103.性能优化-GPU-着色器优化-ComputeShader-常用API
103.1 知识点
ComputeShader 常用 API 指的是什么
目前已经掌握了 Compute Shader 的核心知识点，已经能够使用 Compute Shader 来帮助我们完成计算需求。这节课来整理下 Compute Shader 中的常用 API（大部分学习过，补充部分新 API）。
C# 常用 API
以下 API 均通过 ComputeShader 或 ComputeBuffer 对象调用。
FindKernel — 查找入口函数索引
- 作用： 根据内核函数名获取其在 Compute Shader 中的索引，后续
Dispatch、SetBuffer、SetTexture等 API 都需要该索引。 - 参数：
string name— Compute Shader 中#pragma kernel声明的函数名 - 返回值：
int— 内核索引（找不到会抛出异常）
int index = computeShader.FindKernel("CSMain");
Dispatch — 按线程组数量启用 GPU 执行
- 作用： 向 GPU 提交计算指令，启动指定数量的线程组执行目标内核。调用后 GPU 异步执行，不阻塞 CPU。
- 参数：
int kernelIndex— 内核索引（由FindKernel获取）int x, int y, int z— x / y / z 三个维度的线程组数量（均 >= 1）
- 返回值： 无
computeShader.Dispatch(index, 64, 64, 1);
设置参数相关 API
所有 Set 方法都需要在 Dispatch 之前调用，变量名必须和 Compute Shader 中声明一致。
SetFloat — 设置 float 参数
- 参数：
string name变量名，float value值 - 返回值：无
- 对应 HLSL 类型：
float
SetInt — 设置 int 参数
- 参数：
string name变量名，int value值 - 返回值：无
- 对应 HLSL 类型：
int/uint
SetBool — 设置 bool 参数
- 参数：
string name变量名，bool value值 - 返回值：无
- 对应 HLSL 类型：
bool
SetVector — 设置向量参数
- 参数：
string name变量名，Vector4 value四维向量 - 返回值：无
- 对应 HLSL 类型：
float2/float3/float4（低维度时多余分量被忽略）
SetFloats — 设置浮点数组或低维向量
- 参数：
string name变量名，params float[] values可变长浮点参数 - 返回值：无
- 对应 HLSL 类型：
float2/float3/float[]数组（建议非 4 维向量用此 API 替代SetVector）
SetMatrix — 设置矩阵参数
- 参数：
string name变量名，Matrix4x4 value4×4 矩阵 - 返回值：无
- 对应 HLSL 类型：
float4x4（小于 4×4 的矩阵需在 HLSL 侧截取转换）
SetBuffer — 绑定结构化缓冲区
- 参数：
int kernelIndex内核索引，string name缓冲区变量名，ComputeBuffer buffer缓冲区对象 - 返回值：无
- 对应 HLSL 类型：
StructuredBuffer<T>/RWStructuredBuffer<T>等
SetTexture — 绑定纹理
- 参数：
int kernelIndex内核索引，string name纹理变量名，Texture tex纹理对象 - 返回值：无
- 对应 HLSL 类型：
Texture2D/RWTexture2D等（可写纹理需enableRandomWrite = true）
SetConstantBuffer — 设置常量缓冲区
- 参数：
string name常量缓冲区名，ComputeBuffer buffer数据源，int offset字节偏移，int size字节大小 - 返回值：无
- 对应 HLSL 类型：
cbuffer块
GetKernelThreadGroupSizes — 获取线程组大小
- 作用：查询指定内核的
[numthreads(x,y,z)]设置值，可在 C# 侧动态计算 Dispatch 参数 - 参数：
int kernelIndex内核索引，out uint x, out uint y, out uint z输出的线程组维度 - 返回值：无（通过 out 参数返回）
computeShader.GetKernelThreadGroupSizes(index, out uint threadX, out uint threadY, out uint threadZ);
int groupsX = Mathf.CeilToInt(width / (float)threadX);
ComputeBuffer 相关 API
构造函数 new ComputeBuffer(count, stride)
- 作用：在 GPU 显存中分配一块缓冲区
- 参数：
int count元素数量，int stride单个元素字节数（必须与 GPU 侧结构体大小一致） - 可选重载：
new ComputeBuffer(count, stride, ComputeBufferType type)— 指定缓冲区类型（如Raw、Append）
SetData(T[] data)
- 作用：将 CPU 端数组数据上传到 GPU 缓冲区
- 参数：
T[] data或List<T> data（类型和大小必须与构造时匹配） - 返回值：无
GetData(T[] data)
- 作用：从 GPU 缓冲区同步读取数据到 CPU 端数组（会阻塞主线程）
- 参数：
T[] data接收数据的数组 - 返回值：无
Release()
- 作用：释放 GPU 缓冲区占用的显存资源，避免内存泄漏。使用完毕后必须调用
- 参数：无
- 返回值：无
ComputeBuffer.CopyCount(src, dst, dstOffsetBytes)
- 作用：将
AppendStructuredBuffer/ConsumeStructuredBuffer的内部计数器值拷贝到目标缓冲区，用于统计 GPU 动态生成的数据数量 - 参数：
ComputeBuffer src带计数器的源缓冲区，ComputeBuffer dst目标缓冲区，int dstOffsetBytes目标缓冲区中的字节偏移 - 返回值：无
注意： 新版本中有一个 GraphicsBuffer 类，它的用法和 ComputeBuffer 类似，它可以和 SRP 等更好地配合。
AsyncGPUReadback — 异步获取 GPU 数据
- 作用： 异步读取 GPU 缓冲区或纹理数据，不阻塞主线程，读取完成后通过回调返回结果（最快下一帧返回）。
- 参数：
ComputeBuffer buffer或Texture src— 要读取的 GPU 资源Action<AsyncGPUReadbackRequest> callback— 完成后的回调函数
- 返回值：
AsyncGPUReadbackRequest（可用于查询状态）
AsyncGPUReadback.Request(computeBuffer, (request) =>
{
if (!request.hasError)
{
NativeArray<int> data = request.GetData<int>();
}
});
SystemInfo.supportsComputeShaders — 判断设备支持
- 作用： 检测当前运行设备是否支持 Compute Shader，建议在初始化时检测，不支持则降级处理。
- 类型：
bool（只读属性）
if (SystemInfo.supportsComputeShaders)
{
// 使用 ComputeShader
}
EnableKeyword / DisableKeyword — 动态编译关键字
- 作用： 动态启用或关闭 Compute Shader 中的编译关键字，可用于在同一个 Compute Shader 文件中实现多功能切换（类似 Shader 的
#pragma multi_compile）。 - 参数：
string keyword— 关键字名称 - 返回值： 无
computeShader.EnableKeyword("USE_FEATURE_A");
computeShader.DisableKeyword("USE_FEATURE_A");
Compute Shader 内常用 API
参数三兄弟（系统语义）
| 语义 | 类型 | 说明 |
|---|---|---|
SV_DispatchThreadID |
uint3 |
全局线程 ID，每个线程在整个 Dispatch 中的唯一索引，可直接映射到数据下标 |
SV_GroupThreadID |
uint3 |
组内线程 ID，当前线程在所属线程组内的局部索引 |
SV_GroupID |
uint3 |
线程组 ID，当前线程组在整个 Dispatch 网格中的位置索引 |
[numthreads(8,8,1)]
void CSMain(uint3 id : SV_DispatchThreadID,
uint3 groupId : SV_GroupID,
uint3 groupThreadId : SV_GroupThreadID)
{
// id = groupId * numthreads + groupThreadId
}
HLSL 内置数学函数
| 函数 | 参数 | 返回值 | 说明 |
|---|---|---|---|
lerp(a, b, t) |
a, b: 起止值；t: 插值因子 [0,1] | 与 a 同类型 | 线性插值，返回 a + t * (b - a) |
step(edge, x) |
edge: 阈值；x: 输入值 | float | 阶跃函数，x >= edge 返回 1，否则返回 0 |
saturate(x) |
x: 输入值 | float | 将值钳制到 [0, 1] 范围 |
smoothstep(min, max, x) |
min, max: 范围边界；x: 输入值 | float | Hermite 平滑插值，x < min 返回 0，x > max 返回 1，之间平滑过渡 |
dot(a, b) |
a, b: 同维向量 | float | 向量点积（标量积） |
cross(a, b) |
a, b: float3 向量 | float3 | 向量叉积，返回垂直于 a、b 的向量 |
length(x) |
x: 向量 | float | 返回向量的模（欧几里得长度） |
normalize(x) |
x: 向量 | 与 x 同类型 | 返回单位向量（方向不变，长度归一） |
abs(x) |
x: 标量或向量 | 与 x 同类型 | 返回绝对值 |
clamp(x, min, max) |
x: 输入值；min, max: 范围 | 与 x 同类型 | 将 x 钳制到 [min, max] 范围 |
pow(base, exp) |
base: 底数；exp: 指数 | float | 返回 base 的 exp 次幂 |
floor(x) / ceil(x) |
x: 浮点值 | float | 向下/向上取整 |
组内共享内存 — groupshared 关键字
- 作用： 让同一线程组内的所有线程共享一块高速、低延迟的片上内存，以便线程之间协作计算、减少全局显存访问。
- 特性：
- 用
groupshared修饰的变量会被放入组内共享内存 - 组内所有线程都能访问、修改同一份数据
- 每个组有自己的那一份，不同组之间互不干扰
- 用
- 限制： 共享内存总量有限（通常 16KB~32KB/组），不宜声明过大数组
groupshared float test[64];
// 假设一个线程组 [numthreads(8,8,1)]，每组 64 个线程
// 那么每组线程都会有自己的一块共享内存
同步与内存屏障函数
先理解几个概念：
GPU 的三层内存层级：
- 寄存器 —— 每个线程独有，比如普通局部变量
- 组内共享内存 —— 每个线程组独立拥有，比如
groupshared变量 - 全局内存 —— 所有线程组共享，比如可读写数据流、纹理等
内存同步： 让之前写入的内存在后续访问时保证最新可见，不被缓存或乱序。
groupshared int data;
[numthreads(2, 1, 1)]
void CSMain(uint3 tid : SV_GroupThreadID)
{
if (tid.x == 0)
data = 123;
// 线程 1 可能此时还没看到 data=123
// 因此我们可以在这等待内存同步完成（添加一些内存同步 API）
int v = data;
}
线程同步： 让所有线程等一等，等大家都执行到同一位置后再继续执行。
同步函数一览：
GroupMemoryBarrierWithGroupSync() — 最常用
- 类型：线程同步 + 内存同步
- 同步范围：组内共享内存（groupshared、当前组写的 RWBuffer/Texture 等，不跨线程组）
- 作用：让同一个线程组内部的所有线程在此处汇合，确保组内共享内存写入完成后再继续。一般所有涉及
groupshared的协作计算都要用它 - 参数：无
- 返回值：无
GroupMemoryBarrier()
- 类型：仅内存同步（不等待线程汇合）
- 同步范围：组内共享内存（groupshared、当前组写的 RWBuffer/Texture 等，不跨线程组）
- 参数：无
- 返回值：无
DeviceMemoryBarrier()
- 类型：仅内存同步
- 同步范围：全局内存（可读写的纹理和数据流，跨线程组）
- 参数：无
- 返回值：无
AllMemoryBarrier()
- 类型：仅内存同步
- 同步范围：组内共享内存 + 全局内存，跨线程组
- 参数：无
- 返回值：无
AllMemoryBarrierWithGroupSync() — 最强版
- 类型：线程同步 + 所有内存同步
- 同步范围：组内共享内存 + 全局内存，跨线程组
- 作用：等待组内所有线程汇合，确保所有类型内存（共享内存 + 全局内存）写入完成
- 参数：无
- 返回值：无
原子操作
并行计算时防止多个线程同时修改同一份数据造成的竞态条件。原子操作指一个操作在 GPU 上执行时，不会被其他线程中断或同时修改同一内存地址。
RWStructuredBuffer<int> Counter;
[numthreads(64, 1, 1)]
void CSMain(uint3 id : SV_DispatchThreadID)
{
Counter[0] += 1; // 64 个线程同时执行时，结果可能 < 64！
}
常用原子操作 API：
InterlockedAdd(dest, value, out originalValue)
- 作用：对 dest 执行原子加法
- 参数：
dest目标内存地址，value要加的值，originalValue操作前的原始值 - 返回值：通过 out 参数返回操作前的值
InterlockedExchange(dest, value, out originalValue)
- 作用：原子地将 dest 设为新值
- 参数：
dest目标内存地址，value新值，originalValue操作前的原始值 - 返回值：通过 out 参数返回操作前的值
InterlockedCompareExchange(dest, compareValue, value, out originalValue)
- 作用：比较后再交换（CAS 操作），如果
dest == compareValue则写入 value，否则不修改 - 参数：
dest目标内存地址，compareValue比较值，value待写入值，originalValue操作前的原始值 - 返回值：通过 out 参数返回操作前的值
InterlockedMin(dest, value, out originalValue)
- 作用：原子地将 dest 更新为
min(dest, value) - 参数：
dest目标内存地址，value比较值，originalValue操作前的原始值
InterlockedMax(dest, value, out originalValue)
- 作用：原子地将 dest 更新为
max(dest, value) - 参数：
dest目标内存地址，value比较值，originalValue操作前的原始值
InterlockedAnd(dest, value, out originalValue)
- 作用：原子按位与，
dest = dest & value - 参数：
dest目标内存地址，value按位与值，originalValue操作前的原始值
InterlockedOr(dest, value, out originalValue)
- 作用：原子按位或，
dest = dest | value - 参数：
dest目标内存地址，value按位或值，originalValue操作前的原始值
InterlockedXor(dest, value, out originalValue)
- 作用：原子按位异或，
dest = dest ^ value - 参数：
dest目标内存地址，value按位异或值，originalValue操作前的原始值
原子操作让对共享变量的”读-改-写”过程变成一个不可被打断的整体。
103.2 知识点代码
Lesson103_性能优化_GPU_着色器优化_ComputeShader_常用API.cs
public class Lesson103_性能优化_GPU_着色器优化_ComputeShader_常用API
{
void Start()
{
#region 知识点一 ComputeShader 常用 API 指的是什么
// 我们目前已经掌握了 Compute Shader 的核心知识点
// 已经能够使用 Compute Shader 来帮助我们来完成计算需求
// 这节课我们来整理下 Compute Shader 中的常用 API（大部分学习过，补充部分新 API）
#endregion
#region 知识点二 C# 常用 API
// 通过 ComputeShader 对象调用
// 1. 查找入口函数索引
// FindKernel(string name)
// 2. 按线程组数量启用 GPU 执行
// Dispatch(int kernelIndex, int x, int y, int z)
// 3. 设置参数相关 API
// SetFloat(string name, float value) 设置单个 float 参数
// SetInt(string name, int value) 设置 int 参数
// SetBool(string name, bool value) 设置 bool 参数
// SetVector(string name, Vector4 value) 设置 float2/float3/float4 类型
// SetFloats(string name, params float[] values) 设置 float2/float3 类型或数组
// SetMatrix(string name, Matrix4x4 value) 设置矩阵类型（float3x3/float4x4）
// SetBuffer(int kernelIndex, string name, ComputeBuffer buffer) 绑定结构化缓冲区
// SetTexture(int kernelIndex, string name, Texture tex) 绑定纹理
// 设置常量缓冲区
// SetConstantBuffer(string name, ComputeBuffer buffer, int offset, int size)
// 获取 [numthreads(x,y,z)] 的设置值
// GetKernelThreadGroupSizes(int kernelIndex, out uint x, out uint y, out uint z)
// 4. ComputeBuffer 相关 API
// new ComputeBuffer(count, stride) 创建一个 GPU 缓冲区
// SetData(T[] data) 向 GPU 写入数据
// GetData(T[] data) 从 GPU 读取数据（同步操作）
// Release() 释放 GPU 缓冲区资源
// CopyCount(buffer1, buffer2, 0) 统计 GPU 动态生成的数据数量
// 主要配合 AppendStructuredBuffer（动态追加元素）和 ConsumeStructuredBuffer（动态消耗元素）使用
// 注意：
// 新版本中有一个 GraphicsBuffer 类，它的用法和 ComputeBuffer 类似
// 它可以和 SRP 等更好地配合
// 5. 异步获取
// AsyncGPUReadback.Request(buffer, callback)
// 6. 判断设备是否支持 ComputeShader
// SystemInfo.supportsComputeShaders
// 7. 动态启用/关闭编译关键字（可用于多功能 ComputeShader）
// ComputeShader.EnableKeyword / DisableKeyword
#endregion
#region 知识点三 Compute Shader 内常用 API
// 1. 参数三兄弟
// SV_DispatchThreadID、SV_GroupThreadID、SV_GroupID
// 2. HLSL 内置函数
// lerp(a, b, t) 线性插值
// step(edge, x) 阶跃函数
// saturate(x) 将值限制在 [0,1]
// smoothstep(min, max, x) 平滑插值
// dot(a, b) 向量点积
// cross(a, b) 向量叉积
// length(x) 向量长度
// normalize(x) 向量单位化
// 等等
// 3. 组内共享内存 - groupshared 关键字
// 它可以让同一线程组内的所有线程共享一块高速、低延迟的片上内存
// 以便线程之间协作计算、减少显存访问
// 用 groupshared 修饰的变量会被放入组内共享内存，组内所有线程都能访问、修改同一份数据
// 每个组有自己的那一份；不同组之间互不干扰
// 比如：
// groupshared float test[64];
// 假设一个线程组 [numthreads(8,8,1)]，每组 64 个线程
// 那么每组线程都会有自己的一块共享内存
// 4. 同步与内存屏障函数
// 几个概念
// 4-1. GPU 的三层内存层级
// 1. 寄存器 —— 每个线程独有，比如普通局部变量
// 2. 组内共享内存 —— 每个线程组独立拥有，比如 groupshared 变量
// 3. 全局内存 —— 所有线程组共享，比如可读写数据流、纹理等
// 4-2. 内存同步：
// 让之前写入的内存在后续访问时保证最新可见，不被缓存或乱序
// 举例：
// groupshared int data;
// [numthreads(2, 1, 1)]
// void CSMain(uint3 tid : SV_GroupThreadID)
// {
// if (tid.x == 0)
// data = 123;
// 线程 1 可能此时还没看到 data=123
// 因此我们可以在这等待内存同步完成（添加一些内存同步 API）
// int v = data;
// }
// 4-3. 线程同步：
// 让所有线程等一等，等大家都执行到同一位置后再继续执行
// 4-4. 同步函数
// GroupMemoryBarrierWithGroupSync()
// 线程同步 + 内存同步（组内共享内存，groupshared、当前组写的 RWBuffer/Texture 等，不跨线程组）
// 让同一个线程组内部的所有线程在某个时刻进行汇合同步
// 最常用的同步函数，一般所有涉及 groupshared 的协作计算都要用它
// 假设一个线程组 [numthreads(8,8,1)]
// 每组有 64 个线程，这些线程是并行执行的
// 但是在某些时刻，我们可能希望该组所有线程都完成了当前阶段后，再一起进行下一阶段
// 这时候我们就可以调用 GroupMemoryBarrierWithGroupSync() 函数
// GroupMemoryBarrier()
// 内存同步（组内共享内存，groupshared、当前组写的 RWBuffer/Texture 等，不跨线程组）
// DeviceMemoryBarrier()
// 内存同步（全局内存同步，比如可读写的纹理和数据流，跨线程组）
// 跨组的全局内存同步
// AllMemoryBarrier()
// 内存同步（组内共享内存 + 全局内存都得同步，跨线程组）
// 同步所有层级内存
// AllMemoryBarrierWithGroupSync()
// 最强版，线程同步 + 所有内存同步
// 等待组内所有线程汇合，确保所有类型内存（共享内存 + 全局内存）写入完成
// 5. 原子操作
// 并行计算时防止多个线程同时修改同一份数据造成的竞态条件
// 指一个操作在 GPU 上执行时，不会被其他线程中断或同时修改同一内存地址
// 举例：
// RWStructuredBuffer<int> Counter;
// [numthreads(64, 1, 1)]
// void CSMain(uint3 id : SV_DispatchThreadID)
// {
// Counter[0] += 1; // 64 个线程同时执行时，结果可能 < 64！
// }
// 常用 API
// 5-1. 对 dest 执行原子加法，并返回加前的值
// InterlockedAdd(dest, value, out originalValue)
// 5-2. 原子地将 dest 设为新值，并返回加前的值
// InterlockedExchange(dest, value, out originalValue)
// 5-3. 比较后再交换，如果 dest==compareValue 则写入 value
// InterlockedCompareExchange(dest, compareValue, value, out originalValue)
// 5-4. 原子地取最小值
// InterlockedMin(dest, value, out originalValue)
// 5-5. 原子地取最大值
// InterlockedMax(dest, value, out originalValue)
// 5-6. 原子按位与
// InterlockedAnd(dest, value, out originalValue)
// 5-7. 原子按位或
// InterlockedOr(dest, value, out originalValue)
// 5-8. 原子按位异或
// InterlockedXor(dest, value, out originalValue)
// 原子操作让对共享变量的"读-改-写"过程变成一个不可被打断的整体
#endregion
}
}
Lesson103_ComputeShader.compute
// 声明计算着色器的内核（Kernel），指定要编译执行的函数为 CSMain
#pragma kernel CSMain
// 可读写的 2D 纹理（RWTexture2D），用于存储计算输出的颜色结果
// 需在 C# 脚本中绑定启用了 enableRandomWrite 标志的 RenderTexture
RWTexture2D<float4> Result;
// 定义线程组大小：每个线程组包含 8×8×1 = 64 个线程，沿 x、y 轴二维排列
[numthreads(8,8,1)]
void CSMain (uint3 id : SV_DispatchThreadID)
{
// id：当前线程的全局坐标 ID（SV_DispatchThreadID 语义标识，对应线程在所有线程组中的全局位置）
// 根据线程的全局 x、y 坐标生成渐变颜色：
// 红色通道 = x/512.0（从左到右渐变），绿色通道 = y/512.0（从上到下渐变）
// 蓝色通道 = 0，Alpha 通道 = 1（完全不透明）
Result[id.xy] = float4(id.x / 512.0, id.y / 512.0, 0, 1);
// 组内内存屏障与同步：
// 确保同一线程组内的所有线程都执行到此处，且组内共享内存同步后，再继续执行后续逻辑
GroupMemoryBarrierWithGroupSync();
// 示例：将所有像素值覆盖为指定颜色
Result[id.xy] = 123123;
}
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