Using Vulkan -- HLSL in Vulkan

Vulkan 不直接使用人类可读的文本格式着色器，而是采用SPIR‑V作为中间表示。这使得只要能生成 Vulkan 环境下的 SPIR‑V，就可以使用 GLSL 之外的着色器语言。

其中一种语言就是微软用于 DirectX 的高级着色器语言（HLSL）。借助 Vulkan 1.2 的新增支持，HLSL 现已成为 Vulkan 的一等着色器语言，使用便捷度与 GLSL 相当。

除少数例外情况，GLSL 能使用的所有 Vulkan 特性与着色器阶段，HLSL 同样支持，包括硬件加速光线追踪等新特性。同时，HLSL 转 SPIR‑V 还支持部分 DirectX 暂不支持的 Vulkan 专属特性。

学习资源

若你是 HLSL 新手，建议从Microsoft Learn 的 HLSL 资源开始学习。另一个优质参考是DirectX‑Specs文档，其中包含最新着色器特性与 HLSL 着色器模型的详细说明。

从应用程序视角看

从应用程序角度，使用 HLSL 与使用 GLSL完全相同。应用程序始终消费 SPIR‑V 格式着色器，唯一区别在于将着色器语言编译为 SPIR‑V 的工具链。

HLSL 到 SPIR‑V 特性映射手册

通过 SPIR‑V 在 Vulkan 中使用 HLSL，首选参考HLSL to SPIR‑V feature mapping manual。该手册详细说明语义、语法、支持的特性与扩展等内容，必读。Vulkan 与 DirectX 概念与术语的对照表可参考decoder ring。

Vulkan HLSL 命名空间

为使 HLSL 兼容 Vulkan，引入了一个隐式命名空间，用于提供 Vulkan 专属特性的接口。

语法对比

与常规编程语言类似，HLSL 与 GLSL 语法存在差异：GLSL 更偏向过程式（类似 C），HLSL 更偏向面向对象（类似 C++）。

以下是同一段着色器的两种语言实现，可直观对比基础差异，其中包含用于显式指定位置的上述命名空间：

GLSL

#version 450 layout (location = 0) in vec3 inPosition; layout (location = 1) in vec3 inColor; layout (binding = 0) uniform UBO { mat4 projectionMatrix; mat4 modelMatrix; mat4 viewMatrix; } ubo; layout (location = 0) out vec3 outColor; void main() { outColor = inColor * float(gl_VertexIndex); gl_Position = ubo.projectionMatrix * ubo.viewMatrix * ubo.modelMatrix * vec4(inPosition.xyz, 1.0); }

HLSL

struct VSInput { [[vk::location(0)]] float3 Position : POSITION0; [[vk::location(1)]] float3 Color : COLOR0; }; struct UBO { float4x4 projectionMatrix; float4x4 modelMatrix; float4x4 viewMatrix; }; cbuffer ubo : register(b0, space0) { UBO ubo; } struct VSOutput { float4 Pos : SV_POSITION; [[vk::location(0)]] float3 Color : COLOR0; }; VSOutput main(VSInput input, uint VertexIndex : SV_VertexID) { VSOutput output = (VSOutput)0; output.Color = input.Color * float(VertexIndex); output.Pos = mul(ubo.projectionMatrix, mul(ubo.viewMatrix, mul(ubo.modelMatrix, float4(input.Position.xyz, 1.0)))); return output; }

除语法差异外，内置变量使用 HLSL 名称。例如gl_VertexIndex在 HLSL 中为VertexIndex。GLSL 与 HLSL 内置变量映射列表可参考对应文档。

DirectXShaderCompiler（DXC）

与 GLSL 转 SPIR‑V 同理，在 Vulkan 中使用 HLSL 需要着色器编译器。glslang是 GLSL 转 SPIR‑V 的标准编译器，而DirectXShaderCompiler（DXC）是 HLSL 转 SPIR‑V 的标准编译器。得益于开源贡献，DXC 的 SPIR‑V 后端已在官方发布版本中支持并启用，可直接使用。尽管 glslang 等工具也提供 HLSL 支持，但 DXC 支持最完整、最新，是从 HLSL 生成 SPIR‑V 的推荐方案。

获取途径

LunarG Vulkan SDK已包含预编译的 DXC 二进制、库与头文件。如需最新版本，可查看DXC 官方仓库。

使用独立编译器离线编译

使用预编译 dxc 二进制离线编译着色器，与 glslang 用法类似：

dxc.exe -spirv -T vs_6_0 -E main .\triangle.vert -Fo .\triangle.vert.spv

• -T：选择编译目标配置文件（vs_6_0= 顶点着色器模型 6，ps_6_0= 像素 / 片元着色器模型 6 等）
• -E：指定着色器入口函数

扩展会根据特性使用自动启用，也可显式指定：

dxc.exe -spirv -T vs_6_1 -E main .\input.vert -Fo .\output.vert.spv -fspv-extension=SPV_EXT_descriptor_indexing

生成的 SPIR‑V 与 GLSL 生成的 SPIR‑V 一样可直接加载使用。

使用库运行时编译

DXC 可通过 DirectX Compiler API 集成到 Vulkan 应用，实现着色器运行时编译。需要包含dxcapi.h并链接dxcompiler库，最简单方式是使用动态库并随应用分发（Windows 下为dxcompiler.dll）。

运行时将 HLSL 编译为 SPIR‑V 的简化流程：

#include "include/dxc/dxcapi.h" ... HRESULT hres; // 初始化 DXC 库 CComPtr<IDxcLibrary> library; hres = DxcCreateInstance(CLSID_DxcLibrary, IID_PPV_ARGS(&library)); if (FAILED(hres)) { throw std::runtime_error("Could not init DXC Library"); } // 初始化 DXC 编译器 CComPtr<IDxcCompiler3> compiler; hres = DxcCreateInstance(CLSID_DxcCompiler, IID_PPV_ARGS(&compiler)); if (FAILED(hres)) { throw std::runtime_error("Could not init DXC Compiler"); } // 初始化 DXC 工具 CComPtr<IDxcUtils> utils; hres = DxcCreateInstance(CLSID_DxcUtils, IID_PPV_ARGS(&utils)); if (FAILED(hres)) { throw std::runtime_error("Could not init DXC Utiliy"); } // 从磁盘加载 HLSL 文本着色器 uint32_t codePage = DXC_CP_ACP; CComPtr<IDxcBlobEncoding> sourceBlob; hres = utils->LoadFile(filename.c_str(), &codePage, &sourceBlob); if (FAILED(hres)) { throw std::runtime_error("Could not load shader file"); } // 根据着色器文件后缀选择目标配置文件 LPCWSTR targetProfile{}; size_t idx = filename.rfind('.'); if (idx != std::string::npos) { std::wstring extension = filename.substr(idx + 1); if (extension == L"vert") { targetProfile = L"vs_6_1"; } if (extension == L"frag") { targetProfile = L"ps_6_1"; } // 其他文件类型映射（cs_x_y、lib_x_y 等） } // 配置编译参数：HLSL 转 SPIR‑V std::vector<LPCWSTR> arguments = { filename.c_str(), L"-E", L"main", L"-T", targetProfile, L"-spirv" }; // 编译着色器 DxcBuffer buffer{}; buffer.Encoding = DXC_CP_ACP; buffer.Ptr = sourceBlob->GetBufferPointer(); buffer.Size = sourceBlob->GetBufferSize(); CComPtr<IDxcResult> result{ nullptr }; hres = compiler->Compile( &buffer, arguments.data(), (uint32_t)arguments.size(), nullptr, IID_PPV_ARGS(&result)); if (SUCCEEDED(hres)) { result->GetStatus(&hres); } // 编译失败输出错误信息 if (FAILED(hres) && (result)) { CComPtr<IDxcBlobEncoding> errorBlob; hres = result->GetErrorBuffer(&errorBlob); if (SUCCEEDED(hres) && errorBlob) { std::cerr << "Shader compilation failed :\n\n" << (const char*)errorBlob->GetBufferPointer(); throw std::runtime_error("Compilation failed"); } } // 获取编译结果 CComPtr<IDxcBlob> code; result->GetResult(&code); // 由编译结果创建 Vulkan 着色器模块 VkShaderModuleCreateInfo shaderModuleCI{}; shaderModuleCI.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_SHADER_MODULE_CREATE_INFO; shaderModuleCI.codeSize = code->GetBufferSize(); shaderModuleCI.pCode = (uint32_t*)code->GetBufferPointer(); VkShaderModule shaderModule; vkCreateShaderModule(device, &shaderModuleCI, nullptr, &shaderModule);

Vulkan 着色器阶段到 HLSL 目标着色器配置文件映射

使用 DXC 编译 HLSL 时需要选择目标着色器配置文件。配置文件名称由着色器类型与目标着色器模型组成。

示例：

• 编译使用着色器模型 6.6 特性的计算着色器：目标配置文件为cs_6_6
• 编译光线追踪任意击中着色器：目标配置文件为lib_6_3

着色器模型支持范围

DirectX 与 HLSL 使用固定的着色器模型标识描述支持的特性集，这与 Vulkan 和 SPIR‑V 基于扩展灵活添加特性的方式不同。下表尽可能列出 Vulkan 对 HLSL 着色器模型的支持情况，不保证完全完整：