = R"(
  uniform vec4 uColor;
  void main() {
    gl_FragColor = uColor;
  }
)";

// 编译着色器并保存到文件
void compileAndSaveShader(GrDirectContext* context, const char* shaderSource, const char* filePath) {
  // 创建一个简单的着色器效果
  sk_sp<SkShader> shader = SkShader::MakeColor(SK_ColorRED); // 随便创建一个，为了获得 GrGLProgram
  GrGLProgram* program = nullptr; // 这里需要根据 Skia 内部机制获取 GrGLProgram，比较复杂，简化处理

  // 假设已经编译好并获得 program，这里只是模拟保存过程
  std::ofstream outputFile(filePath, std::ios::binary);
  if (outputFile.is_open()) {
    // 将编译后的着色器代码保存到文件 (实际情况需要序列化 GrGLProgram)
    // 这里简化为保存着色器源码，仅仅为了演示目的
    outputFile.write(shaderSource, strlen(shaderSource));
    outputFile.close();
    std::cout << "Shader compiled and saved to " << filePath << std::endl;
  } else {
    std::cerr << "Failed to open file for saving shader." << std::endl;
  }
}

// 从文件加载着色器
sk_sp<SkShader> loadShaderFromFile(GrDirectContext* context, const char* filePath) {
  std::ifstream inputFile(filePath, std::ios::binary);
  if (inputFile.is_open()) {
    std::string shaderSource((std::istreambuf_iterator<char>(inputFile)),
                             std::istreambuf_iterator<char>());
    inputFile.close();

    // 从文件加载着色器代码 (实际情况需要反序列化 GrGLProgram)
    // 这里简化为从源码创建 SkShader，仅仅为了演示目的
    return SkShader::MakeColor(SK_ColorBLUE); // 随便创建一个，表示加载成功
  } else {
    std::cerr << "Failed to open file for loading shader." << std::endl;
    return nullptr;
  }
}

int main() {
  // 创建 GrDirectContext
  sk_sp<const GrGLInterface> glInterface = GrGLMakeNativeInterface();
  sk_sp<GrDirectContext> directContext = GrDirectContext::MakeGL(glInterface);

  // 定义着色器缓存文件路径
  const char* shaderCachePath = "shader_cache.bin";

  // 尝试从缓存加载着色器
  sk_sp<SkShader> shader = loadShaderFromFile(directContext.get(), shaderCachePath);

  // 如果缓存中不存在，则编译并保存着色器
  if (!shader) {
    std::cout << "Shader not found in cache, compiling..." << std::endl;
    compileAndSaveShader(directContext.get(), kShaderSource, shaderCachePath);
    shader = loadShaderFromFile(directContext.get(), shaderCachePath); // 编译后再次加载
  } else {
    std::cout << "Shader loaded from cache." << std::endl;
  }

  // 使用着色器进行渲染
  if (shader) {
    // 创建一个 SkSurface
    auto surface = SkSurface::MakeRasterN32Premul(256, 256);
    SkCanvas* canvas = surface->getCanvas();

    // 创建一个 SkPaint
    SkPaint paint;
    paint.setShader(shader);

    // 使用着色器绘制一个矩形
    canvas->drawRect(SkRect::MakeWH(256, 256), paint);

    // 将图像保存到文件
    SkBitmap bitmap;
    surface->getCanvas()->draw(nullptr, &bitmap, nullptr);
    // saveBitmapToFile(bitmap, "output.png"); // 实际应用中需要实现这个函数
    std::cout << "Rendering complete." << std::endl;
  } else {
    std::cerr << "Failed to create shader." << std::endl;
  }

  return 0;
}

注意:

• 上面的代码只是一个简化的示例，用于演示 Skia 的预编译策略。在实际的应用中，Skia 的预编译过程要复杂得多。
• GrGLProgram 的获取和序列化/反序列化需要深入了解 Skia 内部的渲染机制，这里为了简化，直接保存着色器源码。
• saveBitmapToFile 函数需要根据具体的平台和文件格式来实现。

Skia 的预编译策略可以有效地减少 Shader Compilation Jank，但是也存在一些缺点：

• 存储空间： 预编译的着色器代码需要占用一定的存储空间，尤其是在着色器数量很多的情况下。
• 编译时间： 预编译的过程本身也需要花费一定的时间，这可能会延长应用的启动时间。
• 兼容性： 不同 GPU 驱动的编译器可能会产生不同的编译结果，因此需要针对不同的 GPU 架构进行预编译。

为了解决这些问题，Skia 也在不断地改进其预编译策略，比如采用更加高效的缓存格式，以及支持增量编译等。

Impeller 的 AOT 编译解决方案

Impeller 是 Flutter 团队开发的一个新的渲染引擎，旨在解决 Skia 在一些场景下的性能问题。Impeller 采用了 AOT（Ahead-of-Time）编译的方案来避免 Shader Compilation Jank。

AOT 编译是指在应用构建时，就将着色器代码编译成 GPU 可以直接执行的机器码，并将编译结果嵌入到应用中。这样，在应用运行时，就不需要进行实时的编译，从而避免了卡顿。

Impeller 的 AOT 编译方案的核心思想是：

1. 定义统一的着色器 IR（Intermediate Representation）： Impeller 定义了一种统一的着色器 IR，用于表示不同平台的着色器代码。这种 IR 类似于 LLVM 的 IR，可以方便地进行优化和代码生成。
2. 在构建时将着色器代码编译成 IR： 在应用构建时，Impeller 会将 GLSL 或者 MSL 等高级着色语言编写的着色器代码编译成统一的 IR。
3. 针对不同的平台进行代码生成： 在应用运行时，Impeller 会根据当前运行的平台（比如 iOS 或者 Android），将 IR 转换成 GPU 可以直接执行的机器码。这个过程通常是非常快速的，因为只需要进行简单的代码生成，而不需要进行复杂的编译优化。

下面是一个简化的示例，展示了 Impeller 的 AOT 编译方案：

// 假设这是 Impeller 的着色器 IR
struct ShaderIR {
  std::string type; // 着色器类型，比如 "vertex" 或者 "fragment"
  std::vector<std::string> instructions; // 指令列表
};

// 将 GLSL 编译成 ShaderIR (简化示例)
ShaderIR compileGLSLToIR(const std::string& glslSource) {
  ShaderIR ir;
  ir.type = "fragment";
  ir.instructions.push_back("LOAD_UNIFORM uColor");
  ir.instructions.push_back("FRAG_COLOR = uColor");
  return ir;
}

// 将 ShaderIR 编译成 Metal Shading Language (MSL)
std::string compileIRToMSL(const ShaderIR& ir) {
  std::string mslSource = "fragment half4 fragmentMain(constant half4& uColor) {n";
  mslSource += "  return uColor;n";
  mslSource += "}n";
  return mslSource;
}

// 将 ShaderIR 编译成 OpenGL Shading Language (GLSL)
std::string compileIRToGLSL(const ShaderIR& ir) {
  std::string glslSource = "uniform vec4 uColor;n";
  glslSource += "void main() {n";
  glslSource += "  gl_FragColor = uColor;n";
  glslSource += "}n";
  return glslSource;
}

int main() {
  // 定义 GLSL 着色器代码
  std::string glslSource = "uniform vec4 uColor;n";
  glslSource += "void main() {n";
  glslSource += "  gl_FragColor = uColor;n";
  glslSource += "}n";

  // 在构建时将 GLSL 编译成 ShaderIR
  ShaderIR shaderIR = compileGLSLToIR(glslSource);

  // 在运行时根据平台选择不同的代码生成器
#ifdef TARGET_OS_IPHONE
  // 编译成 Metal Shading Language (MSL)
  std::string mslSource = compileIRToMSL(shaderIR);
  std::cout << "MSL Source:n" << mslSource << std::endl;
  // 使用 MSL 创建 Metal 着色器
  // ...
#else
  // 编译成 OpenGL Shading Language (GLSL)
  std::string glslSource = compileIRToGLSL(shaderIR);
  std::cout << "GLSL Source:n" << glslSource << std::endl;
  // 使用 GLSL 创建 OpenGL 着色器
  // ...
#endif

  return 0;
}

注意:

• 上面的代码只是一个简化的示例，用于演示 Impeller 的 AOT 编译方案。在实际的应用中，Impeller 的 AOT 编译过程要复杂得多。
• ShaderIR 的定义和编译过程需要深入了解 Impeller 内部的渲染机制。
• 针对不同的平台，Impeller 需要实现不同的代码生成器。

Impeller 的 AOT 编译方案可以有效地避免 Shader Compilation Jank，但也存在一些缺点：

• 构建时间： AOT 编译需要在应用构建时进行，这可能会延长应用的构建时间。
• 应用体积： AOT 编译会将编译好的着色器代码嵌入到应用中，这可能会增加应用体积。
• 灵活性： AOT 编译需要在应用构建时确定着色器代码，这可能会降低应用的灵活性。

为了解决这些问题，Impeller 也在不断地改进其 AOT 编译方案，比如采用更加高效的 IR 格式，以及支持动态着色器等。

Skia 预编译 vs Impeller AOT

我们可以用一个表格来对比一下 Skia 的预编译策略和 Impeller 的 AOT 编译方案：

特性	Skia 预编译	Impeller AOT
编译时机	应用启动或者运行时	应用构建时
缓存位置	磁盘或者内存	应用内部
灵活性	较高，可以动态编译新的着色器	较低，需要在构建时确定着色器代码
构建时间	影响较小	可能会延长构建时间
应用体积	影响较小	可能会增加应用体积
性能	可以减少 Shader Compilation Jank，但仍可能存在	可以完全避免 Shader Compilation Jank
平台兼容性	需要针对不同的 GPU 架构进行预编译	通过统一的 IR，可以更好地支持跨平台

总结

Skia 的预编译策略和 Impeller 的 AOT 编译方案都是解决 Shader Compilation Jank 的有效方法。Skia 的预编译策略更加灵活，可以在运行时动态编译新的着色器，但是可能会存在一定的卡顿。Impeller 的 AOT 编译方案可以完全避免卡顿，但是需要在构建时确定着色器代码。

选择哪种方案，取决于具体的应用场景和需求。如果应用需要高度的灵活性，并且可以容忍一定的卡顿，那么可以选择 Skia 的预编译策略。如果应用对性能要求非常高，并且可以接受较长的构建时间和较大的应用体积，那么可以选择 Impeller 的 AOT 编译方案。

权衡利弊，选择适合的解决方案

Skia 和 Impeller 都在不断演进，它们处理着色器编译问题的方式也在不断完善。理解它们的策略，可以帮助开发者更好地选择适合自己项目的方案，平衡性能、灵活性和资源消耗。

未来趋势：更加智能的编译策略

未来的渲染引擎可能会采用更加智能的编译策略，比如基于机器学习的着色器预测，以及动态编译和 AOT 编译相结合的方案，从而更好地解决 Shader Compilation Jank，并提升应用的性能和用户体验。