目前，我們在着色器中要傳遞多個uniform變量時，總是使用多個uniform，然後在主程序中設置這些變量的值；同時如果要在多個shader之間共享變量，例如投影矩陣projection和視變換矩陣view的話，仍然需要爲不同shader分別設置這些uniform變量。本節將爲大家介紹interface block，以及基於此的uniform buffer object(UBO)，這些技術將簡化着色器中變量的傳遞和共享問題。本節示例程序均可以從我的github下載。

本節內容參考自:
1.www.learningopengl.com Advanced GLSL
2.GLSL Tutorial – Uniform Blocks
3.《OpenGL 4.0 Shading Language Cookbook》-Using Uniform Blocks and Uniform Buffer Objects

interface block

interfac block是一組GLSL着色器裏面的輸入、輸出、uniform等變量的集合，有一些類似於C語言中的struct，但是不像struct那樣簡單明瞭，還有一些其他的選項包含在裏面。通過使用interface block，我們可以將着色器中的變量以組的形式來管理，這樣書寫更整潔。
interface block的聲明形式爲：

storage_qualifier block_name
{
  <define members here>
} instance_name;

其中storage_qualifier指明這個block的存儲限定符，限定符可以使用in, out, uniform, 或者buffer（GLSL4.3支持）等，block_name則給定名稱，而instance_name給定實例名稱。例如，我們之前在實現點光源的過程中，頂點着色器和片元着色器之間需要傳遞法向量、紋理座標等變量，將他們封裝到一個block中，代碼顯得更緊湊。頂點着色器中輸出變量定義形式如下：

// 定義輸出interface block
out VS_OUT
{
    vec3 FragPos;
    vec2 TextCoord;
    vec3 FragNormal;
}vs_out;

而在片元着色器中，要以相同的block_name接受，實例名稱則可以不同，形式可以定義爲：

// 定義輸入interface block
in VS_OUT
{
    vec3 FragPos;
    vec2 TextCoord;
    vec3 FragNormal;
}fs_in;

如果指定了instance_name，則在片元着色器中引用這些變量時需要加上instance_name前綴，例如：

   // 環境光成分
    vec3    ambient = light.ambient * vec3(texture(material.diffuseMap, fs_in.TextCoord));

反之如果沒有指定instance_name,則這個block中的變量將和uniform一樣是全局的，可以直接使用。如果沒有給定instance_name,則需要注意，interface block中給定的變量名不要和uniform給定的重複，否則造成重定義錯誤，例如下面的定義將造成重定義錯誤：

uniform MatrixBlock
{
  mat4 projection;
  mat4 modelview;
};

uniform vec3 modelview;  // 重定義錯誤 和MatrixBlock中衝突

相比於之前以分散形式書寫這些變量，interface block能夠讓你更合理的組織變量爲一組，邏輯更清晰。主程序部分未變，實現的點光源效果相同，這裏還是給出效果圖如下：

從上面可以看出，interface block確實解決了我們一直想要合理組織着色器中變量的問題。這是我們提到的第一個問題。

UBO的概念

本節開始提到的第二個問題是，如何在多個着色器之間簡潔的共享變量。GLSL中可以通過uniform buffer來實現。uniform buffer的實現思路爲：在多個着色器中定義相同的uniform block(就是上面的interface block,使用uniform限定符定義），然後將這些uniform block綁定到對應的uniform buffer object，而uniform buffer object中實際存儲這些需要共享的變量。着色器中的uniform block和主程序中的uniform buffer object，是通過OpenGL的綁定點(binding points)連接起來的，它們的關係如下圖所示(來自www.learningopengl.com Advanced GLSL)：

使用時，每個shader中定義的uniform block有一個索引，通過這個索引連接到OpenGL的綁定點x；而主程序中創建uniform buffer object，傳遞數據後，將這個UBO綁定到對應的x，此後shader中的uniform block就和OpenGL中的UBO聯繫起來，我們在程序中操作UBO的數據，就能夠在不同着色器之間共享了。例如上圖中，着色器A和B定義的Matrices的索引都指向綁定點0，他們共享openGL的uboMatrices這個UBO的數據。同時着色器A的Lights和着色器B的Data，分別指向不同的UBO。

UBO的使用

在上面我們介紹了UBO的概念，下面通過實例瞭解UBO的實際使用。UBO的實現依賴於着色器中uniform block的定義，uniform block的內存佈局四種形式:shared, packed, std140, and std430(GLSL4.3以上支持)，默認是shared內存佈局。本節我們重點學習shared和std140這兩種內存佈局形式，其他的形式可以在需要時自行參考OpenGL規範。

shared 默認的內存佈局採用依賴於具體實現的優化方案，但是保證在不同程序中具有相同定義的block擁有相同的佈局，因此可以在不同程序之間共享。要使block能夠共享必須注意block具有相同定義，同時所有成員顯式指定數組的大小。同時shared保證所有成員都是激活狀態，沒有變量被優化掉。
std140 這種方式明確的指定alignment的大小，會在block中添加額外的字節來保證字節對齊，因而可以提前就計算出佈局中每個變量的位移偏量，並且能夠在shader之間共享；不足在於添加了額外的padding字節。稍後會介紹字節對齊和padding相關內容。

下面通過兩個簡單例子，來熟悉std140和默認的shared內存佈局。這個例子將會在屏幕上通過4個着色器繪製4個不同顏色的立方體，在着色器之間共享的是投影矩陣和視變換矩陣，以及爲了演示shared layout而添加的混合顏色的示例。

layout std140

字節對齊的概念

字節對齊的一個經典案例就是C語言中的結構體變量，例如下面的結構體:

struct StructExample {
    char c;  
    int i;  
    short s; 
};

你估計它佔用內存大小多少字節？假設在int 佔用4字節，short佔用2個字節，那麼整體大小等於 1+ 4+ 2 = 7字節嗎？

答案是否定的。在Windows平臺測試，當int佔用4個字節，short佔用2個字節是，實際佔用大小爲12個字節，這12個字節是怎麼算出來的呢？就是用到了字節補齊的概念。實際上上述結構體的內存佈局爲：

   struct StructExample {
    char c;  // 0 bytes offset, 3 bytes padding
    int i;   // 4 bytes offset
    short s; // 8 bytes offset, 2 bytes padding
}; // End of 12 bytes

內存佈局如下圖所示：

字節對齊的一個重要原因是爲了使機器訪問更迅速。例如在32字長的地址的機器中，每次讀取4個字節數據，所以將字節對齊到上述地址 0x0000,0x0004和0x0008, 0x000C將使讀取更加迅速。否則例如上面結構體中的int i將跨越兩個字長(0x0000和0x0004)，需要兩次讀取操作，影響效率。當然關於爲什麼使用字節對齊的更詳細分析，感興趣地可以參考SO Purpose of memory alignment。

關於字節對齊，我們需要知道的幾個要點就是(參考自wiki Data structure alignment)：

一個內存地址，當它是n字節的倍數時，稱之爲n字節對齊，這裏n字節是2的整數冪。
每種數據類型都有它自己的字節對齊要求(alignment)，例如char是1字節，int一般爲4字節，float爲4字節對齊，8字節的long則是8字節對齊。
當變量的字節沒有對齊時，將額外填充字節(padding)來使之對齊。

上面的結構體中，int變量i需要4字節對齊，因此在char後面填充了3個字節，同時結構體變量整體大小需要滿足最長alignment成員的字節對齊，因此在short後面補充了2個字節，總計達到12字節。

關於字節對齊這個概念，介紹到這裏，希望瞭解更多地可以參考The Lost Art of C Structure Packing。

std140的字節對齊

std140內存佈局同樣存在字節對齊的概念，你可以參考官方文檔獲取完整描述。常用標量int,float，bool要求4字節對齊，4字節也被作爲一個基礎值N，這裏列舉幾個常用的結構的字節對齊要求：

類型	對齊基數(base alignment)
標量，例如 int bool	每個標量對齊基數爲N
vector	2N 或者 4N， vec3的基數爲4N.
標量或者vector的數組	每個元素的基數等於vec4的基數.
矩陣	以列向量存儲, 列向量基數等於vec4的基數.
結構體	元素按之前規則，同時整體大小填充爲vec4的對齊基數

例如一個複雜的uniform block定義爲:

   layout (std140) uniform ExampleBlock
{
    //               // base alignment  // aligned offset
    float value;     // 4               // 0 
    vec3 vector;     // 16              // 16  (must be multiple of 16 so 4->16)
    mat4 matrix;     // 16              // 32  (column 0)
                     // 16              // 48  (column 1)
                     // 16              // 64  (column 2)
                     // 16              // 80  (column 3)
    float values[3]; // 16              // 96  (values[0])
                     // 16              // 112 (values[1])
                     // 16              // 128 (values[2])
    bool boolean;    // 4               // 144
    int integer;     // 4               // 148
};

上面的註釋給出了它的字節對齊，其中填充了不少字節，可以根據上面表中給定的對齊基數提前計算出來，在主程序中可以設置這個UBO的變量:

   GLuint exampleUBOId;
    glGenBuffers(1, &exampleUBOId);
    glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, exampleUBOId);
    glBufferData(GL_UNIFORM_BUFFER, 152, NULL, GL_DYNAMIC_DRAW); // 預分配空間 大小可以提前根據alignment計算
    glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, 0);
    glBindBufferBase(GL_UNIFORM_BUFFER, 1, exampleUBOId); // 綁定點爲1
    // step4 只更新一部分值
    glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, exampleUBOId);
    GLint b = true; // 布爾變量在GLSL中用4字節表示 因此這裏用int存儲
    glBufferSubData(GL_UNIFORM_BUFFER, 144, 4, &b); // offset可以根據UBO中alignment提前計算
    glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, 0);

說明: 上面最終計算出的大小爲152，UBO整體不必滿足vec4的字節對齊要求。152 /4 = 38，滿足N的對齊要求即可。

從上面可以看到，當成員變量較多時，這種手動計算offset的方法比較笨拙，可以事先編寫一個自動計算的函數庫，以減輕工作負擔。

std140的簡單例子

下面通過一個簡單例子來熟悉UBO的使用。

Step1: 首先我們在頂點着色器中定義uniform block如下:

   #version 330 core
layout(location = 0) in vec3 position;
layout(location = 1) in vec3 normal;
uniform mat4 model; // 因爲模型變換矩陣一般不能共享 所以單獨列出來
// 定義UBO
layout (std140) uniform Matrices
{
   mat4 projection;
   mat4 view;
};  // 這裏沒有定義instance name，則在使用時不需要指定instance name
void main()
{
    gl_Position = projection * view * model * vec4(position, 1.0);
}

Step2 在主程序中設置着色器的uniform block索引指向到綁定點0：

   // step1 獲取shader中 uniform buffer 的索引
    GLuint redShaderIndex = glGetUniformBlockIndex(redShader.programId, "Matrices");
    GLuint greeShaderIndex = glGetUniformBlockIndex(greenShader.programId, "Matrices");
    ...
    // step2 設置shader中 uniform buffer 的索引到指定綁定點
    glUniformBlockBinding(redShader.programId, redShaderIndex, 0); // 綁定點爲0
    glUniformBlockBinding(greenShader.programId, greeShaderIndex, 0);
    ...

這裏爲了演示代碼中重複寫出了4個着色器，實際中可以通過vector裝入這4個着色器簡化代碼。
Step3: 創建UBO，並綁定到綁定點0
我們需要傳入2個mat4矩陣，由於mat4中每列的vec4對齊，因此兩個mat4中沒有額外的padding，大小即爲2*sizeof(mat4)。

   GLuint UBOId;
    glGenBuffers(1, &UBOId);
    glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, UBOId);
    glBufferData(GL_UNIFORM_BUFFER, 2 * sizeof(glm::mat4), NULL, GL_DYNAMIC_DRAW); // 預分配空間
    glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, 0);
    glBindBufferRange(GL_UNIFORM_BUFFER, 0, UBOId, 0, 2 * sizeof(glm::mat4)); // 綁定點爲0

Step4: 更新UBO中的數據
這裏使用前面介紹的glBufferSubData更新UBO中數據，例如更新視變換矩陣如下：

 glm::mat4 view = camera.getViewMatrix(); // 視變換矩陣
glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, UBOId);
glBufferSubData(GL_UNIFORM_BUFFER,      sizeof(glm::mat4), sizeof(glm::mat4), glm::value_ptr(view));
    glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, 0);

通過上面的步驟，我們完成了着色器中unifrom block和UBO的連接，實現了投影矩陣和視變換矩陣在4個着色器之間的共享，繪製4個立方體如下圖所示：

驗證ExampleBlock

這裏在着色器中添加一段代碼測試下上面那個複雜的ExampleBlock的內容，我們在主程序中設置boolean變量爲true，在着色器中添加一個判斷，如果boolean爲true，則輸出白色立方體：

   if(boolean)
    {
      color = vec4(1.0, 1.0, 1.0, 1.0);
    }

最終顯示獲得了4個全是白色的立方體，效果如下：

這就驗證了上述計算出那個複雜ExampleBlock的大小爲152，boolean變量位移偏量爲144是正確的。

layout shared

同std140內存佈局方式不一樣，shared方式的內存佈局依賴於具體實現，因此我們無法提前根據某種字節對齊規範計算出UBO中變量的位移偏量和整體大小，因此在使用shared方式時，我們需要多次利用OpenGL的函數來查詢UBO的信息。

這裏在着色器中定義一個用於混合顏色的uniform block:

#version 330 core
// 使用默認shared方式的UBO
uniform mixColorSettings {
    vec4  anotherColor;
    float mixValue;
};
out vec4 color;
void main()
{
    color = mix(vec4(0.0, 0.0, 1.0, 1.0), anotherColor, mixValue);
}

在出程序中首先查詢UBO整體大小，預分配空間：

GLuint colorUBOId;
glGenBuffers(1, &colorUBOId);
glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, colorUBOId);
// 獲取UBO大小 因爲定義相同 只需要在一個shader中獲取大小即可
GLint blockSize;
glGetActiveUniformBlockiv(redShader.programId, redShaderIndex,
    GL_UNIFORM_BLOCK_DATA_SIZE, &blockSize);
glBufferData(GL_UNIFORM_BUFFER, blockSize, NULL, GL_DYNAMIC_DRAW); // 預分配空間
glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, 0);
glBindBufferBase(GL_UNIFORM_BUFFER, 1, colorUBOId); // 綁定點爲1

然後，通過查詢UBO中成員變量的索引和位移偏量來設置變量值：

   // 通過查詢獲取uniform buffer中各個變量的索引和位移偏量
const GLchar* names[] = {
    "anotherColor", "mixValue"
};
GLuint indices[2];
glGetUniformIndices(redShader.programId, 2, names, indices);
GLint offset[2];
glGetActiveUniformsiv(redShader.programId, 2, indices, GL_UNIFORM_OFFSET, offset);
// 使用獲取的位移偏量更新數據
glm::vec4 anotherColor = glm::vec4(0.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f);
GLfloat mixValue = 0.5f;
glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, colorUBOId);
glBufferSubData(GL_UNIFORM_BUFFER, offset[0], sizeof(glm::vec4), glm::value_ptr(anotherColor));
glBufferSubData(GL_UNIFORM_BUFFER, offset[1], sizeof(glm::vec4), &mixValue);
glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, 0);

和上面std140定義的uniform block一起工作，產生的混合顏色效果如下圖所示：

從上面可以看到，使用shared佈局時，當變量較多時，這種查詢成員變量索引和位移偏量的工作顯得比較麻煩。

OpenGL學習: uniform blocks(UBO)在着色器中的使用

interface block

UBO的概念

UBO的使用

layout std140

字節對齊的概念

std140的字節對齊

std140的簡單例子

驗證ExampleBlock

layout shared

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