一、本文关注的问题：
• Shader and program 对象介绍
• 创建并编译一个Shader对象
• 创建并链接一个Program对象
• 获取并设置uniforms
• 获取并设置attributes
在OpenGL ES中，每个program对象有且仅有一个Vertex Shader对象和一个Fragment Shader对象连接到它。
Shader：类似于C编译器
Program：类似于C链接器
glLinkProgram操作产生最后的可执行程序，它包含最后可以在硬件上执行的硬件指令。
二、Shader和Program编程概述
1. 创建Shader
1）编写Vertex Shader和Fragment Shader源码。
2）创建两个shader 实例：GLuint glCreateShader(GLenum type);
3）给Shader实例指定源码。 glShaderSource
4）在线编译shaer源码 void glCompileShader(GLuint shader)
2. 创建Program
1）创建program GLuint glCreateProgram(void)
2）绑定shader到program 。 void glAttachShader(GLuint program, GLuint shader)。每个program必须绑定一个Vertex Shader 和一个Fragment Shader。
3）链接program 。 void glLinkProgram(GLuint program)
4）使用porgram 。 void glUseProgram(GLuint program)
对于使用独立shader编译器编译的二进制shader代码，可使用glShaderBinary来加载到一个shader实例中。
三、 Shading Language中的数据类型与变量
1. Uniforms and Attributes
Uniforms 是一个program 中统一分配的，vertext 和fragment中同名的Uniform必须同类型。对应于不经常变化的变量（用于存储只读常量值的变量）。
Attributes 变化率高的变量。主要用来定义输入的每个点属性。
Uniforms and Attributes 在shader中通过location 和 name 来对应的。
2. 数据类型
1）三类基本数据类型：float , int , boolean
2）复合类型：浮点、整型、布尔向量 vec2 , vec3,vec4。vector访问方式有以下两种：
（1）.操作：数学{x, y, z, w}, 颜色{r, g, b, a}或 纹理坐标{s, t, r, q}，但不能混用，举例如下：
vec3 myVec3 = vec3(0.0, 1.0, 2.0); // myVec3 = {0.0, 1.0, 2.0}
vec3 temp;
temp = myVec3.xyz; // temp = {0.0, 1.0, 2.0}
temp = myVec3.xxx; // temp = {0.0, 0.0, 0.0}
temp = myVec3.zyx; // temp = {2.0, 1.0, 0.0}
（2）[ ]操作：[0]对应x，[1]对应y，[2]对应z，[3]对应w。[ ]中只能为常量或uniform变量，不能为整数量变量（如：i，j，k）。
3）矩阵：mat2, mat3,mat4 （按列顺序存储）
mat3 myMat3 = mat3(1.0, 0.0, 0.0, // 第一列
0.0, 1.0, 0.0, // 第二列
0.5, 1.0, 1.0); // 第三列
可用[ ]或.操作符来访问：
mat4 myMat4 = mat4(1.0); // Initialize diagonal to 1.0 (identity)
vec4 col0 = myMat4[0]; // Get col0 vector out of the matrix
float m1_1 = myMat4[1][1]; // Get element at [1][1] in matrix
float m2_2 = myMat4[2].z; // Get element at [2][2] in matrix
4）常量
const float zero = 0.0;
const float pi = 3.14159;
const vec4 red = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);
const mat4 identity = mat4(1.0);
5）结构体： 用基本类型和复合类型构建结构体。
struct fogStruct
{
vec4 color;
float start;
float end;
} fogVar;
fogVar = fogStruct(vec4(0.0, 1.0, 0.0, 0.0), // color
0.5, // start
2.0); // end
vec4 color = fogVar.color;
float start = fogVar.start;
float end = fogVar.end;
6）数组：类似于C语言，索引从0开始。在创建时不能被初始化，索引只能为常量或uniform变量。
float floatArray[4];
vec4 vecArray[2];
7）操作
支持的操作有：*,/,+,-,++,--,=,+=, -=, *=, /=,==, !=, <, >, <=, >=,&&,^^,||
float myFloat;vec4 myVec4;mat4 myMat4;myVec4 = myVec4 * myFloat; // Multiplies each component of myVec4 // by a scalar myFloatmyVec4 = myVec4 * myVec4; // Multiplies each component of myVec4 // together (e.g., myVec4 ^ 2 )myVec4 = myMat4 * myVec4; // Does a matrix * vector multiply of // myMat4 * myVec4myMat4 = myMat4 * myMat4; // Does a matrix * matrix multiply of // myMat4 * myMat4myMat4 = myMat4 * myFloat; // Multiplies each matrix component by // the scalar myFloat
前面矩阵的行数就是结果矩阵的行数，后面矩阵的列数就是结果矩阵的列数。
8）自定义函数：
vec4 myFunc(inout float myFloat, // inout parameter out vec4 myVec4, // out parameter mat4 myMat4); // in parameter (default) 函数不能递归调用，因为GPU不一定有Stack和流控。
9）Shading Language内嵌函数
主要有以下几类函数：
（1）角度和三角函数
（2）指数函数
（3）通用函数（绝对值、取整、取余、取小数部分等）
（4）几何函数
（5）矩阵函数
（6）向量比较函数
（7）纹理查找函数
（8）Derivative函数
10）控制流
if(color.a < 0.25) { color *= color.a; } else { color = vec4(0.0); } //For循环。只支持常数循环次数。 //无论下标，还是循环变量，都只能使用编译时可确定的常数。 for(int i = 0; i < 3; i++) { sum += i; }以下不允许（因为下标为变量或loop次数为变量）：
float myArr[4]; for(int i = 0; i < 3; i++) { sum += myArr[i]; // NOT ALLOWED IN OPENGL ES, CANNOT DO // INDEXING WITH NONCONSTANT EXPRESSION } ... uniform int loopIter; // NOT ALLOWED IN OPENGL ES, loopIter ITERATION COUNT IS NONCONSTANT for(int i = 0; i < loopIter; i++) { sum += i; }
11）Uniforms（前辍修改）
Uniform前辍修饰的变量初始值由外部程序赋值。在program中具有统一访问空间，存储空间有限。在Shader中是只读的，只能由外部主机程序传入值。
它用于存储shader需要的各种数据，如：变换矩阵、光照参数和颜色。基本上，对于Shader是一个常量，但在编译时其值未知，则应当作为一个uniform变量。
Uniform变量在Vertex Shader和Fragment Shader之间共享。当使用glUniform***设置了一个uniform变量的值之后，Vertex Shader和Fragment Shader中具有相同的值。
Uniform变量被存储在GPU中的“常量存储区”，其空间大小是固定的，可通过API<glGetIntegerv>查询（GL_MAX_VERTEX_UNIFORM_VECTORS 或 GL_MAX_FRAGMENT_UNIFORM_VECTORS ）。
12）Attributes（前辍修改）
Attribute类型的变量只有Vertex Shader才有。Attribute前辍修饰的变量定义的是每个Vertex的属性变量，包括位置，颜色，法线和纹理坐标
Attribute 类型的变量在Vertex Shader中是只读的，只能由外部主机程序传入值。
Attribute 类型的变量：是为每个被正在画的顶点所指定的数据。在画图前，每个顶点的属性由应用程序输入。
与Uniform变量一样，其存储数量也是有限制的。可用glGetIntegerv（GL_MAX_VERTEX_ATTRIBS）进行查询。GPU至少支持8个属性，所以Vertex Shader源码中不要超过8个attributes。
13）Varyings
Varying变量用于存储Vertex Shader的输出和Fragment Shader的输入。在Vertex Shader和Fragment Shader中必须申明同一个Varying变量。
与Uniform和Attribute一样，其存储数量也是有限制的，可用glGetIntegerv（GL_MAX_VARYING_VECTORS）进行查询。GPU至少支持8个Varying vector，所以Vertex Shader源码中不要超过8个Varying vector。
GLint maxVertexAttribs; // n will be >= 8
glGetIntegerv(GL_MAX_VERTEX_ATTRIBS, &maxVertexAttribs);
14）预处理
#define#undef#if#ifdef#ifndef#else#elif#endif__LINE__ // Replaced with the current line number in a shader__FILE__ // Always 0 in OpenGL ES 2.0__VERSION__ // The OpenGL ES shading language version (e.g., 100)GL_ES // This will be defined for ES shaders to a value of 115) Uniform Attribute Varying存储空间最小值
变量类型 |
GPU必须支持的最小个数 |
Vertex Uniform Vectors |
128 |
Fragment Uniform Vectors |
16 |
Vertex Attributes |
8 |
Varying Vectors |
8 |
16) 精度限定(Precision Qualifiers)
关键词：lowp highp mediump
（1）指定变量精度（放在数据类型之前）：
highp vec4 position; varying lowp vec4 color; mediump float specularExp; （2）指定默认精度（放在Vertex和Fragment shader源码的开始处）：
precision highp float; precision mediump int;在Vertex Shader中，如果没有默认的精度，则float和int精度都为highp；在Fragment Shader中，float没有默认的精度，所以必须在Fragment Shader中为float指定一个默认精度或为每个float变量指定精度。
17）结果一致性
invariant可被应用于任何Vertex Shader Varying输出变量，其目前是保证相同的操作和相同的输入，其结果一样。因为由于Shader精度不一样，其结果有可能不一样。
uniform mat4 u_viewProjMatrix;attribute vec4 a_vertex;invariant gl_Position;void main{ // … gl_Position = u_viewProjMatrix * a_vertex; // Will be the same // value in all // shaders with the // same viewProjMatrix // and vertex}也可指定所有的输出变量都为:invariant
#pragma STDGL invariant(all)四、获取和设置Uniforms
通过GLint glGetUniformLocation(GLuint program,const char* name).根据一个Uniform的名称获取其location.
通过 glUniform***系列函数可以给一个location 设置一个Uniform的值。
void glUniform1f(GLint location, GLfloat x)void glUniform1fv(GLint location, GLsizei count,const GLfloat* v)void glUniform1i(GLint location, GLint x)void glUniform1iv(GLint location, GLsizei count,const GLint* v)void glUniform2f(GLint location, GLfloat x, GLfloat y)void glUniform2fv(GLint location, GLsizei count,const GLfloat* v)void glUniform2i(GLint location, GLint x, GLint y)void glUniform2iv(GLint location, GLsizei count,const GLint* v)void glUniform3f(GLint location, GLfloat x, GLfloat y,GLfloat z)void glUniform3fv(GLint location, GLsizei count,const GLfloat* v)void glUniform3i(GLint location, GLint x, GLint y,GLint z)void glUniform3iv(GLint location, GLsizei count,const GLint* v)void glUniform4f(GLint location, GLfloat x, GLfloat y,GLfloat z, GLfloat w);void glUniform4fv(GLint location, GLsizei count,const GLfloat* v)void glUniform4i(GLint location, GLint x, GLint y,GLint z, GLint w)void glUniform4iv(GLint location, GLsizei count,const GLint* v)void glUniformMatrix2fv(GLint location, GLsizei count, GLboolean transpose,const GLfloat* value)void glUniformMatrix3fv(GLint location, GLsizei count, GLboolean transpose,const GLfloat* value)void glUniformMatrix4fv(GLint location, GLsizei count, GLboolean transpose,const GLfloat* value)为矩阵uniform变量设置值的函数中的transpose必须为GL_FALSE，它目的为兼容性，但在 OpenGL ES 2.0中并没有工作。
一旦你设置了一个Program中unifrom变量的值之后，即使你激活了另外一个Program,此uniform的值不变。即uniform变量是Program的局部变量。
五、Vertex Attributes
Vertex属性即顶点数据，它指定了每个顶点的数据。在OpenGL ES1.1中，顶点属性有四个预定义的名字：position（位置）, normal（法线）, color（颜色）, 和 texture coordinates（纹理坐标）。在OpenGL ES2.0中，用户必须定义“顶点属性的名字”。
1. 常量顶点属性（Constant Vertex Attribute）
常量顶点属性对所有顶点都是一样的。因此只需要指定一个值就可以应用于所有顶点。一般很少使用。其设置函数有：
void glVertexAttrib1f(GLuint index, GLfloat x);void glVertexAttrib2f(GLuint index, GLfloat x, GLfloat y);void glVertexAttrib3f(GLuint index, GLfloat x, GLfloat y, GLfloat z);void glVertexAttrib4f(GLuint index, GLfloat x, GLfloat y, GLfloat z,GLfloat w);void glVertexAttrib1fv(GLuint index, const GLfloat *values);void glVertexAttrib2fv(GLuint index, const GLfloat *values);void glVertexAttrib3fv(GLuint index, const GLfloat *values);void glVertexAttrib4fv(GLuint index, const GLfloat *values);
2. 如何装载顶点数据？（Vertex Arrays）
Vertex Array（顶点数组）：是一个存储在应用程序空间（Client）中的内存buffer，它存储了每个顶点的属性数据。
如何把顶点数据组的数据传递给GPU呢？
void glVertexAttribPointer(GLuint index,
GLint size, //每个属性元素个数有效值1-4（x,y,z,w）
GLenum type, //数组中每个元素的数据类型
GLboolean normalized,
GLsizei stride, //如果数据连续存放，则为0或
//size*sizeof(type)
const void *ptr) //顶点数组指针
举例如下：
GLfloat vVertices[] = { 0.0f, 0.5f, 0.0f, -0.5f, -0.5f, 0.0f, 0.5f, -0.5f, 0.0f }; // Set the viewport glViewport ( 0, 0, esContext->width, esContext->height ); // Clear the color buffer glClear ( GL_COLOR_BUFFER_BIT ); // Use the program object glUseProgram (programObject ); // Load the vertex data glVertexAttribPointer ( 0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, vVertices );
2.1 一个顶点的所有属性存储在一起（Array of Structures）
如下图所示，顶点的位置(x,y,z)、法线(x,y,z)和两个纹理坐标(s,t)存储在一起，如下图所示：
2.2 顶点的每个属性单独存储（Structure of Arrays）