C++游戏引擎开发指南：Shader文件的创建与使用-优快云博客

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/gitblog_00053/article/details/148601956

C++游戏引擎开发指南：Shader文件的创建与使用

cpp-game-engine-book 从零编写游戏引擎教程 Writing a game engine tutorial from scratch 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/cp/cpp-game-engine-book

前言

在现代游戏引擎开发中，Shader（着色器）是渲染管线的核心组成部分。本文将详细介绍如何在C++游戏引擎项目中管理和使用Shader文件，这是构建灵活、可维护渲染系统的重要一步。

Shader文件化的必要性

在之前的实现中，Shader代码被硬编码在头文件中，这种方式存在几个明显问题：

修改Shader需要重新编译整个项目
难以实现Shader的热重载
不利于团队协作和版本管理

将Shader代码分离到独立文件中可以解决这些问题，同时为后续的Shader管理功能（如Shader变体、Shader库等）打下基础。

Shader文件创建

文件命名规范

我们采用行业通用的命名方式：

顶点着色器：.vs 后缀
片段着色器：.fs 后缀

例如，一个基础的Unlit Shader会被拆分为：

Unlit.vs（顶点着色器）
Unlit.fs（片段着色器）

这种命名方式直观清晰，便于开发者快速识别Shader类型。

文件内容组织

将原先硬编码在shader_source.h中的代码分别迁移到对应的文件中。注意保持代码的完整性，特别是：

版本声明（如#version 330 core）
输入输出变量
Uniform变量
主函数逻辑

Shader加载与管理

Shader类设计

我们创建专门的Shader类来管理Shader的生命周期，主要职责包括：

文件加载与解析
Shader编译
程序链接
资源管理

关键方法实现

// 加载并解析Shader文件
void Shader::Parse(string shader_name) {
    shader_name_ = shader_name;
    
    // 构建完整文件路径
    string vertex_shader_path = shader_name + ".vs";
    string fragment_shader_path = shader_name + ".fs";
    
    // 读取文件内容
    string vertex_shader_code = ReadFile(vertex_shader_path);
    string fragment_shader_code = ReadFile(fragment_shader_path);
    
    CreateGPUProgram(vertex_shader_code.c_str(), fragment_shader_code.c_str());
}

GPU程序创建

将原先在main.cpp中的GPU程序创建逻辑迁移到Shader类中：

void Shader::CreateGPUProgram(const char* vertex_shader_text, 
                             const char* fragment_shader_text) {
    // 创建并编译顶点着色器
    unsigned int vertex_shader = glCreateShader(GL_VERTEX_SHADER);
    glShaderSource(vertex_shader, 1, &vertex_shader_text, NULL);
    glCompileShader(vertex_shader);
    
    // 检查编译错误...
    
    // 创建并编译片段着色器
    unsigned int fragment_shader = glCreateShader(GL_FRAGMENT_SHADER);
    glShaderSource(fragment_shader, 1, &fragment_shader_text, NULL);
    glCompileShader(fragment_shader);
    
    // 检查编译错误...
    
    // 链接着色器程序
    gl_program_id_ = glCreateProgram();
    glAttachShader(gl_program_id_, vertex_shader);
    glAttachShader(gl_program_id_, fragment_shader);
    glLinkProgram(gl_program_id_);
    
    // 检查链接错误...
    
    // 删除着色器对象
    glDeleteShader(vertex_shader);
    glDeleteShader(fragment_shader);
}

性能优化：Shader缓存

在游戏运行时，频繁创建和销毁Shader会导致性能问题。我们实现一个简单的缓存机制：

// 静态Shader映射表
static unordered_map<string, Shader*> kShaderMap;

Shader* Shader::Find(string shader_name) {
    // 查找现有Shader
    auto iter = kShaderMap.find(shader_name);
    if(iter != kShaderMap.end()) {
        return iter->second;
    }
    
    // 创建新Shader
    Shader* shader = new Shader();
    shader->Parse(shader_name);
    
    // 加入缓存
    kShaderMap[shader_name] = shader;
    
    return shader;
}

这种设计模式确保了：

相同Shader只加载一次
全局可访问
生命周期管理

在渲染中使用Shader

初始化阶段

// 加载Shader
Shader* shader = Shader::Find("../data/shader/unlit");

// 获取Uniform和Attribute位置
mvp_location = glGetUniformLocation(shader->gl_program_id(), "u_mvp");
vpos_location = glGetAttribLocation(shader->gl_program_id(), "a_pos");
// ...其他Uniform和Attribute

渲染阶段

// 激活Shader程序
glUseProgram(shader->gl_program_id());

// 设置Uniform值
glUniformMatrix4fv(mvp_location, 1, GL_FALSE, &mvp[0][0]);

// 启用和设置顶点属性
glEnableVertexAttribArray(vpos_location);
glVertexAttribPointer(vpos_location, 3, GL_FLOAT, false, sizeof(Vertex), 0);
// ...其他渲染设置

// 执行绘制
glDrawElements(GL_TRIANGLES, 6, GL_UNSIGNED_SHORT, 0);