UnityShaderVariant的一些探究心得

Posted 2020-10-03 Esfog

　　最近遇到了一个问题，角色在Unity编辑器里运行渲染结果都是好的，打包到ios上却发现,角色身上渲染的很黑.花了些时间查了查，又试了试，把这方面算是初步弄清楚了。

　　先说出现问题的原因,由于我们把shader打包进了AssetBundle中，并且在Shader中使用了shader_feature来定义了宏。

　　为了完整起见,先从unity的shader  variant说起。

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 ShaderVariant

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 　　举个例子,对于一个支持法线贴图的Shader来说,用户肯定希望无论是否为材质提供法线贴图它的Shader都能正确的进行渲染处理。一般有两种方法来保证这种需求：

　　1.在底层shader(GLSL,HLSL等)定义一个由外部传进来的变量(如int),有没有提供法线贴图由外部来判断并给这个shader传参,若是有则传0，否则传1，在Shader用if对这个变量进行判断，然后在两个分支中进行对应的处理。

　　2.对底层shader封装,如Unity的ShaderLab就是这种，然后在上层为用户提供定义宏的功能,并决定宏在被定义和未被定义下如何处理。最终编译时，根据上层的宏定义,根据不同的组合编译出多套底层shader.

　　上述两种方法,各有利弊,对于前者由于引入了条件判断,会影响最终shader在GPU上的执行效率。而后者则会导致生成的shader源码(或二进制文件)变大。Unity中内置的Shader往往采取的是后者，所以这里只讨论这种情况。   

　　Unity的Shader中通过multi_compile和shader_feature来定义宏(keyword)。最终编译的时候也是根据这些宏来编译成多种组合形式的Shader源码。其中每一种组合就是这个Uniy Shader的一个Variant。

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 Material与ShaderVariant的关系

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 　　一个Material同一时刻只能对应它所使用的Shader的一个variant。进行切换的要使用Material.EnableKeyword()和Material.DisableKeyword()来开关对应的宏,然后Unity会根据你设定的组合来匹配响应的shader variant进行渲染。如果你是在编辑器非运行模式下进行的修改那么这些keyword的设置会被保存到材质的.mat文件中,尝试用NotePad++打开.mat文件,你应该会看到类似于下面的一段内容(需要在编辑器设置里把AssetSerializationMode设置为Force Text):

 1 %YAML 1.1
 2 
 3 %TAG !u! tag:unity3d.com,2011:
 4 
 5 --- !u!21 &2100000
 6 
 7 Material:
 8 
 9   serializedVersion: 6
10 
11   m_ObjectHideFlags: 0
12 
13   m_PrefabParentObject: {fileID: 0}
14 
15   m_PrefabInternal: {fileID: 0}
16 
17   m_Name: New Material
18 
19   m_Shader: {fileID: 4800000, guid: 3e0be7fac8c0b7c4599935fa92c842a4, type: 3}
20 
21   m_ShaderKeywords: _B
22 
23   m_LightmapFlags: 1
24 
25   m_CustomRenderQueue: -1
26 
27   …

　　其中的m_ShaderKeywords就保存了这个材质球使用了哪些宏(keyword).

　　如果你手头有built-in Shader的源码可以打开里面的StandardShaderGUI.cs看一下Unity自己事怎么处理对于StandardShader的keyword设置的。

　　另外Shader.EnableKeyword,和Shader.DisableKeyword是对Shader进行全局宏设置的,这里不提了。

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 multi_compile和shader_feature的区别

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 　　完全没接触过它们的同学可以先看官方文档的介绍,multi_compile是一直都有的,shader_feature是后来的unity版本中加入的关键字。

举例介绍一下multi_compile和shader_feature：

1.如果你在shader中添加了

1 #pragma multi_compile  _A _B
2 #pragma multi_compile  _C _D

　　那么无论这些宏是否真的被用到,你的shader都会被Unity编译成四个variant,分别包含了_A _C,_A _D, _B _C,_B _D四种keyword组合的代码

2.如果是

1 #pragma shader_feature _A _B
2 #pragma shader_feature _C _D

　　那么你的shader只会保留生成被用到的keyword组合的variant,至于如何判定哪些组合被用到了,等后面提到Assetbundle时候再说。

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 ShaderVariant与Assetbundle的关系

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　　我所遇到的问题正是和Assetbundle(简称AB)有关,原因是打成AB包之后shader_feature所定义的宏没有被正确包含进去。

　　上面说了multi_compile定义的keyword是一定能正确的生成对应的多种组合的shaderVariant,但shader_feature不尽然，Unity引入shader_feature就是为了避免multi_compile那种完整编译所导致组合爆炸,很多根本不会被使用的shader_variant也会被生成。Unity在处理shader_feature时会判断相应的keyword组合是否被使用。需要区分一下几种情况：

　　1.如果shader没有与使用它的材质打在一个AB中,那么shader_feature的所有宏相关的代码都不会被包含进AB包中(有一种例外,就是当shader_feature _A这种形式的时候是可以的),这个shader最终被程序从AB包中拿出来使用也会是错误的(粉红色).

　　2.把shader和使用它的材质放到一个AB包中,但是材质中没有保存任何的keyword信息(你在编辑器中也是这种情况),shader_feature会默认的把第一个keyword也就是上面的_A和_C(即每个shader_feature的第一个)作为你的选择。而不会把_A _D,_B _C,_B _D这三种组合的代码编译到AB包中。

　　3.把shader和使用它的材质放到一个AB包中,并且材质保存了keyword信息(_A _C)为例,那么这个AB包就只包含_A _C的shaderVariant.

　　可以看到shader_feature所定义的keyword产生的ShaderVariant并不是全部被打包到AB中,特别是你想在游戏运行时动态的通过EnableKeyWorld函数来进行动态修改材质使用的shaderVariant,如果一开始就没有把对于variant放进AB包，自然也就找不到。

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 ShaderVariantCollection

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　　要正确的让各种variant正确的在游戏运行时正确处理，

最直接暴力的两种方法：

1.把Shader放到在ProjectSetting->Graphics->Always Include Shaders列表里,Unity就会编译所有的组合变种。

2.把Shader放到Resources文件夹下,也会正确处理,我猜也应该是全部keyword组合都编译,有知道的同学,麻烦留言告诉我。

　　但是这两种情况最大的问题就是组合爆炸的问题,如果keyword比较少还好，要是多了那真是不得了，比如你把standardShader放进去,由于它有大量的keyword，全部变种都生成的话大概有几百兆。另外一个问题就是这种办法没法热更新。自然不如放到AB包里的好控制。

　　放到AB包就又涉及到shader_feature的处理,为了在运行时动态切换材质的shadervariant,可以在工程里新建一堆材质，然后把每个材质设置成一种想要的keyword组合,把他们和shader放到一起打到一个AB中去，这样虽然能让shadervariant正确生成，但是这些Material是完全多余的。

　　为了解决这种问题,Unity5.0以后引入了ShaderVariantCollection(下面简称SVC),这里不讲用法，只说问题，这个SVC文件可以让我指定某个shader要编译都要编译带有哪些keyword的变种。并且在ProjectSetting->Graphics界面新加了一个Preloaded Shaders列表，可以让你把SVC文件放进去，编译时指定的Shader就会按照SVC中的设置进行正确的variant生成，而不会像Always Include Shaders列表中的那样全部变种都生成。

　　但是它在AB中的表现可就不尽如人意了，要让它起作用，就必须把它和对应的shader放在一个AB中，而且除了5.6以外版本，我试了几个都不能正确使用，不是一个variant都没生成，就是只生成一个shadervariant(和放一个没有设置keyword的材质效果一样).你可以自己用UnityStudio打开查看一下生成的AB内容。

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写在最后

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　　应该正确的理解Unity提供multi_compile和shader_feature以及ShaderVariantCollection的意图，根据自己的情况来选择合理的解决方案。

　　在查这个问题的过程中也google了一些，发现国外在这方面的讨论远没国内多，应该是因为老外很少使用热更新这种东西，也自然很少用AB。

　　

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