高级GLSL
1.GLSL的内建变量
着色器都是最简化的，如果需要当前着色器以外地方的数据的话，我们必须要将数据传进来。我们已经学会使用顶点属性、uniform和采样器来完成这一任务了。然而，除此之外，GLSL还定义了另外几个以gl_为前缀的变量，它们能提供给我们更多的方式来读取/写入数据。我们已经在前面教程中接触过其中的两个了：顶点着色器的输出向量gl_Position，和片段着色器的gl_FragCoord。
1.1.顶点着色器变量
我们已经见过gl_Position了，它是顶点着色器的裁剪空间输出位置向量。如果你想在屏幕上显示任何东西，在顶点着色器中设置gl_Position是必须的步骤。
gl_PointSize:
我们能够选用的其中一个图元是GL_POINTS，如果使用它的话，每一个顶点都是一个图元，都会被渲染为一个点。我们可以通过OpenGL的glPointSize函数来设置渲染出来的点的大小，但我们也可以在顶点着色器中修改这个值。
GLSL定义了一个叫做gl_PointSize输出变量，它是一个float变量，你可以使用它来设置点的宽高（像素）。在顶点着色器中修改点的大小的话，你就能对每个顶点设置不同的值了。
在顶点着色器中修改点大小的功能默认是禁用的，如果你需要启用它的话，你需要启用OpenGL的GL_PROGRAM_POINT_SIZE：
glEnable(GL_PROGRAM_POINT_SIZE);
一个简单的例子就是将点的大小设置为裁剪空间位置的z值，也就是顶点距观察者的距离。点的大小会随着观察者距顶点距离变远而增大。
void main()
{gl_Position = projection * view * model * vec4(aPos, 1.0); gl_PointSize = gl_Position.z;
}
结果就是，当我们远离这些点的时候，它们会变得更大：
gl_VertexID:
gl_Position和gl_PointSize都是输出变量，因为它们的值是作为顶点着色器的输出被读取的。我们可以对它们进行写入，来改变结果。顶点着色器还为我们提供了一个有趣的输入变量，我们只能对它进行读取，它叫做gl_VertexID。
整型变量gl_VertexID储存了正在绘制顶点的当前ID。当（使用glDrawElements）进行索引渲染的时候，这个变量会存储正在绘制顶点的当前索引。当（使用glDrawArrays）不使用索引进行绘制的时候，这个变量会储存从渲染调用开始的已处理顶点数量。
1.2.片段着色器变量
在片段着色器中，我们也能访问到一些有趣的变量。GLSL提供给我们两个有趣的输入变量：gl_FragCoord和gl_FrontFacing。
gl_FragCoord:
在讨论深度测试的时候，我们已经见过gl_FragCoord很多次了，因为gl_FragCoord的z分量等于对应片段的深度值。然而，我们也能使用它的x和y分量来实现一些有趣的效果。
gl_FragCoord的x和y分量是片段的窗口空间(Window-space)坐标，其原点为窗口的左下角。我们已经使用glViewport设定了一个800x600的窗口了，所以片段窗口空间坐标的x分量将在0到800之间，y分量在0到600之间。
通过利用片段着色器，我们可以根据片段的窗口坐标，计算出不同的颜色。gl_FragCoord的一个常见用处是用于对比不同片段计算的视觉输出效果，这在技术演示中可以经常看到。比如说，我们能够将屏幕分成两部分，在窗口的左侧渲染一种输出，在窗口的右侧渲染另一种输出。下面这个例子片段着色器会根据窗口坐标输出不同的颜色：
void main()
{ if(gl_FragCoord.x < 400)FragColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);elseFragColor = vec4(0.0, 1.0, 0.0, 1.0);
}
因为窗口的宽度是800。当一个像素的x坐标小于400时，它一定在窗口的左侧，所以我们给它一个不同的颜色。
gl_FrontFacing:
片段着色器另外一个很有意思的输入变量是gl_FrontFacing。在[面剔除](https://learnopengl-cn.github.io/04 Advanced OpenGL/04 Face culling/)教程中，我们提到OpenGL能够根据顶点的环绕顺序来决定一个面是正向还是背向面。如果我们不（启用GL_FACE_CULL来）使用面剔除，那么gl_FrontFacing将会告诉我们当前片段是属于正向面的一部分还是背向面的一部分。举例来说，我们能够对正向面计算出不同的颜色。
gl_FrontFacing变量是一个bool，如果当前片段是正向面的一部分那么就是true，否则就是false。比如说，我们可以这样子创建一个立方体，在内部和外部使用不同的纹理：
#version 330 core
out vec4 FragColor;
in vec2 TexCoords;
uniform sampler2D frontTexture;
uniform sampler2D backTexture;
void main()
{ if(gl_FrontFacing)FragColor = texture(frontTexture, TexCoords);elseFragColor = texture(backTexture, TexCoords);
}
注意，如果你开启了面剔除，你就看不到箱子内部的面了，所以现在再使用gl_FrontFacing就没有意义了。
gl_FragDepth:
输入变量gl_FragCoord能让我们读取当前片段的窗口空间坐标，并获取它的深度值，但是它是一个只读(Read-only)变量。我们不能修改片段的窗口空间坐标，但实际上修改片段的深度值还是可能的。GLSL提供给我们一个叫做gl_FragDepth的输出变量，我们可以使用它来在着色器内设置片段的深度值。
要想设置深度值，我们直接写入一个0.0到1.0之间的float值到输出变量就可以了：
gl_FragDepth = 0.0; // 这个片段现在的深度值为 0.0
如果着色器没有写入值到gl_FragDepth，它会自动取用gl_FragCoord.z的值。
然而，由我们自己设置深度值有一个很大的缺点，只要我们在片段着色器中对gl_FragDepth进行写入，OpenGL就会（像[深度测试](https://learnopengl-cn.github.io/04 Advanced OpenGL/01 Depth testing/)小节中讨论的那样）禁用所有的提前深度测试(Early Depth Testing)。
2.接口块
到目前为止，每当我们希望从顶点着色器向片段着色器发送数据时，我们都声明了几个对应的输入/输出变量。将它们一个一个声明是着色器间发送数据最简单的方式了，但当程序变得更大时，你希望发送的可能就不只是几个变量了，它还可能包括数组和结构体。
为了帮助我们管理这些变量，GLSL为我们提供了一个叫做接口块(Interface Block)的东西，来方便我们组合这些变量。接口块的声明和struct的声明有点相像，不同的是，现在根据它是一个输入还是输出块(Block)，使用in或out关键字来定义的。
#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos;
layout (location = 1) in vec2 aTexCoords;
uniform mat4 model;
uniform mat4 view;
uniform mat4 projection;
out VS_OUT
{vec2 TexCoords;
} vs_out;
void main()
{gl_Position = projection * view * model * vec4(aPos, 1.0); vs_out.TexCoords = aTexCoords;
}
这次我们声明了一个叫做vs_out的接口块，它打包了我们希望发送到下一个着色器中的所有输出变量。这只是一个很简单的例子，但你可以想象一下，它能够帮助你管理着色器的输入和输出。当我们希望将着色器的输入或输出打包为数组时，它也会非常有用。
之后，我们还需要在下一个着色器，即片段着色器，中定义一个输入接口块。块名(Block Name)应该是和着色器中一样的（VS_OUT），但实例名(Instance Name)（顶点着色器中用的是vs_out）可以是随意的，但要避免使用误导性的名称，比如对实际上包含输入变量的接口块命名为vs_out。
#version 330 core
out vec4 FragColor;
in VS_OUT
{vec2 TexCoords;
} fs_in;uniform sampler2D texture;
void main()
{ FragColor = texture(texture, fs_in.TexCoords);
}
只要两个接口块的名字一样，它们对应的输入和输出将会匹配起来。这是帮助你管理代码的又一个有用特性，它在几何着色器这样穿插特定着色器阶段的场景下会很有用。
3.Uniform缓冲对象
当使用多于一个的着色器时，尽管大部分的uniform变量都是相同的，我们还是需要不断地设置它们，所以为什么要这么麻烦地重复设置它们呢？
OpenGL为我们提供了一个叫做Uniform缓冲对象(Uniform Buffer Object)的工具，它允许我们定义一系列在多个着色器程序中相同的全局Uniform变量。当使用Uniform缓冲对象的时候，我们只需要设置相关的uniform一次。当然，我们仍需要手动设置每个着色器中不同的uniform。并且创建和配置Uniform缓冲对象会有一点繁琐。
因为Uniform缓冲对象仍是一个缓冲，我们可以使用glGenBuffers来创建它，将它绑定到GL_UNIFORM_BUFFER缓冲目标，并将所有相关的uniform数据存入缓冲。在Uniform缓冲对象中储存数据是有一些规则的，我们将会在之后讨论它。
首先，我们将使用一个简单的顶点着色器，将projection和view矩阵存储到所谓的Uniform块(Uniform Block)中：
#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos;
layout (std140) uniform Matrices
{mat4 projection;mat4 view;
};uniform mat4 model;
void main()
{gl_Position = projection * view * model * vec4(aPos, 1.0);
}
在我们大多数的例子中，我们都会在每个渲染迭代中，对每个着色器设置projection和view Uniform矩阵。这是利用Uniform缓冲对象的一个非常完美的例子，因为现在我们只需要存储这些矩阵一次就可以了。
这里，我们声明了一个叫做Matrices的Uniform块，它储存了两个4x4矩阵。Uniform块中的变量可以直接访问，不需要加块名作为前缀。接下来，我们在OpenGL代码中将这些矩阵值存入缓冲中，每个声明了这个Uniform块的着色器都能够访问这些矩阵。
你现在可能会在想layout (std140)这个语句是什么意思。它的意思是说，当前定义的Uniform块对它的内容使用一个特定的内存布局。这个语句设置了Uniform块布局(Uniform Block Layout)。
3.1.Uniform块布局
Uniform块的内容是储存在一个缓冲对象中的，它实际上只是一块预留内存。因为这块内存并不会保存它具体保存的是什么类型的数据，我们还需要告诉OpenGL内存的哪一部分对应着着色器中的哪一个uniform变量。
假设着色器中有以下的这个Uniform块：
layout (std140) uniform ExampleBlock
{float value;vec3 vector;mat4 matrix;float values[3];bool boolean;int integer;
};
我们需要知道的是每个变量的大小（字节）和（从块起始位置的）偏移量，来让我们能够按顺序将它们放进缓冲中。每个元素的大小都是在OpenGL中有清楚地声明的，而且直接对应C++数据类型，其中向量和矩阵都是大的float数组。
OpenGL没有声明的是这些变量间的间距(Spacing)。这允许硬件能够在它认为合适的位置放置变量。比如说，一些硬件可能会将一个vec3放置在float边上。不是所有的硬件都能这样处理，可能会在附加这个float之前，先将vec3填充(Pad)为一个4个float的数组。这个特性本身很棒，但是会对我们造成麻烦。
默认情况下，GLSL会使用一个叫做共享(Shared)布局的Uniform内存布局，共享是因为一旦硬件定义了偏移量，它们在多个程序中是共享并一致的。
使用共享布局时，GLSL是可以为了优化而对uniform变量的位置进行变动的，只要变量的顺序保持不变。因为我们无法知道每个uniform变量的偏移量，我们也就不知道如何准确地填充我们的Uniform缓冲了。我们能够使用像是glGetUniformIndices这样的函数来查询这个信息，但这超出本节的范围了。
虽然共享布局给了我们很多节省空间的优化，但是我们需要查询每个uniform变量的偏移量，这会产生非常多的工作量。通常的做法是，不使用共享布局，而是使用std140布局。
std140布局声明了每个变量的偏移量都是由一系列规则所决定的，这显式地声明了每个变量类型的内存布局。由于这是显式提及的，我们可以手动计算出每个变量的偏移量。
每个变量都有一个基准对齐量(Base Alignment)，它等于一个变量在Uniform块中所占据的空间（包括填充量(Padding)），这个基准对齐量是使用std140布局的规则计算出来的。
接下来，对每个变量，我们再计算它的对齐偏移量(Aligned Offset)，它是一个变量从块起始位置的字节偏移量。一个变量的对齐字节偏移量必须等于基准对齐量的倍数。
布局规则的原文可以在OpenGL的Uniform缓冲规范这里找到，但我们将会在下面列出最常见的规则。GLSL中的每个变量，比如说int、float和bool，都被定义为4字节量。每4个字节将会用一个N来表示。
| 类型 | 布局规则 |
|---|---|
| 标量，比如int和bool | 每个标量的基准对齐量为N。 |
| 向量 | 2N或者4N。这意味着vec3的基准对齐量为4N。 |
| 标量或向量的数组 | 每个元素的基准对齐量与vec4的相同。 |
| 矩阵 | 储存为列向量的数组，每个向量的基准对齐量与vec4的相同。 |
| 结构体 | 等于所有元素根据规则计算后的大小，但会填充到vec4大小的倍数。 |
和OpenGL大多数的规范一样，使用例子就能更容易地理解。我们会使用之前引入的那个叫做ExampleBlock的Uniform块，并使用std140布局计算出每个成员的对齐偏移量：
layout (std140) uniform ExampleBlock
{// 基准对齐量 // 对齐偏移量float value; // 4 // 0 vec3 vector; // 16 // 16 (必须是16的倍数，所以 4->16)mat4 matrix; // 16 // 32 (列 0)// 16 // 48 (列 1)// 16 // 64 (列 2)// 16 // 80 (列 3)float values[3]; // 16 // 96 (values[0])// 16 // 112 (values[1])// 16 // 128 (values[2])bool boolean; // 4 // 144int integer; // 4 // 148
};
使用计算后的偏移量值，根据std140布局的规则，我们就能使用像是glBufferSubData的函数将变量数据按照偏移量填充进缓冲中了。虽然std140布局不是最高效的布局，但它保证了内存布局在每个声明了这个Uniform块的程序中是一致的。
通过在Uniform块定义之前添加layout (std140)语句，我们告诉OpenGL这个Uniform块使用的是std140布局。除此之外还可以选择两个布局，但它们都需要我们在填充缓冲之前先查询每个偏移量。我们已经见过shared布局了，剩下的一个布局是packed。
当使用紧凑(Packed)布局时，是不能保证这个布局在每个程序中保持不变的（即非共享），因为它允许编译器去将uniform变量从Uniform块中优化掉，这在每个着色器中都可能是不同的。
3.2.使用Uniform缓冲
我们已经讨论了如何在着色器中定义Uniform块，并设定它们的内存布局了，但我们还没有讨论该如何使用它们。
首先，我们需要调用glGenBuffers，创建一个Uniform缓冲对象。一旦我们有了一个缓冲对象，我们需要将它绑定到GL_UNIFORM_BUFFER目标，并调用glBufferData，分配足够的内存。
unsigned int uboExampleBlock;
glGenBuffers(1, &uboExampleBlock);
glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, uboExampleBlock);
glBufferData(GL_UNIFORM_BUFFER, 152, NULL, GL_STATIC_DRAW); // 分配152字节的内存
glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, 0);
现在，每当我们需要对缓冲更新或者插入数据，我们都会绑定到uboExampleBlock，并使用glBufferSubData来更新它的内存。我们只需要更新这个Uniform缓冲一次，所有使用这个缓冲的着色器就都使用的是更新后的数据了。
但是，如何才能让OpenGL知道哪个Uniform缓冲对应的是哪个Uniform块呢？
在OpenGL上下文中，定义了一些绑定点(Binding Point)，我们可以将一个Uniform缓冲链接至它。在创建Uniform缓冲之后，我们将它绑定到其中一个绑定点上，并将着色器中的Uniform块绑定到相同的绑定点，把它们连接到一起。下面的这个图示展示了这个：
你可以看到，我们可以绑定多个Uniform缓冲到不同的绑定点上。因为着色器A和着色器B都有一个链接到绑定点0的Uniform块，它们的Uniform块将会共享相同的uniform数据，uboMatrices，前提条件是两个着色器都定义了相同的Matrices Uniform块。
为了将Uniform块绑定到一个特定的绑定点中，我们需要调用glUniformBlockBinding函数，它的第一个参数是一个程序对象，之后是一个Uniform块索引和链接到的绑定点。
Uniform块索引(Uniform Block Index)是着色器中已定义Uniform块的位置值索引。这可以通过调用glGetUniformBlockIndex来获取，它接受一个程序对象和Uniform块的名称。
我们可以用以下方式将图示中的Lights Uniform块链接到绑定点2：
// 获取着色器中命名块对象的索引
unsigned int lights_index = glGetUniformBlockIndex(shaderA.ID, "Lights");
// 为索引分配绑定点
glUniformBlockBinding(shaderA.ID, lights_index, 2);
注意我们需要对每个着色器重复这一步骤。
接下来，我们还需要绑定Uniform缓冲对象到相同的绑定点上，这可以使用glBindBufferBase或glBindBufferRange来完成。
// 将数据源关联到指定绑定点
glBindBufferBase(GL_UNIFORM_BUFFER, 2, uboExampleBlock);
// 或
glBindBufferRange(GL_UNIFORM_BUFFER, 2, uboExampleBlock, 0, 152);
glBindbufferBase需要一个目标，一个绑定点索引和一个Uniform缓冲对象作为它的参数。这个函数将uboExampleBlock链接到绑定点2上，自此，绑定点的两端都链接上了。
你也可以使用glBindBufferRange函数，它需要一个附加的偏移量和大小参数，这样子你可以绑定Uniform缓冲的特定一部分到绑定点中。通过使用glBindBufferRange函数，你可以让多个不同的Uniform块绑定到同一个Uniform缓冲对象上。
现在，所有的东西都配置完毕了，我们可以开始向Uniform缓冲中添加数据了。只要我们需要，就可以使用glBufferSubData函数，用一个字节数组添加所有的数据，或者更新缓冲的一部分。
要想更新uniform变量boolean，我们可以用以下方式更新Uniform缓冲对象：
glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, uboExampleBlock);
int b = true; // GLSL中的bool是4字节的，所以我们将它存为一个integer
glBufferSubData(GL_UNIFORM_BUFFER, 144, 4, &b);
glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, 0);
数据了。只要我们需要，就可以使用glBufferSubData函数，用一个字节数组添加所有的数据，或者更新缓冲的一部分。
要想更新uniform变量boolean，我们可以用以下方式更新Uniform缓冲对象：
glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, uboExampleBlock);
int b = true; // GLSL中的bool是4字节的，所以我们将它存为一个integer
glBufferSubData(GL_UNIFORM_BUFFER, 144, 4, &b);
glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, 0);
如果使用Uniform缓冲对象的话，你可以在着色器中使用更多的uniform。OpenGL限制了它能够处理的uniform数量，这可以通过GL_MAX_VERTEX_UNIFORM_COMPONENTS来查询。当使用Uniform缓冲对象时，最大的数量会更高。
