Vulkan中PushConstant是干嘛的？

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vulkan

我想问下PushConstant的作用，在Opengl之前感觉没有见过，它跟UBO的区别是什么？更新频率更快么？有没有更加详细的例子说明下？UBO在某种情况下也能更新，如果是新特性，为什么不直接优化UBO，而要新增一个特性？

刘泽5
2 Answers

Push Constants 是一种快速将少量统一数据提供给着色器的方式。它应该比使用 Uniform Buffer Objects (UBOs) 快得多，但有一个巨大的限制是数据的大小——规范要求为一个 Push Constant 范围提供至少 128 字节的空间。硬件供应商可能会支持更大的大小，但与其他方法相比，这仍然是非常小的（例如 256 字节）。

由于 Push Constants 比其他描述符（我们通过这些资源向着色器提供数据）快得多，因此它们非常适合用于在绘制调用之间变化的数据，比如变换矩阵。

从着色器的角度来看，Push Constants 通过 layout( push_constant ) 限定符和一个统一数据块来声明。例如：

layout( push_constant ) uniform ColorBlock {
  vec4 Color;
} PushConstant;

从应用程序的角度来看，如果着色器想要使用 Push Constants，它们必须在创建管线布局时指定。然后必须将 vkCmdPushConstants() 命令记录到命令缓冲区中。此函数需要一个指向内存的指针，从中将数据复制到 Push Constant 范围。

同一管线的不同着色器阶段可以使用相同的 Push Constant 数据块（类似于 UBOs），或者使用整个范围的一部分。但是，重要的是，每个着色器阶段只能使用一个 Push Constant 数据块。它可以包含多个成员。另一个重要的点是，所有使用 Push Constants 的着色器阶段的总数据大小必须适合大小限制。因此，这个限制不是针对每个阶段，而是针对整个范围。

Vulkan Cookbook 的仓库中有一个示例展示了简单的 Push Constants 使用场景。Sascha Willems 的 Vulkan 示例也包含了一个展示如何使用 Push Constants 的样本。

白胜16

在Vulkan中，Push Constants是一种快速访问内存的方式，用于将少量数据传递给着色器。它们主要用于传递需要频繁更改的数据，如渲染管线的状态信息、着色器程序参数等。

Push Constant vs UBO（Uniform Buffer Object）

  1. Push Constant：

    • Push Constants允许你在CPU上设置一组连续的内存区域，并将其直接推送到GPU。
    • 它们通常比UBO更小（最大为4KB），并且可以更快地更新。
    • 使用Push Constants时，你可以避免显式创建和管理缓冲区对象，从而简化了内存管理和绑定过程。
    • Push Constants的布局是紧密的，这意味着它们没有填充字节，使得数据排列更加紧凑。
    • 在Vulkan中，Push Constants的使用受到限制：它们必须是连续的，并且不能超过4KB。此外，它们必须在渲染命令执行前设置。

  2. Uniform Buffer Object (UBO)：

    • UBO是OpenGL中的概念，但在Vulkan中也有类似的机制。
    • UBO允许你将大量数据打包到一个缓冲区中，并通过绑定方式传递给着色器。
    • UBO的大小通常更大，可以达到几MB。
    • 更新UBO可能需要更多的开销，因为需要绑定缓冲区对象并管理其生命周期。
    • UBO支持更复杂的布局，包括填充字节以对齐数据。

更新频率

  • Push Constants更适合频繁更新的数据，因为它们可以直接推送，无需额外的内存管理和绑定操作。
  • UBO适用于需要一次性更新或不那么频繁更新的大块数据。

为什么需要Push Constants

虽然UBO也可以更新，但它们的设计初衷是为了传递相对静态的数据。对于需要频繁更新的小数据集，UBO的更新过程可能会引入不必要的开销。因此，Push Constants提供了一种更高效的方式来处理这类数据。

示例代码

以下是一个简单的Vulkan Push Constant使用的示例：

// 定义Push Constant结构体
struct PushConstants {
    float scale;
    float offset;
};

// 创建Pipeline Layout
VkPipelineLayoutCreateInfo pipelineLayoutInfo{};
pipelineLayoutInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_PIPELINE_LAYOUT_CREATE_INFO;
pipelineLayoutInfo.setLayoutCount = 0;
pipelineLayoutInfo.pSetLayouts = nullptr;
pipelineLayoutInfo.pushConstantRangeCount = 1;
pipelineLayoutInfo.pPushConstantRanges = &pushConstantRange;

VkPushConstantRange pushConstantRange{};
pushConstantRange.stageFlags = VK_SHADER_STAGE_VERTEX_BIT;
pushConstantRange.offset = 0;
pushConstantRange.size = sizeof(PushConstants);

VkPipelineLayout pipelineLayout;
vkCreatePipelineLayout(device, &pipelineLayoutInfo, nullptr, &pipelineLayout);

// 在渲染命令中设置Push Constant
vkCmdPushConstants(
    commandBuffer,
    pipelineLayout,
    VK_SHADER_STAGE_VERTEX_BIT,
    0,
    sizeof(PushConstants),
    &pushConstants
);

在这个示例中，PushConstants 结构体包含两个浮点数，用于传递缩放和偏移值。在渲染命令中，我们使用 vkCmdPushConstants 函数将这些值直接推送到GPU。

总结

Push Constants提供了一种高效的方式来传递频繁更新的小数据集。它们在设计上与UBO有所不同，适用于不同的场景。虽然UBO也可以更新，但对于需要频繁更改的数据，Push Constants提供了更低的开销和更简洁的API。

刘泽5