如何使用Unity的shader关键字减少shader变体？

如何使用Unity的Shader关键字减少Shader变体？

在Unity中，Shader变体是指同一个Shader的不同编译版本，它们通过Shader关键字来区分。每启用或禁用一个Shader关键字，就会生成一个新的Shader变体。随着项目复杂度的增加，Shader关键字的数量也会增加，导致Shader变体的数量呈指数级增长。过多的Shader变体会显著增加构建时间、安装包大小，并可能在运行时导致性能问题，因为Unity需要为每个变体维护单独的着色器程序。

因此，有效管理Shader关键字，减少Shader变体数量，对于优化Unity项目至关重要。本文将探讨如何巧妙地利用Shader关键字，通过精心设计Shader逻辑，显著降低Shader变体的数量，从而提升项目的整体性能和可维护性。

理解Shader关键字及其变体生成机制

在深入讨论优化策略之前，理解Shader关键字的工作方式至关重要。Unity提供两种类型的Shader关键字：局部关键字和全局关键字。局部关键字仅在定义的Shader中有效，而全局关键字则在整个项目中有效。Shader关键字可以通过 `#pragma shader_feature` 或 `#pragma multi_compile` 指令在Shader代码中定义。`#pragma shader_feature` 指令会生成一个变体，其中关键字要么启用，要么禁用（即只有一个变体）。`#pragma multi_compile` 指令会为关键字的每种可能组合生成一个变体（例如，`#pragma multi_compile A B` 会生成A禁用、B禁用；A启用、B禁用；A禁用、B启用；A启用、B启用这四种变体）。

需要注意的是，即使某个Shader关键字在当前场景或材质中未使用，只要它在Shader代码中被定义，Unity仍然会为其生成变体。这就是导致Shader变体数量激增的主要原因之一。因此，清理不必要的Shader关键字是减少变体的首要步骤。

优化策略：设计模式与代码技巧

以下是一些可用于减少Shader变体的策略和技巧：

1. 识别并移除未使用的Shader关键字

首先，也是最简单的一步，就是审查Shader代码，找出那些已经被注释掉或者不再使用的Shader关键字，并将它们彻底删除。可以使用Unity的Shader Variant Collection来帮助识别未使用的Shader变体。在Build Settings中，配置Shader Variant Collection，然后构建项目。构建完成后，Shader Variant Collection会包含所有实际使用的Shader变体。任何不在Collection中的变体都可能对应着未使用的Shader关键字。谨慎操作，务必确认移除的关键字确实不再被需要。

2. 使用预处理器指令(#ifdef, #else, #endif) 替代 Shader关键字

在某些情况下，可以使用预处理器指令来代替Shader关键字。与Shader关键字不同，预处理器指令在编译时进行处理，不会生成额外的Shader变体。例如，可以定义一个全局宏，并在Shader代码中使用 `#ifdef` 指令来控制编译不同的代码块。这种方法适用于那些基于静态配置而不需要在运行时切换的功能。但是，过度使用全局宏可能会降低代码的可读性和可维护性，因此需要谨慎权衡。

举个例子，如果需要根据不同的平台使用不同的光照模型，可以这样做：

3. 使用属性（Properties）和材质属性块（MaterialPropertyBlock）

将一些可以通过材质调整的参数，从Shader关键字改为使用材质属性。材质属性可以在运行时修改，而无需编译新的Shader变体。Unity的材质属性块（MaterialPropertyBlock）允许在不修改材质实例的情况下，为特定的Renderer设置材质属性，这在动态修改单个游戏对象的外观时非常有用，避免了创建大量的材质实例。

例如，如果需要控制一个物体是否显示轮廓线，可以使用一个float属性来控制轮廓线宽度，而不是使用一个Shader关键字来启用/禁用轮廓线。当轮廓线宽度为0时，相当于禁用了轮廓线。

4. 组合相似的Shader关键字

如果多个Shader关键字控制的功能相似或者可以组合在一起，可以考虑将它们合并成一个更通用的Shader关键字。例如，如果有多个控制不同类型光照的Shader关键字，可以将它们合并成一个控制光照类型的枚举Shader关键字。这样可以显著减少变体的数量，同时保持代码的灵活性。

例如，原本有 `DIRECTIONAL_LIGHT` 和 `POINT_LIGHT` 两个关键字，可以合并成一个 `LIGHT_TYPE` 关键字，并定义相应的枚举值：`#pragma multi_compile LIGHT_TYPE_NONE LIGHT_TYPE_DIRECTIONAL LIGHT_TYPE_POINT`。

5. 利用ShaderLOD

ShaderLOD（Level of Detail）允许根据不同的设备或性能需求，使用不同的Shader变体。可以将一些性能消耗较高的功能放在高LOD的Shader中，而在低LOD的Shader中禁用这些功能。这样可以确保在低端设备上也能获得流畅的性能，同时在高配置设备上充分利用硬件性能。ShaderLOD是通过 `LOD` 标签在Shader中定义的，并可以通过Scriptable Render Pipeline (SRP) 的设置进行控制。

6. 使用 Shader Graph 和 Code Function 节点

Shader Graph 是 Unity 的可视化着色器编辑器。 通过使用 Shader Graph 和 Code Function 节点，可以将复杂的着色器逻辑分解为更小的、可重用的模块。这有助于提高代码的可读性和可维护性，并更容易识别和消除冗余的Shader关键字。Code Function 节点允许将自定义的 HLSL 代码集成到 Shader Graph 中，从而实现更灵活的着色器效果。

7. 使用 Compute Shader 进行通用计算

对于一些与渲染流程无关的计算任务，可以考虑使用 Compute Shader 来执行。Compute Shader 运行在 GPU 上，可以并行处理大量数据，从而提高性能。通过将这些计算任务从顶点着色器或片元着色器中移出，可以减少Shader的复杂度，并降低Shader变体的数量。Compute Shader 适用于诸如粒子系统模拟、物理模拟等场景。

结论

减少Unity Shader变体是一个需要综合考虑的过程，需要从Shader代码设计、材质属性管理、LOD配置等多个方面入手。通过识别并移除未使用的关键字，使用预处理器指令代替关键字，合并相似关键字，利用材质属性块，以及使用ShaderLOD等策略，可以显著降低Shader变体的数量，提高项目的构建速度、减少安装包大小，并改善运行时性能。 始终记住，优化的关键在于权衡：在性能、灵活性和代码可维护性之间找到最佳平衡点。