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Android 上的 Vulkan 著色器編譯器

Vulkan 應用程式管理著色器的方式必須與 OpenGL ES 應用程式不同：OpenGL ES 著色器是構成 GLSL 著色器程式來源文字的一組字串。相反地，Vulkan API 則要求著色器的形式為 SPIR-V 模組中的進入點。

NDK 12 以上版本包含將 GLSL 編譯至 SPIR-V 的執行階段程式庫。這個執行階段程式庫與 Shaderc 開放原始碼專案中的相同，並使用相同的 Glslang GLSL 參照編譯器做為後端。根據預設，Shaderc 版本的編譯器會假設您是進行 Vulkan 編譯作業。檢查程式碼是否適用 Vulkan 後，編譯器就會自動啟用 KHR_vulkan_glsl 擴充功能。Shaderc 版本的編譯器還會產生與 Vulkan 相容的 SPIR-V 程式碼。

您可以選擇在開發過程中將 SPIR-V 模組編譯至 Vulkan 應用程式，這種做法稱為「預先」(即 AOT) 編譯。或者，也可以讓應用程式在執行階段期間視需要編譯這些模組，來源為搭載的著色器或程序產生的著色器。這種做法稱為「執行階段編譯」。 Android Studio 已整合支援功能，可以建構 Vulkan 著色器。

本頁的其他部分將詳細介紹各項做法，並說明如何將著色器編譯項目整合至 Vulkan 應用程式。

AOT 編譯

如以下各節所述，您可以透過兩種方法進行著色器 AOT 編譯。

使用 Android Studio

將著色器放入 app/src/main/shaders/ 後，Android Studio 會依副檔名辨識著色器，並完成以下操作：

在該目錄下週期性編譯所有著色器檔案。
將 .spv 後置字串附加到已編譯的 SPIR-V 著色器檔案。
將 SPIRV 著色器封裝至 APK 的 assets/shaders/ 目錄。

應用程式執行時會從對應的 assets/shaders/ 位置載入已編譯的著色器；已編譯的 spv 著色器檔案結構，與 app/src/main/shaders/ 底下應用程式的 GLSL 著色器檔案結構相同：

AAsset* file = AAssetManager_open(assetManager,
                     "shaders/tri.vert.spv", AASSET_MODE_BUFFER);
size_t fileLength = AAsset_getLength(file);
char* fileContent = new char[fileLength];
AAsset_read(file, fileContent, fileLength);

您可以在 Gradle DSL shaders 區塊中設定 Shaderc 編譯標記，如以下範例所示：

Groovy

android {
  defaultConfig {
    shaders {
      glslcArgs.addAll(['-c', '-g'])
      scopedArgs.create('lights') {
        glslcArgs.addAll(['-DLIGHT1=1', '-DLIGHT2=0'])
      }
    }
  }
}

Kotlin

android {
  defaultConfig {
    shaders {
        glslcArgs += listOf("-c", "-g")
        glslcScopedArgs("lights", "-DLIGHT1=1", "-DLIGHT2=0")
    }
  }
}

glslcArgs 適用於所有著色器編譯；scopedArgs 僅適用於該範圍的編譯作業。上述範例建立的範圍引數 lights 僅適用於 app/src/main/shaders/lights/ 目錄下的 GLSL 著色器。如需可用編譯標記的完整清單，請參閱 glslc。請注意，NDK 中的 Shaderc 是 NDK 發布時該 GitHub 存放區中的快照；您可以使用 glslc --help 指令取得對應版本支援的確切標記，詳情請見下一節。

離線指令列編譯

您可以使用 glslc 指令列編譯器，將 GLSL 著色器編譯成不受主要應用程式影響的 SPIR-V。NDK 12 以上版本會將某個版本的預建 glslc 和相關工具封裝至 <android-ndk-dir>/shader-tools/ 目錄，以便支援這種使用模式。

您也可以從 Shaderc 專案取得編譯器，請按照相關操作說明建構二進位檔版本。

glslc 為著色器編譯提供了豐富的指令列選項，能夠滿足應用程式的各種需求。

glslc 工具可將單一來源檔案編譯成包含單一著色器進入點的 SPIR-V 模組。根據預設，輸出檔案的名稱與來源檔案的名稱相同，但附加了 .spv 副檔名。

您可以使用檔案名稱副檔名來告知 glslc 工具要編譯的圖形著色器階段，或者指示是否正在編譯某個運算著色器。如要瞭解如何使用這些檔案名稱副檔名，以及這項工具的運用方式，請參閱 glslc 手冊中的著色器階段規格。

執行階段編譯

針對執行階段期間著色器的 JIT 編譯，NDK 提供同時包含 C 和 C++ API 的 Libshaderc 程式庫。

C++ 應用程式應使用 C++ API。我們建議以其他語言編寫的應用程式採用 C API，因為 C ABI 級別較低，穩定性可能更佳。

以下範例說明了如何使用 C++ API：

#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
#include <shaderc/shaderc.hpp>

std::vector<uint32_t> compile_file(const std::string& name,
                                   shaderc_shader_kind kind,
                                   const std::string& data) {
  shaderc::Compiler compiler;
  shaderc::CompileOptions options;

  // Like -DMY_DEFINE=1
  options.AddMacroDefinition("MY_DEFINE", "1");

  shaderc::SpvCompilationResult module = compiler.CompileGlslToSpv(
      data.c_str(), data.size(), kind, name.c_str(), options);

  if (module.GetCompilationStatus() !=
      shaderc_compilation_status_success) {
    std::cerr << module.GetErrorMessage();
  }

  std::vector<uint32_t> result(module.cbegin(), module.cend());
  return result;
}

整合至專案

您可以使用專案的 Android.mk 檔案或 Gradle，將 Vulkan 著色器編譯器整合至應用程式。

Android.mk

請執行下列步驟，使用專案的 Android.mk 檔案來整合著色器編譯器。

在 Android.mk 檔案中加入下列這幾行程式碼：

include $(CLEAR_VARS)
     ...
LOCAL_STATIC_LIBRARIES := shaderc
     ...
include $(BUILD_SHARED_LIBRARY)

$(call import-module, third_party/shaderc)

在應用程式的 Application.mk 中，將 APP_STL 設為 c++_static、c++_shared、gnustl_static 或 gnustl_shared 的之一

Gradle 的 CMake 整合

在終端機視窗中，前往 ndk_root/sources/third_party/shaderc/。

執行下列指令來建構 NDK 的 Shaderc。在您使用的每個 NDK 版本中，只需執行這個指令一次：

$ ../../../ndk-build NDK_PROJECT_PATH=. APP_BUILD_SCRIPT=Android.mk \
APP_STL:=<stl_version> APP_ABI=all libshaderc_combined

這個指令會將兩個資料夾置於 <ndk_root>/sources/third_party/shaderc/。目錄結構如下：

include/
  shaderc/
    shaderc.h
    shaderc.hpp
libs/
  <stl_version>/
    {all of the abis}
       libshaderc.a

按照您平常對類似外部程式庫執行的動作，使用 target_include_directories 和 target_link_libraries 新增產生的 include 和 lib。應用程式的 STL 類型必須與 stl_version 中指定的其中一個 stl 類型相符。NDK 建議使用 c++_shared 或 c++_static，但也支援 gnustl_static 和 gnustl_shared。

取得最新版 Shaderc

NDK 中的 Shaderc 來自 Android 來源樹狀結構，它是上游 Shaderc 存放區的快照。如需最新版 Shaderc，請參閱建構操作說明瞭解詳情。大致步驟如下：

下載最新版 Shaderc：

git clone https://github.com/google/shaderc.git

更新依附元件：
```
./utils/git-sync-deps
```

建構 Shaderc：

<ndk_dir>/ndk-build NDK_PROJECT_PATH=. APP_BUILD_SCRIPT=Android.mk \
    APP_STL:=c++_static APP_ABI=all libshaderc_combined -j16

設定專案，在建構指令碼檔案中使用自己的 Shaderc 版本。