Dunia pengaturcaraan grafik telah lama terbahagi kepada dua pendekatan: bahasa shader tradisional seperti GLSL dan HLSL untuk kerja grafik, dan bahasa yang lebih berkuasa seperti C++ untuk pengkomputeran am. Perpecahan ini telah mewujudkan masalah bagi pembangun yang terpaksa menguruskan sintaks yang berbeza, ciri terhad, dan pangkalan kod yang berasingan. Kini, pengkompil Vcc berjanji untuk merapatkan jurang ini dengan membenarkan kod C++ standard berjalan terus sebagai shader Vulkan.
Masalah dengan Bahasa Shader Tradisional
Bahasa shader semasa membawa beban dari zaman awal mereka ketika perkakasan grafik jauh lebih terhad. GLSL dan HLSL direka bentuk ketika program shader adalah mudah dan kecil, yang membawa kepada sekatan pada penunjuk, rekursi, dan peruntukan memori dinamik. Batasan ini masuk akal pada tahun-tahun lalu, tetapi pengaturcaraan grafik moden memerlukan kod yang jauh lebih canggih.
Komuniti telah berkecewa dengan kekangan ini. Pembangun sering mendapati diri mereka menulis semula logik dalam pelbagai bahasa - sekali untuk kod CPU dan sekali lagi untuk shader GPU. Pertindihan ini mewujudkan pepijat, membazir masa, dan menjadikan penyahpepijatan sukar kerana algoritma yang sama mungkin berkelakuan berbeza merentas platform.
Had Semasa Bahasa Shader Tradisional:
- Tiada sokongan penunjuk dalam GLSL/HLSL tradisional
- Rekursi dilarang atau dihadkan dengan ketat
- Tiada peruntukan memori dinamik
- Sokongan penunjuk fungsi yang terhad
- Aliran kerja kompilasi dan penyahpepijatan yang berasingan
Mengapa C++ untuk Shader Masuk Akal
Dorongan ke arah pengaturcaraan shader berasaskan C++ bukan hanya mengenai kemudahan. CUDA telah membuktikan bahawa C++ boleh berfungsi dengan cemerlang untuk pengaturcaraan GPU, menyokong standard C++20 penuh sambil mencapai prestasi terbaik. Wawasan utama adalah belajar menulis C++ yang berfungsi dengan perkakasan GPU dan bukannya menentangnya.
Beberapa pembangun dalam komuniti telah mengalami faedah secara langsung. Perpustakaan Mathematics Unity menunjukkan pendekatan ini dengan sempurna - ia menyediakan jenis C# yang mencerminkan vektor dan matriks terbina dalam HLSL dengan tepat. Ini membolehkan pembangun menulis fungsi matematik sekali dalam C# dan menyalinnya terus ke dalam fail HLSL tanpa sebarang perubahan.
Saya benar-benar hanya menyalin-tampal bahagian kod CPU saya terus ke dalam fail HLSL, dengan mengharapkan sepenuhnya ia akan menimbulkan beberapa ralat sintaks atau memerlukan pengubahsuaian. Tetapi tidak. Ia berjalan dengan sempurna, tiada perubahan diperlukan.
Pengalaman Pembangunan yang Lebih Baik Mendorong Penggunaan
Selain pertimbangan prestasi, pengalaman pembangunan memainkan peranan besar dalam trend ini. C++ menawarkan perkakas yang lebih baik berbanding bahasa shader tradisional - penyahpepijat yang lebih baik, rangka kerja ujian, penyerlahan sintaks, dan sokongan IDE. Apabila bekerja pada projek grafik yang kompleks, alat ini boleh mempercepatkan pembangunan dengan ketara dan mengurangkan pepijat.
Keupayaan untuk menyahpepijat logik shader pada CPU dahulu, kemudian memindahkannya ke GPU dengan perubahan minimum, mewakili peningkatan aliran kerja yang besar. Alat penyahpepijatan CPU jauh lebih matang daripada alternatif GPU, menjadikan pendekatan ini sangat berharga untuk algoritma kompleks seperti path tracing atau pengiraan pencahayaan lanjutan.
Cabaran Teknikal dan Penyelesaian
Pengkompil Vcc menghadapi halangan teknikal yang ketara dalam menterjemahkan C++ kepada kod yang serasi dengan shader. GPU moden menyokong ciri seperti alamat peranti buffer untuk operasi seperti penunjuk, tetapi keupayaan ini tidak tersedia secara universal merentas semua platform. Peranti Android mudah alih, khususnya, mungkin mendakwa sokongan untuk ciri Vulkan lanjutan sambil mengalami isu pemacu dalam amalan.
Pengkompil juga mesti mengendalikan aliran kawalan dengan berhati-hati. Seni bina GPU berfungsi terbaik dengan aliran kawalan berstruktur, tetapi fleksibiliti C++ boleh mewujudkan corak yang tidak memetakan dengan baik kepada model pelaksanaan GPU. Ciri seperti intrinsik subgroup memerlukan pengendalian khas yang tidak disediakan oleh pengkompil C++ standard.
Status Sokongan Platform:
- Alamat peranti buffer: 97.89% sokongan dalam Vulkan 1.2
- Mobile Android: Sokongan pemacu terhad/tidak boleh dipercayai
- GPU Desktop: Disokong secara meluas
- Intrinsik subkumpulan: Memerlukan aliran kawalan berstruktur yang belum dilaksanakan
Momentum Industri Sedang Membina
Industri grafik jelas bergerak ke arah model pengaturcaraan bersatu. DirectX Microsoft kini menyokong SPIR-V, dan bahasa baru seperti Slang (pada asasnya HLSL++) semakin mendapat tarikan. Malah Metal Shading Language Apple menggunakan subset C++. Sementara itu, bahasa shader tradisional kehilangan momentum - Khronos mengakui bahawa pembangunan GLSL pada dasarnya telah terhenti, dengan kebanyakan syarikat beralih kepada HLSL atau alternatif yang lebih baru.
Penumpuan ini masuk akal dari perspektif teknikal dan perniagaan. Enjin permainan dan aplikasi grafik biasanya ditulis dalam C++, jadi menggunakan bahasa yang sama untuk shader menghapuskan pertukaran konteks dan mengurangkan keluk pembelajaran untuk pembangun.
Pengkompil Vcc mewakili langkah penting ke arah menjadikan pengaturcaraan GPU lebih mudah diakses dan produktif. Walaupun cabaran kekal mengenai keserasian platform dan pengoptimuman, pendekatan asas untuk menganggap shader sebagai bahasa khusus domain terbenam dalam C++ nampaknya adalah masa depan pengaturcaraan grafik.
Rujukan: No More Shading Languages: Compiling C++ to Vulkan Shaders