Shader Warmup 策略：捕获 SKSL 并在首次启动时预编译的自动化管线
各位同学，大家好。今天我们来深入探讨一个优化图形应用启动性能的关键技术：Shader Warmup。具体来说，我们将构建一个自动化管线，用于捕获 Skia Shader Language (SKSL) 代码，并在应用首次启动时进行预编译，从而显著减少运行时编译的开销。
为什么需要 Shader Warmup？
在现代图形应用中，Shader 扮演着至关重要的角色，负责处理光照、纹理、特效等视觉效果。然而，Shader 的编译是一个相对耗时的过程。如果 Shader 在运行时首次被使用时才进行编译，会导致明显的卡顿和掉帧，尤其是在应用启动阶段，严重影响用户体验。
Shader Warmup 的目的就是将 Shader 的编译过程提前到应用启动时，或者更早，从而避免运行时编译带来的性能问题。通过预编译 Shader，我们可以将编译后的二进制代码缓存起来，并在运行时直接加载使用，极大地缩短渲染准备时间。
Skia Shader Language (SKSL) 与 Shader Warmup
Skia 是一个广泛使用的 2D 图形库，被 Chrome、Flutter 等众多项目采用。Skia 使用自己的 Shader 语言 SKSL，它是一种高级语言，可以被编译成各种平台的底层 Shader 语言，例如 GLSL、Metal Shading Language (MSL)、HLSL 等。
因此，针对 Skia 应用的 Shader Warmup，核心在于捕获和预编译 SKSL 代码。我们的目标是构建一个管线，能够：
- 自动捕获 SKSL 代码： 识别应用中使用到的所有 SKSL Shader。
- 预编译 SKSL 代码： 将 SKSL 代码编译成目标平台的底层 Shader 代码。
- 存储预编译结果： 将编译后的 Shader 代码存储起来，以便在运行时加载。
- 运行时加载预编译 Shader： 在应用启动时，加载预编译的 Shader 代码，替代运行时编译。
自动化管线的构建
下面，我们将逐步构建一个自动化管线，实现上述目标。
1. SKSL 代码捕获
捕获 SKSL 代码的方法有很多种，这里介绍一种基于 Skia 内部接口的方案。Skia 提供了一些接口，允许我们拦截 Shader 的编译过程，从而获取 SKSL 代码。
#include "include/core/SkShader.h"
#include "include/core/SkString.h"
#include "include/private/SkSL.h"
#include "src/sksl/SkSLCompiler.h"
#include <iostream>
#include <fstream>
#include <string>
#include <vector>
// 全局变量，用于存储捕获到的 SKSL 代码
std::vector<std::string> g_capturedSKSL;
// 自定义 ShaderProvider，用于拦截 Shader 的编译过程
class CaptureShaderProvider : public SkShader::Provider {
public:
CaptureShaderProvider(std::unique_ptr<SkShader::Provider> wrapped)
: fWrapped(std::move(wrapped)) {}
std::unique_ptr<SkShader::Program> createProgram(
const CreateProgramArgs& args) override {
// 获取 SKSL 代码
SkString sksl;
if (args.fCompiler->toSkSL(args.fProgram, &sksl)) {
// 将 SKSL 代码保存到全局变量
g_capturedSKSL.push_back(sksl.c_str());
std::cout << "Captured SKSL: " << sksl.c_str() << std::endl;
}
// 调用原始的 ShaderProvider，继续 Shader 的编译过程
return fWrapped->createProgram(args);
}
private:
std::unique_ptr<SkShader::Provider> fWrapped;
};
// 用于替换 Skia 默认 ShaderProvider 的函数
std::unique_ptr<SkShader::Provider> CreateCaptureShaderProvider(
std::unique_ptr<SkShader::Provider> original) {
return std::make_unique<CaptureShaderProvider>(std::move(original));
}
// 将捕获到的 SKSL 代码保存到文件
void SaveCapturedSKSL(const std::string& filename) {
std::ofstream outputFile(filename);
if (outputFile.is_open()) {
for (const auto& sksl : g_capturedSKSL) {
outputFile << sksl << std::endl;
outputFile << "//--------------------------------------------------" << std::endl; // 分隔符
}
outputFile.close();
std::cout << "SKSL saved to " << filename << std::endl;
} else {
std::cerr << "Unable to open file: " << filename << std::endl;
}
}
// 测试代码
int main() {
// 创建 SkSurface
sk_sp<SkSurface> surface = SkSurface::MakeRasterN32Premul(256, 256);
SkCanvas* canvas = surface->getCanvas();
// 替换 Skia 默认的 ShaderProvider
SkShader::SetProviderFactory(CreateCaptureShaderProvider);
// 绘制一些内容，触发 Shader 的编译
SkPaint paint;
paint.setColor(SK_ColorRED);
canvas->drawRect(SkRect::MakeXYWH(10, 10, 100, 100), paint);
paint.setColor(SK_ColorBLUE);
canvas->drawCircle(150, 150, 50, paint);
// 保存捕获到的 SKSL 代码
SaveCapturedSKSL("captured_sksl.txt");
return 0;
}这段代码的关键在于 CaptureShaderProvider 类。它继承自 SkShader::Provider，并重写了 createProgram 方法。在 createProgram 方法中，我们首先调用 args.fCompiler->toSkSL 将 Shader 程序转换为 SKSL 代码，然后将 SKSL 代码保存到全局变量 g_capturedSKSL 中。最后，我们调用原始的 ShaderProvider，继续 Shader 的编译过程。
通过 SkShader::SetProviderFactory 函数，我们可以将 CaptureShaderProvider 设置为 Skia 默认的 ShaderProvider。这样，每次 Skia 编译 Shader 时，我们都可以拦截到 SKSL 代码。
编译和运行：
- 确保你已经安装了 Skia 库。
- 将代码保存为
capture_sksl.cpp。 -
使用以下命令编译代码（根据你的 Skia 安装路径进行调整）：
g++ capture_sksl.cpp -o capture_sksl -I/path/to/skia -lskia -
运行编译后的可执行文件：
./capture_sksl
运行后，你会在当前目录下找到一个名为 captured_sksl.txt 的文件，其中包含了捕获到的 SKSL 代码。
2. SKSL 代码预编译
捕获到 SKSL 代码后，我们需要将其预编译成目标平台的底层 Shader 代码。Skia 提供了命令行工具 skslc，可以用于 SKSL 代码的编译。
skslc --spirv captured_sksl.txt -o precompiled_shaders.spirv这个命令会将 captured_sksl.txt 中的 SKSL 代码编译成 SPIR-V 格式的 Shader 代码，并保存到 precompiled_shaders.spirv 文件中。
注意：
- 你需要根据你的目标平台选择合适的编译选项。例如，如果你的目标平台是 Metal，可以使用
--metal选项；如果你的目标平台是 OpenGL，可以使用--glsl选项。 skslc工具通常包含在 Skia 的构建目录中。你需要将其添加到你的环境变量中，才能在命令行中使用。
为了方便自动化，我们可以编写一个脚本来批量编译 SKSL 代码。例如，使用 Python：
import os
import subprocess
def compile_sksl(input_file, output_file, target):
"""编译 SKSL 代码."""
try:
command = [
"skslc",
f"--{target}", # 根据目标平台选择编译选项
input_file,
"-o",
output_file,
]
subprocess.run(command, check=True, capture_output=True, text=True)
print(f"Successfully compiled {input_file} to {output_file} for {target}")
except subprocess.CalledProcessError as e:
print(f"Error compiling {input_file} for {target}:")
print(e.stderr)
if __name__ == "__main__":
input_file = "captured_sksl.txt"
output_file_glsl = "precompiled_shaders_glsl.glsl"
output_file_metal = "precompiled_shaders_metal.metal"
output_file_spirv = "precompiled_shaders_spirv.spirv"
compile_sksl(input_file, output_file_glsl, "glsl")
compile_sksl(input_file, output_file_metal, "metal")
compile_sksl(input_file, output_file_spirv, "spirv")这个脚本可以根据不同的目标平台（GLSL、Metal、SPIR-V）编译 SKSL 代码，并将编译后的 Shader 代码保存到不同的文件中。
3. 存储预编译结果
编译后的 Shader 代码需要存储起来，以便在运行时加载。存储方式有很多种，例如：
- 文件系统： 将编译后的 Shader 代码保存到文件系统中。
- 资源文件： 将编译后的 Shader 代码嵌入到应用的资源文件中。
- 数据库： 将编译后的 Shader 代码存储到数据库中。
选择哪种存储方式取决于你的应用的需求。如果你的应用需要支持多个平台，并且需要动态更新 Shader 代码，那么使用数据库可能是一个不错的选择。如果你的应用只需要支持一个平台，并且不需要动态更新 Shader 代码，那么使用文件系统或资源文件可能更加简单。
4. 运行时加载预编译 Shader
在应用启动时，我们需要加载预编译的 Shader 代码，并将其应用到 Skia 中。Skia 提供了相应的 API，可以用于加载外部的 Shader 代码。
#include "include/core/SkShader.h"
#include "include/core/SkString.h"
#include "include/gpu/GrDirectContext.h"
#include "include/gpu/GrContextThreadSafeProxy.h"
#include "src/gpu/ganesh/GrShaderUtils.h"
#include "src/gpu/ganesh/gl/GrGLProgram.h" // For GrGLProgram::Create
#include <iostream>
#include <fstream>
#include <string>
#include <vector>
// 从文件中加载 GLSL Shader 代码
std::string LoadGLSLShader(const std::string& filename) {
std::ifstream inputFile(filename);
if (inputFile.is_open()) {
std::string content((std::istreambuf_iterator<char>(inputFile)),
(std::istreambuf_iterator<char>()));
inputFile.close();
return content;
} else {
std::cerr << "Unable to open file: " << filename << std::endl;
return "";
}
}
// 应用预编译的 GLSL Shader
bool ApplyPrecompiledGLSLShader(GrDirectContext* directContext, SkPaint& paint, const std::string& glslCode) {
if (!directContext) {
std::cerr << "GrDirectContext is null." << std::endl;
return false;
}
// 这里需要更复杂的逻辑来解析 GLSL 代码，并将其应用到 SkPaint 中
// 这通常涉及到 GrGLProgram 的创建和配置
// 由于这部分代码比较复杂，这里只提供一个框架
// **注意：** 这部分代码需要根据你的具体需求进行修改
// 简化的示例：假设 GLSL 代码是一个简单的颜色 Shader
// 实际情况需要根据 GLSL 代码的内容进行更复杂的处理
// 1. 创建 GrFragmentProcessor
// 2. 将 GrFragmentProcessor 应用到 SkPaint 中
// This is a placeholder. Real implementation depends on the shader content.
// Consider using GrShaderUtils::CreateShader or similar functions.
std::cout << "Applying precompiled GLSL shader..." << std::endl;
// **Important:** The following code is a placeholder and will likely not work
// without significant modification. It's intended to illustrate the general
// idea of how to apply a precompiled shader.
// In a real implementation, you would need to:
// 1. Parse the GLSL code to identify the inputs and outputs.
// 2. Create a GrFragmentProcessor that matches the shader's interface.
// 3. Configure the GrFragmentProcessor with the appropriate uniforms and attributes.
// 4. Attach the GrFragmentProcessor to the SkPaint.
return true;
}
int main() {
// 创建 GrDirectContext (这里需要根据你的平台进行初始化)
// 这部分代码省略，你需要根据你的平台选择合适的 GrDirectContext 创建方式
GrDirectContext* directContext = nullptr; // 替换为你的 GrDirectContext 初始化代码
// 加载预编译的 GLSL Shader 代码
std::string glslCode = LoadGLSLShader("precompiled_shaders_glsl.glsl");
if (glslCode.empty()) {
std::cerr << "Failed to load GLSL shader." << std::endl;
return 1;
}
// 创建 SkSurface
sk_sp<SkSurface> surface = SkSurface::MakeRasterN32Premul(256, 256);
SkCanvas* canvas = surface->getCanvas();
// 创建 SkPaint
SkPaint paint;
paint.setColor(SK_ColorRED);
// 应用预编译的 GLSL Shader
if (directContext) {
if (!ApplyPrecompiledGLSLShader(directContext, paint, glslCode)) {
std::cerr << "Failed to apply precompiled GLSL shader." << std::endl;
return 1;
}
} else {
std::cerr << "Direct Context is not initialized, skipping shader application." << std::endl;
}
// 绘制一些内容，使用预编译的 Shader
canvas->drawRect(SkRect::MakeXYWH(10, 10, 100, 100), paint);
// 保存结果 (可选)
// sk_sp<SkImage> image = surface->makeImageSnapshot();
// SkBitmap bitmap;
// image->asLegacyBitmap(&bitmap);
// ... 保存 bitmap 到文件
return 0;
}重要提示： ApplyPrecompiledGLSLShader 函数中的代码只是一个占位符。实际应用中，你需要根据你的 GLSL 代码的内容进行更复杂的处理，例如解析 GLSL 代码，创建 GrFragmentProcessor，配置 GrFragmentProcessor 的 Uniforms 和 Attributes，并将 GrFragmentProcessor 附加到 SkPaint 中。这部分代码的实现取决于你的 GLSL 代码的复杂程度。
5. 自动化集成
将上述步骤集成到一个自动化管线中，可以使用各种构建工具，例如 CMake、Gradle 等。
一个典型的自动化管线如下：
- 构建阶段：
- 编译 SKSL 代码捕获工具。
- 运行 SKSL 代码捕获工具，生成 SKSL 代码文件。
- 使用
skslc工具编译 SKSL 代码文件，生成预编译的 Shader 代码文件。 - 将预编译的 Shader 代码文件打包到应用的资源文件中。
- 运行时阶段：
- 在应用启动时，加载预编译的 Shader 代码文件。
- 使用 Skia API 将预编译的 Shader 代码应用到 Skia 中。
优化策略
除了上述基本步骤，还可以采取一些优化策略，进一步提升 Shader Warmup 的效果：
- Shader 代码去重： 识别并去除重复的 Shader 代码，减少编译时间和存储空间。
- 按需编译： 只编译应用启动时必须使用的 Shader 代码，延迟编译其他 Shader 代码。
- 后台编译： 在后台线程中编译 Shader 代码，避免阻塞主线程。
- 多线程编译： 使用多线程并行编译 Shader 代码，加快编译速度。
- 平台特定优化： 针对不同的平台，使用不同的编译选项和优化策略。
总结
Shader Warmup 是一种有效的优化图形应用启动性能的技术。通过捕获 SKSL 代码，并在应用首次启动时进行预编译，我们可以显著减少运行时编译的开销，提升用户体验。构建自动化管线，可以简化 Shader Warmup 的流程，提高开发效率。
未来方向
进一步探索更智能的 Shader Warmup 策略，例如基于用户行为的预测性编译，以及基于机器学习的 Shader 代码优化，将有助于进一步提升图形应用的性能和用户体验。不断优化，才能让Shader Warmup 发挥更大的作用。