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Unreal渲染源码简读（一）RHI/Shader

news 来源：原创 2025/5/24 7:56:31

RHI作为Unreal的一个跨平台渲染封装, 存在于上层显示和下层图形api之间, 即一个中间接口层。本篇内容将通过draw call的执行过程，认识到Unreal的封装方法，以及shader与Fshader的具体应用。

一、认识draw call的执行过程

1.1复习渲染管线

首先一起来复习一下渲染管线的知识。如图1.1.1，是GPU的渲染管线执行流程。

图1.1.1 渲染管线执行流程

一个draw call的产生，由以上的流程所生成的。这是一个通用的排布, 我们也可以根据所需进行局部调整。

在这个管线执行过程前, 即在cpu给gpu发送指令前，除了具体的数据外，传入的参数的数据格式，也非常重要, 下面会提及。

1.2以d3d的角度理解管线装配过程

我们以龙书里的d3d代码段为案例，去理解管线装配的过程。

d3d提供一个pipelineState，用来创建管线的状态配置。如果要执行不同的shader代码，就要用不同的配置，需要创建不同的pipelineState。即告诉api，我们要用哪个配置项，执行哪个shader。

图1.2.1 管线的状态设置

我们可以看到，是先申请内存，然后再去填充各种状态。其中.VS和.PS就是把编译好的shader代码放进去，这里通过指针和size给到对应的指定。

而pRootSignature就是规定好代码的输入参数数据格式，如下图1.2.2所示。

图1.2.2 pRootSignature的输入参数数据格式

构造完成之后, 就用CD3DX12_ROOT_SIGNATURE_DESC打包成根签名描述, 再用它去创建一个真正的根签名，即上面的mRootSignature。

东西准备完了那就要draw了。从图1.2.3中可以看到，之前创建的mOpaquePSO和 mRootSignature就被放进去了。

图1.2.3 渲染执行

渲染管线状态和根签名传完以后，那么就可以传入真正的参数了，本质上就是拿虚拟地址，给到显存映射好。

图1.2.4 渲染内容设置

另外，IASetVertexBuffers传入顶点属性，SetGraphicsRootDescriptorTable传入贴图等实际内容填充，都在这里执行。在搞定所有内容之后，只需要再执行 DrawIndexedInstanced就可以让gpu执行了。

图1.2.5 渲染内容填充

二、Unreal的封装方法

接下来我们回归本篇内容的核心——在Unreal中要怎么去封装上述D3D以及其他API的渲染过程 (限于篇幅这里只提及部分内容封装)

2.1资源封装

我们先从资源开始，所有参数的设置状态, 本质都是一段内存或者显存, 就是d3d的resource, 或者OpenGL的无符号整数resource id。

Unreal提供了一个FRHIResource , 实际内容可以是uniform buffer，也可以是texture，类型可以通过它的ERHIResourceType 枚举变量查看到, 如图2.1.1。

图2.1.1 资源类型

这个FRHIResource基类里没定义太多的操作，只有有AddRef，Release和原子操作。

我们往子类看，来到FRHIUniformBuffer，这里的封装是出于一个与平台无关的的状态，只是定义了对外的接口。接下来我们就来具体讲解它的使用方法。

图2.1.3 FRHIUniformBuffer

接下来我们再子类看, 来到FD3D12UniformBuffer。

图2.1.4 FD3D12UniformBuffer

来到熟悉的FD3D12ResourceLocation，我们进去看看。

图2.1.5 FD3D12ResourceLocation里的内容

可以看到有FD3D12Resource变量。

图2.1.6 FD3D12Resource

最终找到了d3d12里真正存储resource的ID3D12Resource指针。这个location里面有一个成员变量，又是一个FD3D12Resource。而这个FD3D12Resource里面，就是真正D3D12的指针。当然，下面还有一些别的被它封装了起来，比如GPUVirtualAddress。

所以这就是一套简单的继承体系，我们想用什么接口，就在RHI层面定义一个接口，在子类里去实现它。

接口就是通用的, 比如Create、Release一段资源，或者Upload一段内存进去。

同理OpenGL那边也就会有一个FOpenGLUniformBuffer。

图2.1.7 FOpenGLUniformBuffer

UE RHI只做一些命名和通用接口封装, 实现都是在不同的子类, 编译到哪种平台就用对应的上层逻辑代码, 只需要关注操作的是RHI层的东西就可以, 直接调用已经封装好的接口就行。

接下来我们以Unreal里最常用的UTexture2D举个例子:

图2.1.8 UTexture2D

比如让它执行UpdateTextureRegions, 它实际上就是去调RHI的函数。

图2.1.9 UpdateTextureRegions

图2.1.10 执行更新

2.2执行封装

这里就不得不提到这里出现的FDynamicRHI了。FDynamicRHI是RHI的动态实现部分，而RHI是更底层的静态接口。这个类里的方法超多，比如常见的图形渲染操作，创建纹理、状态、更新资源、设置Fence、更新贴图等一大半操作，都在此类中。但都没实现。OpenGL、D3D会去继承它、实现它。所以不要在上层写api的实际调用内容，否则代码无法跨平台。

这里面都是些纯虚函数，同样下面有D3D和OpenGL的各种各样的子类。

图2.2.1 FDynamicRHI

三、在Unreal中封装

3.1shader的封装

FRHI shader是继承FRHIResource, 思路也跟之前一样。其子类D3D和OpenGL会有具体且复杂的实现。

图3.1.1 FRHI shader

成员Frequency枚举，用于定义该Shader是哪个类型。

图3.1.2 成员Frequency枚举

以FRHIVertexShader为例我们来看一下, 先直接看d3d怎么做的吧。

图3.1.3 FRHIVertexShader

这里继承两个类, 后面的FD3DShaderData才是主要内容。

图3.1.4 FD3DShaderData

比较重要的就是code了, 内部将其转换成D3D的bytecode。

根据代码去创建一个shader的话, 就要用到之前提到的FDynamicRHI定义的接口，比如OpenGL的实现如下。

图3.1.5 创建shader

进入后，先会解析一下Code，因为Unreal这里的code不是纯代码，还有带有参数，所以会先用一个Reader解析。

图3.1.6 获取Optional数据大小

图3.1.7 获取实际Code大小

可以看到Code前半段是代码，后半段是Optional的数据。代码长度=总长-OptionalData长度。

解析完代码以后, 会进行一个glsl的转换, 因为OpenGL在各个平台也有适配差异, 是需要做一些适配变化的。

图3.1.8 glsl转换

最终传入代码, 并进行编译操作。

图3.1.9 输入并编译代码

d3d同理, 这里就不做阐述了。

3.2FShader简介

FShader是上层的一个类，FRHIShader相对于自己那套继承体系是上层，但相对于FShader则是底层。有RHI的都是相对的底层或者中间层。

图3.2.1 shader创建

FGlobalShader可能大家比较熟悉，自己要写了一个hlsl的shader，那通常继承FGlobalShader, 而 FGlobalShader是继承自FShader。

图3.2.2 Unreal官方hlsl转glsl shader pipeline的示意图

所以我们写的usf并不是最终的代码，还会继续进行转换。转换过程中，就会去检测编译选项，一个usf中有不同的各种各样不同的编译选项，即排列组合permutation。根据不同的排列组合编译选项，去编译不同的shader，虽然看起来是同一份shader代码。这个转换过程十分复杂，不必深究，我们知道如果出现permutation之类的编译选项，则同一份shader代码可能编译出不同的shader即可。

3.3FShader怎么做反射

FShader没有像Unreal其他UObject类的反射，用UPROPERTY就拿到它的反射，而是通过DECLARE_TYPE_LAYOUT宏，单独实现的一套反射机制。