为什么电脑配置高，玩《黑神话：悟空》需要等待这么久

Datawhale干货

作者：Eternity，Datawhale成员

不少玩家在玩游戏时总会遇到这样的问题：明明我电脑的配置已经足够高了，为什么需要等待这么久？

遇到这个问题大家不用急着排查故障，首先观看一下游戏界面是否有“着色器正在编译中”这行字，或许这就是导致进入游戏需要等待的“罪魁祸首”之一。

《黑神话：悟空》在 PC 端打开游戏的时候，进度条就会显示：正在进行着色器编译...

「着色器编译」究竟是干什么的？

要回答这个问题，首先要解释：着色器是什么；其次要解释：为什么需要在启动时编译，而不能提前打包到安装包中？

省流版：着色器决定了你在打游戏时能够看到的画面，而着色器又与系统、显卡非常相关，所以通常在启动时（这个时候程序已经知道你的设备是什么操作系统、什么显卡）进行编译（变成一种底层硬件能够认识的格式）。

这里想插入一张图：是谁说我的shader有问题.jpg（本来想放一个表情包）：

什么是着色器？

在这之前，先说下 GPU、CPU：CPU 有着比较少的计算核心，但每个核心能干的事情比较多；而 GPU 虽然每个核心能干得不多，可它数量多。比如你有一张图像，需要修改每个像素，在 CPU 上通常需要逐个像素的使用 for 循环；而在 GPU 上，可以为每个像素分配一个核同时进行计算（假设像素个数少于核的数量）。对于图像处理或者图形相关的任务，GPU 就存在一些优势，尤其是需要为每个像素进行大量运算时。

人们不满足于固定的绘制功能，想要自己控制绘制的过程，于是就有了可编程渲染管线。这个时候就需要告诉硬件应该如何绘制——着色器，别名：Shader：在渲染中，通常使用的是顶点着色器与片段着色器，此外还有一些别的着色器不再赘述。

“虚假”的绘制过程（着色器->硬件->绘制结果）

上面展示了着色器代码到硬件，再到玩家看到的画面（当然没有这么简单）。有了着色器之后，开发者就可以写各种各样的代码，去实现各种“花里胡哨”的效果，比如流动的水面、飘逸的发丝等等。

为什么需要在启动时编译，而不能提前打包到安装包中？

下面尝试回答第二个问题：众所周知（如果不知道，现在也不晚），我们写的大部分代码都是机器不能直接使用的（高级语言是为了方便人们理解），需要变为机器所能理解的语言——二进制文件。

市面上有不同硬件厂商生产的不同显卡，首先游戏开发者与硬件厂商约定了一些标准/规范（OpenGL、Vulkan、DX 等），硬件厂商基于这些规范去实现相应硬件功能，游戏开发者根据这些规范编写代码，而编译过程则是将这些代码变为显卡所能理解的二进制文件，比如在 OpenGL 可通过以下代码进行编译并链接：

// compile shader
unsigned int vertexShader = glCreateShader(GL_VERTEX_SHADER);
glShaderSource(vertexShader, 1, &vertexShaderSource, NULL);
glCompileShader(vertexShader);

// link shaders
unsigned int shaderProgram = glCreateProgram();
glAttachShader(shaderProgram, vertexShader);
glLinkProgram(shaderProgram);

对于不同显卡、不同平台/操作系统，编译产物往往不同。此外，着色器中通常存在不同的变体（对应不同行为），比如在一些高性能显卡上，可以开启一些比较消耗性能的特性，而对于相对低端的硬件设备，往往会进行一些降级（这也是为什么在不同机器上，游戏画质不同的原因）。

现代的一些图形接口，如 Metal、Vulkan、DX12，允许编译得到中间格式的结果（比如 Metal IR、SPIR-V 等），一些引擎会选择将这些中间格式结果打入安装包中，但仍然避免不了在首次加载时编译得到最终产物。

这里补充下Raymond Fei老师的回答：

“补充一下，不仅是不同家 GPU 上不统一，同一家的不同代 GPU 都是不统一的，甚至同一款 GPU 用了不同驱动都可能不一样，而且不一定向前兼容，就是说旧 GPU/驱动上编译出来的机器码有的在新 GPU 下面就不存在了。所以唯一能做的就是在用户机器上编译。这就是极致优化所需要的代价：之所以这么搞，除了不同厂商无法统一指令集之外，还因为跑着色器的都是高度实时的程序，用户对性能（比 CPU 上跑的程序）要敏感很多。”

以上也就是游戏在启动时编译着色器的过程，通常在首次加载游戏时需要对着色器进行编译，一些规范允许对编译产物进行缓存，之后能够更加快速地进入游戏。

笔者对着色器编译的理解也非常肤浅，编译的一些底层细节以及如何跨平台进行编译，也留给我去慢慢学习，如有不对还请批评指教。