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Shader 變體的由來

首先引用官方對 Shader 的定義，下圖：

如圖中所示，Unity 的 shader 不僅僅包含 GPU 上執(zhí)行的著色器代碼，還包含了包括渲染狀態(tài)、屬性、Pass、變體等定義。而 shader 變體是本文討論的主角，它是Unity 在編譯階段，根據(jù)不同的圖形設(shè)置、平臺、keyword 等生成的著色器代碼。說簡單點就是同一份著色器代碼的不同分身，每個分身有不同的功能。

以下為官方對 shader 變體定義的說明：

https://docs.unity.cn/2022.3/Documentation/Manual/SL-MultipleProgramVariants.html

（dynamic_branch 由于不會產(chǎn)生 shader 變體，所以不在本文的討論之內(nèi)）。

那為什么 Unity 要搞出 Shader 變體這么個玩意呢？因為 GPU 非常擅長并行化可預(yù)測的代碼，并且始終遵循相同的路徑，從而提高并發(fā)量。如果編譯的著色器程序中存在條件語句，則 GPU 將需要花費資源來執(zhí)行預(yù)測任務(wù)、等待其他路徑完成等，從而導(dǎo)致效率低下。所以為了解決 shader 不同效果的單獨計算，Unity 提供了 shader 變體這一方式，也就是在編譯期間根據(jù)判斷（宏）來為 shader 編譯不同的分身。下圖為 Unity Shader 編譯流程（橙色方框為 Unity 提供的可編程變體剔除方法，允許用戶自定義剔除規(guī)則）：

雖然 shader 變體解決了 shader 并行計算的問題，節(jié)省了性能開銷，但是也帶來了額外的問題。比如隨著項目的 shader 越來越多，變體越來越多，導(dǎo)致內(nèi)存直線增長，順帶著構(gòu)建過程越來越久，也就是我們常說的變體爆炸。我們通過下圖來直觀的感受一下變體爆炸的威力：

你沒有看錯，如果不進(jìn)行任何的變體收集和剔除，單單一個 urp 自帶的 lit shader，變體數(shù)量就能達(dá)到355W個！如果開啟選擇 skip shader features 呢？如下圖，竟也還有 6w 多個變體。

我們接著測試，把 Graphics 下 Shader Stripping 的剔除條件都關(guān)閉，再來看一下 lit shader 的變體數(shù)量，只剩 593 個了。

所以說，生成的變體數(shù)量的增加，具體取決于各種因素，包括定義的關(guān)鍵字和屬性、質(zhì)量設(shè)置、圖形層、啟用的圖形 API、后處理效果、渲染管道、照明和霧模式以及是否啟用 XR 等。而這些條件，歸根結(jié)底都是shader_feature 和 multi_compile關(guān)鍵字 的不同組合。

關(guān)鍵字 Keyword

既然 Unity 是通過 shader_feature 和 multi_compile 關(guān)鍵字來管理變體的，那么我們?nèi)绾尾榭茨兀吭?Editor 下，我們可以通過直接在Inspector 面板里查看 Shader 的 Keywords。

關(guān)鍵字分為Overridable和Not Overridable。具有全局范圍的局部關(guān)鍵字（在實際著色器文件中定義的關(guān)鍵字）可以被具有匹配名稱的全局著色器關(guān)鍵字覆蓋。相反，如果它們是在本地范圍內(nèi)定義的（通過使用 multi_compile_local 或 shader_feature_local），則無法覆蓋它們，并且將顯示在下面的 Not overridable （不可覆蓋） 部分中。全局著色器關(guān)鍵字由 Unity 引擎提供，并且它們是可重寫的。由于可以在構(gòu)建過程中的任何時候添加它們，因此并非所有全局關(guān)鍵字都可能顯示在此列表中。

我們還可以在關(guān)鍵字后面加上更多限制關(guān)鍵詞，來做更精細(xì)的控制。

這里要注意一下，在 OpenGL、OpenGL ES、Vulkan 這些后綴會被忽略。

Shader 變體編譯流程

既然我們知道了 Shader 變體怎么來的， 還要知道 Shader 變體是怎么用的 。在我們實際構(gòu)建游戲之前，也就是開發(fā)階段是不會編譯 shader 變體的。我們可以通過Compile and show code來查看具體平臺的 shader 變體，這可以幫助我們提前檢查問題。另外我們還可以把生成的代碼粘貼到 GPU 的性能分析工具中（比如 PVRShaderEditor、Mali Offline Compiler），來進(jìn)一步優(yōu)化 shader 性能。

在構(gòu)建游戲時，Unity 將根據(jù)其功能、引擎設(shè)置和其他因素的所有可能排列來確定每個著色器的變體組合。然后，這些組合將傳遞給預(yù)處理器以進(jìn)行多次剝離。這可以使用IPreprocessShaders回調(diào)進(jìn)行擴(kuò)展，以創(chuàng)建自定義邏輯以從構(gòu)建中剔除變體。

如果是包含在 Always-included shaders ，（在 Project Settings > Graphics 下）的著色器將包含其所有變體。因此，最好僅在絕對必要時才使用它，因為它很容易導(dǎo)致生成大量變體。

需要注意的是，構(gòu)建過程中將經(jīng)歷一個稱為重復(fù)數(shù)據(jù)刪除的過程，會識別同一 Pass 中的相同變體，并確保它們指向相同的字節(jié)碼。這將減小磁盤大小，但相同的變體仍會對構(gòu)建時間、加載時間和運(yùn)行時內(nèi)存使用產(chǎn)生負(fù)面影響。

下圖為構(gòu)建游戲時提示的變體構(gòu)建進(jìn)度：

構(gòu)建完成后，我們可以在 Editor.log 文件中搜索 shader 變體的打包信息，可以直接在 log 中搜索 "Compiling shader"。

如果項目設(shè)置支持多個圖形 API，我們還可以在每個 shader 編譯的最后信息里面看到最終的壓縮內(nèi)存大小：

如果項目使用的是 URP 渲染管線，還可以在 URP Global Settings 下，設(shè)置 Shader Variant Log Level。

如果選擇了下面的 Export Shader Variants 選項，那么在構(gòu)建后還會生成一個JSON 文件，其中會包含所有的 Shader 變體的編譯結(jié)果，位置在 Temp/shader-stripping.json，這樣如果我們在游戲中發(fā)現(xiàn)某個 shader 變體沒有找到，就可以在這個 json 里面確認(rèn)一下是否被意外剔除了。

上述只是記錄了打包的 shader 變體，為了了解在運(yùn)行時實際為 GPU 編譯了哪些著色器，可以在 Project Settings > Graphics 下啟用Log Shader Compilation選項。

這將導(dǎo)致游戲在運(yùn)行時會編譯著色器變體顯示在玩家日志中。它僅適用于開發(fā)版本和 Debug 模式，如工具提示中所述。如下圖所示，在 android studio 中搜索 Compiled shader 可以看到進(jìn)入場景時，編譯的 shader 變體都有哪些：

最后，您可以使用Memory Profiler 包在游戲運(yùn)行時拍攝游戲的快照，然后大致了解內(nèi)存中當(dāng)前加載的著色器及其大小。按大小排序通常可以很好地指示哪些著色器引入的變體最多，并且值得優(yōu)化。

現(xiàn)在 2021、2022、2023 的 LTS 版本另外還支持 Shader 變體的動態(tài)壓縮，更靈活地控制 shader 內(nèi)存。構(gòu)建期間的數(shù)據(jù)塊大小（以 MB 為單位）和在運(yùn)行時為每個著色器同時保持解壓縮的最大數(shù)據(jù)塊數(shù)。這兩個設(shè)置都可以全局配置，并針對每個平臺進(jìn)行覆蓋。默認(rèn)值為每個數(shù)據(jù)塊 16 MB，數(shù)據(jù)塊數(shù)量不受限制。如果是 0 個塊則視為無限制。

Shader 變體剔除流程

利用引擎剔除

Unity 構(gòu)建過程中，將刪除與游戲未使用的圖形功能相關(guān)的著色器變體。如果您使用的是 Built-in Render Pipeline 或 URP，則該過程會略有變化。要定義這些參數(shù)，請轉(zhuǎn)到 Project Settings > Graphics。在這里，在使用內(nèi)置渲染管線時，您可以選擇游戲支持的光照貼圖和霧模式。

如果將它們設(shè)為Automatic，Unity 就可以根據(jù)構(gòu)建中包含的場景來確定要剝離的變體。

如果您不確定自己正在使用哪些功能，還可以使用Import from Current Scene按鈕讓 Unity 找出您需要的功能。當(dāng)然，僅當(dāng)所有場景都使用相同的設(shè)置時，這才有用，因此請確保在使用此選項時選擇代表性場景。

如果您使用的是 URP，則其中一些選項將被隱藏。相反，您可以直接在Pipeline Settings（工作流設(shè)置） 資源中定義游戲所需的功能。例如，禁用 Terrain Holes 將導(dǎo)致所有 Terrain Holes Shader 變體被剝離，從而縮短構(gòu)建時間。

URP 對要包含在游戲中的功能提供了更精細(xì)的控制，從而有可能產(chǎn)生更優(yōu)化的版本和更少的未使用變體。

基于圖形層的剝離

注意：這僅在使用Built-in Render Pipeline時相關(guān)。使用可編程渲染管道（如 URP）時，將忽略這些設(shè)置。

圖形層用于根據(jù)運(yùn)行游戲的硬件應(yīng)用不同的圖形設(shè)置（不要與 Quality Settings 混淆）。游戲啟動時，Unity 將根據(jù)硬件功能、圖形 API 和其他因素確定您的設(shè)備圖形層。

可以在 Project Settings > Graphics > Tier Settings 中設(shè)置它們。

基于這些，Unity 會將以下三個關(guān)鍵字添加到所有著色器中：

UNITY_HARDWARE_TIER1

UNITY_HARDWARE_TIER2

UNITY_HARDWARE_TIER3

然后，它會為定義的每個圖形層生成著色器變體。如果不使用圖形層并希望避免使用它們的相關(guān)變體，則需要確保所有圖形層都設(shè)置為完全相同的設(shè)置，以便 Unity 跳過這些變體。

如前所述，Unity 將嘗試刪除相同的重復(fù)變體，因此，例如，如果三個層中的兩個具有相同的設(shè)置，這將導(dǎo)致磁盤大小減小，即使仍會生成所有變體。您可以選擇強(qiáng)制 Unity 為給定的著色器和圖形渲染器 API 生成層變體，使用如下所示hardware_tier_variants：

// Direct3D 11/12
#pragma hardware_tier_variants d3d11

基于圖形 API 的剝離，Unity 會為構(gòu)建中包含的每個圖形 API 編譯一組著色器變體，因此在某些情況下，手動選擇 API 并排除不需要的 API 是有益的。為此，請轉(zhuǎn)到Project Settings > Player。默認(rèn)情況下，Auto Graphics API 處于選中狀態(tài)，Unity 將包含一組內(nèi)置圖形 API，并在運(yùn)行時根據(jù)設(shè)備功能選擇一個。例如，在 Android 上，Unity 將首先嘗試使用 Vulkan，如果設(shè)備不支持它，則引擎將回退到 GLES3.2、GLES3.1 或 GLES3.0（盡管這些 GLES 版本的變體是相同的）。相反，請為相關(guān)平臺禁用 Auto Graphics API，并手動選擇要包含的 API。然后，Unity 將優(yōu)先考慮列表中的第一個 ID。

缺點是您可能會限制支持您的游戲的設(shè)備數(shù)量，因此請確保您知道在更改此設(shè)置時要做什么并在各種設(shè)備上進(jìn)行測試。

*修改著色器變體匹配

通常，在運(yùn)行時，如果完全匹配不可用或已從播放器構(gòu)建中剝離，Unity 會嘗試加載最接近請求的關(guān)鍵字集的變體。雖然這很方便，但它也隱藏了著色器關(guān)鍵字設(shè)置的潛在問題。

從 Unity 2022.3 開始，您可以在 Project Settings > Player 中選擇 Strict Shader Variant Matching，以確保 Unity 僅嘗試加載所需本地和全局關(guān)鍵字組合的精確匹配。

如果未找到，它將使用 Error Shader 并在控制臺中打印包含著色器、子著色器索引、實際通道和請求的關(guān)鍵字的錯誤。當(dāng)您需要追蹤實際需要的缺失變體時，這非常方便。與通常的剝離一樣，這僅在 Player 中有效，在 Editor 中不起作用。

利用引擎剔除

每當(dāng)著色器即將編譯到您的游戲版本中時，Unity 都會調(diào)度一個回調(diào)。這種情況在 Player 和 Asset Bundle 構(gòu)建中都會發(fā)生。我們可以使用 IPreprocessShaders.OnProcessShader 和IPreprocessComputeShaders.OnProcessComputeShaders 方便地監(jiān)聽這些內(nèi)容，并添加自定義邏輯來去除不必要的變體。這樣，我們可以大大減少構(gòu)建時間、構(gòu)建大小和進(jìn)入您的構(gòu)建的變體總數(shù)。為此，需要創(chuàng)建一個實現(xiàn) IPreprocessShaders 接口的腳本，然后在 OnProcessShader 中編寫剝離邏輯。例如，以下腳本將在發(fā)布版本上去除包含 DEBUG 著色器關(guān)鍵字的所有變體：

public class StripDebugVariantsPreprocessor : IPreprocessShaders
{
public int callbackOrder => 0;

ShaderKeyword keywordToStrip;

public StripDebugVariantsPreprocessor()
{
keywordToStrip = new ShaderKeyword("DEBUG");
}


public void OnProcessShader(Shader shader, ShaderSnippetData snippet, IList data )
{
if (EditorUserBuildSettings.development)
{
return;
}

for (int i = data.Count - 1; i >= 0; i--)
{
if (data[i].shaderKeywordSet.IsEnabled(keywordToStrip))
{
data.RemoveAt(i);
}
}
}
}

回調(diào)順序允許您定義應(yīng)首先運(yùn)行哪個預(yù)處理腳本，從而允許您創(chuàng)建多步驟剝離過程。優(yōu)先級較低的腳本將首先執(zhí)行。

Shader 變體加載流程

當(dāng)一個游戲?qū)ο蟮牟馁|(zhì)需要使用特定的著色器時，Unity 會確定所需的著色器變體。每個材質(zhì)可能需要一個具體的變體，這取決于材質(zhì)的屬性和所啟用的特性。著色器變體是由關(guān)鍵字（keywords）決定的。關(guān)鍵字可以開啟或關(guān)閉特定的著色器代碼塊，生成不同的變體。每種關(guān)鍵字組合代表一個不同的變體。

Unity 會從項目資源中加載所需的著色器。如果著色器已經(jīng)在資源中（例如，在 AssetBundle 或 Resources 文件夾中），Unity 會從這些資源中加載著色器。如果之前已經(jīng)編譯了該著色器變體（例如，通過 Shader Variant Collection），Unity 會直接使用預(yù)編譯的代碼。預(yù)編譯可以大大減少運(yùn)行時編譯的開銷。

Unity 會檢查所需的著色器變體是否已經(jīng)存在。如果該變體已經(jīng)存在于內(nèi)存中，Unity 會直接使用它。

如果所需的著色器變體未預(yù)編譯或尚不存在，Unity 會在運(yùn)行時動態(tài)編譯該變體。編譯過程包括：

1>解析著色器代碼：讀取 HLSL 代碼和著色器的配置。

2>應(yīng)用關(guān)鍵字和設(shè)置：根據(jù)材質(zhì)的設(shè)置和啟用的關(guān)鍵字，應(yīng)用相應(yīng)的變體配置。

3>生成 GPU 代碼：將處理后的 HLSL 代碼轉(zhuǎn)換為 GPU 能夠理解和執(zhí)行的代碼。

動態(tài)編譯可能導(dǎo)致性能開銷，因此減少動態(tài)編譯的變體數(shù)量對優(yōu)化性能很重要。一旦著色器變體編譯完成，Unity 會將編譯后的變體應(yīng)用于材質(zhì)。材質(zhì)會使用加載的著色器進(jìn)行渲染。

Shader Variant Collection

SVC 是 Unity 提供的shader 變體收集工具，使用 SVC 可以幫助我們靈活控制 shader 變體。

Shader Variant Collection提供了優(yōu)化著色器管理和性能的有效手段。它通過預(yù)編譯、優(yōu)化內(nèi)存使用、提升構(gòu)建和加載速度、提供更好的調(diào)試工具、增強(qiáng)控制和靈活性、減少冗余工作，以及改進(jìn)整體性能，幫助開發(fā)者實現(xiàn)更高效、更流暢的游戲體驗。

既然好處這么多，一旦項目中 Shader 體量過大，那么就很有必要來通過SVC控制項目當(dāng)中的變體了，具體要怎么用呢？有 2 種辦法（更推薦第 2 種）：

方法一

在編輯器中運(yùn)行時，Unity 會記錄場景中當(dāng)前使用的著色器和變體，并允許將其導(dǎo)出到 SVC 中。可以 Project Settings>Graphics 。在底部，你會看到 "著色器加載"部分，顯示當(dāng)前有多少個著色器處于活動狀態(tài)。

確保事先點擊"清除"以獲得更準(zhǔn)確的樣本，然后進(jìn)入"播放"模式并進(jìn)入場景，確保遇到需要特定著色器的所有游戲元素。這將增加跟蹤計數(shù)器。然后，按下 "保存到資產(chǎn)... "按鈕，將所有這些保存到 Collections 資產(chǎn)中。

雖然這樣做很方便，但根據(jù)我的經(jīng)驗，這樣做也很容易出錯。很難確保在一次游戲中遇到所有需要的變體，而且有些功能可能只能在特定情況下在設(shè)備上加載，因此列表并不一定準(zhǔn)確。當(dāng)游戲發(fā)生變化，關(guān)卡中添加了新元素或材質(zhì)發(fā)生變化時，就需要更新這些 Collections。

方法二

編寫自動化收集工具，掃描參與打包的所有材質(zhì)（主要是Assetsbundle），并收集場景渲染器上的光照參數(shù)來綜合獲取變體。這里提供一個思路，即通過創(chuàng)建一個臨時場景，增加符合項目的光源把收集到的所有材質(zhì)渲染一幀，來間接的收集所有 shader 變體，再把收集到的 shader 變體保存到 SVC 上。

開源框架 Yooaseet 里有對 SVC 自動收集的代碼工具，如果有興趣可以看下其中具體實現(xiàn)用來參考：

https://github.com/tuyoogame/YooAsset

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