opengl - GLSL：关于连贯限定符
问题描述
我不清楚coherent限定符和原子操作如何协同工作。
我使用以下代码在同一 SSBO 位置执行一些累积操作：
uint prevValue, newValue;
uint readValue = ssbo[index];
do
{
prevValue = readValue;
newValue = F(readValue);
}
while((readValue = atomicCompSwap(ssbo[index], prevValue, newValue)) != prevValue);
这段代码对我来说很好，但coherent在这种情况下，我是否需要使用限定符声明 SSBO（或图像）？
我需要coherent在我只打电话的情况下使用atomicAdd吗？
我到底什么时候需要使用coherent限定符？我是否只需要在直接写作的情况下使用它：ssbo[index] = value;？
解决方案
TL;博士
我找到了支持这两个答案的证据coherent。
当前分数：
- 需要
coherent原子：1.5 - 用原子省略
coherent：5.75
底线，尽管得分仍然不确定。在单个工作组中，我大多确信在实践coherent中不需要。在这些情况下我不太确定：
- 超过 1 个工作组
glDispatchCompute - 多个
glDispatchCompute调用都访问相同的内存位置（原子地）glMemoryBarrier，它们之间没有任何
coherent但是，当您仅通过原子操作访问它们时，声明 SSBO（或单个结构成员）是否会产生性能成本？根据以下内容，我不认为这是因为在变量的读取或写入操作处coherent添加了“可见性”指令或指令标志。如果仅通过原子操作访问变量，编译器应该希望：
- 生成原子指令时忽略
coherent，因为它没有效果 - 使用适当的机制来确保原子操作的结果在着色器调用、扭曲、工作组或渲染命令之外可见。
从OpenGL wiki 的“内存模型”页面：
请注意，原子计数器在功能上与原子图像/缓冲区变量操作不同。后者仍然需要连贯的限定词、障碍等。（于 2020-04-12 删除）但是，如果内存已以不连贯的方式修改，则从该内存的任何后续读取都不能自动保证看到这些更改。
+1 要求coherent
英特尔文章“OpenGL 性能提示：原子计数器缓冲区与着色器存储缓冲区对象”中的代码
// Fragment shader used bor ACB gets output color from a texture
#version 430 core
uniform sampler2D texUnit;
layout(binding = 0) uniform atomic_uint acb[ s(nCounters) ];
smooth in vec2 texcoord;
layout(location = 0) out vec4 fragColor;
void main()
{
for (int i=0; i< s(nCounters) ; ++i) atomicCounterIncrement(acb[i]);
fragColor = texture(texUnit, texcoord);
}
// Fragment shader used for SSBO gets output color from a texture
#version 430 core
uniform sampler2D texUnit;
smooth in vec2 texcoord;
layout(location = 0) out vec4 fragColor;
layout(std430, binding = 0) buffer ssbo_data
{
uint v[ s(nCounters) ];
};
void main()
{
for (int i=0; i< s(nCounters) ; ++i) atomicAdd(v[i], 1);
fragColor = texture(texUnit, texcoord);
}
请注意，ssbo_data在第二个着色器中没有声明coherent。
文章还指出：
出于各种原因，OpenGL 基金会建议在 SSBO 上使用[原子计数器缓冲区]；然而，提高性能并不是其中之一。这是因为 ACB 在内部实现为 SSBO 原子操作；因此，使用 ACB 并没有真正的性能优势。
所以原子计数器显然与 SSBO 是一回事。（但那些“各种原因”是什么？这些建议在哪里？英特尔是否暗示有利于原子计数器的阴谋......？）
+1 省略coherent
GLSL 规范
GLSL 规范在描述coherent和原子操作时使用了不同的措辞（强调我的）：
(4.10) 当使用未声明为一致的变量访问内存时，着色器访问的内存可能会被实现缓存，以服务于将来对同一地址的访问。内存存储可能以这样一种方式缓存，即写入的值可能对访问同一内存的其他着色器调用不可见。该实现可以缓存由内存读取获取的值，并将相同的值返回给访问同一内存的任何着色器调用，即使底层内存自第一次内存读取以来已被修改。
(8.11) 原子内存函数对存储在缓冲区对象或共享变量存储中的单个有符号或无符号整数执行原子操作。所有原子内存操作都从内存中读取一个值，使用下述操作之一计算一个新值，将新值写入内存，然后返回读取的原始值。在读取原始值和写入新值之间的任何着色器调用中，保证由原子操作更新的内存内容不会被任何其他赋值或原子内存函数修改。
本节中的所有内置函数都接受带有限制、连贯和易失性内存限定组合的参数，尽管它们没有在原型中列出。原子操作将按照调用参数的内存限定的要求进行操作，而不是内置函数的形参内存限定。
因此，一方面原子操作应该直接与存储的内存一起工作（这是否意味着绕过可能的缓存？）。另一方面，似乎内存条件（例如coherent）在原子操作的作用中发挥了作用。
+0.5 要求coherent
OpenGL 规范
OpenGL 4.6 规范在第 7.13.1 节“着色器内存访问顺序”中对此问题进行了更多说明
内置的原子内存事务和原子计数器功能可用于以原子方式读取和写入给定的内存地址。虽然由多个着色器调用发出的内置原子函数相对于彼此以未定义的顺序执行，但这些函数执行内存地址的读取和写入，并保证在读取之间没有其他内存事务将写入底层内存并写。Atomics 允许着色器使用共享全局地址进行互斥或作为计数器，以及其他用途。
原子操作的意图显然似乎一直是原子的，而不依赖于coherent限定符。确实，为什么要在不同着色器调用之间不以某种方式组合的原子操作呢？从多个调用中增加一个本地缓存的值并让它们最终写入一个完全独立的值是没有意义的。
+1 省略coherent
OpenGL 规范问题 #14
OpenGL 4.6：原子计数器缓冲区是否需要使用glMemoryBarrier调用才能访问计数器？
我们在 OpenGL|ES 会议上再次讨论了这个问题。基于来自 IHV 的反馈及其原子计数器的实现，我们计划像对待其他资源（如图像原子、图像加载/存储、缓冲区变量等）一样对待它们，因为它们需要应用程序的显式同步。将更改规范以将“原子计数器”添加到枚举其他资源的位置。
所描述的规范更改发生在 OpenGL 4.5 到 4.6 中，但与glMemoryBarrier在单个glDispatchCompute.
没有效果
示例着色器
让我们检查两个简单着色器生成的程序集，看看在实践中会发生什么。
#version 460
layout(local_size_x = 512) in;
// Non-coherent qualified SSBO
layout(binding=0) restrict buffer Buf { uint count; } buf;
// Coherent qualified SSBO
layout(binding=1) coherent restrict buffer Buf_coherent { uint count; } buf_coherent;
void main()
{
// First shader with atomics (v1)
uint read_value1 = atomicAdd(buf.count, 2);
uint read_value2 = atomicAdd(buf_coherent.count, 4);
// Second shader with non-atomic add (v2)
buf.count += 2;
buf_coherent.count += 4;
}
第二个着色器用于比较coherent限定符在原子操作和非原子操作之间的效果。
AMD
AMD 发布了与Radeon GPU Analyzer结合使用的指令集架构 (ISA) 文档，让您深入了解 GPU 如何实际实现这一点。
着色器 v1 (Vega gfx900)
s_getpc_b64 s[0:1] BE801C80
s_mov_b32 s0, s2 BE800002
s_mov_b64 s[2:3], exec BE82017E
s_ff1_i32_b64 s4, exec BE84117E
s_lshl_b64 s[4:5], 1, s4 8E840481
s_and_b64 s[4:5], s[4:5], exec 86847E04
s_and_saveexec_b64 s[4:5], s[4:5] BE842004
s_cbranch_execz label_0010 BF880008
s_load_dwordx4 s[8:11], s[0:1], 0x00 C00A0200 00000000
s_bcnt1_i32_b64 s2, s[2:3] BE820D02
s_mulk_i32 s2, 0x0002 B7820002
v_mov_b32 v0, s2 7E000202
s_waitcnt lgkmcnt(0) BF8CC07F
buffer_atomic_add v0, v0, s[8:11], 0 E1080000 80020000
label_0010:
s_mov_b64 exec, s[4:5] BEFE0104
s_mov_b64 s[2:3], exec BE82017E
s_ff1_i32_b64 s4, exec BE84117E
s_lshl_b64 s[4:5], 1, s4 8E840481
s_and_b64 s[4:5], s[4:5], exec 86847E04
s_and_saveexec_b64 s[4:5], s[4:5] BE842004
s_cbranch_execz label_001F BF880008
s_load_dwordx4 s[8:11], s[0:1], 0x20 C00A0200 00000020
s_bcnt1_i32_b64 s0, s[2:3] BE800D02
s_mulk_i32 s0, 0x0004 B7800004
v_mov_b32 v0, s0 7E000200
s_waitcnt lgkmcnt(0) BF8CC07F
buffer_atomic_add v0, v0, s[8:11], 0 E1080000 80020000
label_001F:
s_endpgm BF810000
（不知道为什么这里使用 exec 掩码和分支...）
我们可以看到，在所有支持的 Radeon GPU Analyzer 架构上，这两种原子操作（在一致和非一致缓冲区上）都会产生相同的指令：
buffer_atomic_add v0, v0, s[8:11], 0 E1080000 80020000
解码此指令显示GLC（全局一致性）标志设置0为原子操作的含义：“不返回先前的数据值。跨波前没有 L1 持久性”。修改着色器以使用返回的值会将两个原子指令的GLC标志更改为：“返回先前的数据值。波前没有 L1 持久性”。1
2013 年的文件（海岛等）对BUFFER_ATOMIC_<op>指令有一个有趣的描述：
缓冲对象原子操作。始终全局连贯。
所以在 AMD 硬件上，它似乎coherent对原子操作没有影响。
着色器 v2 (Vega gfx900)
s_getpc_b64 s[0:1] BE801C80
s_mov_b32 s0, s2 BE800002
s_load_dwordx4 s[4:7], s[0:1], 0x00 C00A0100 00000000
s_waitcnt lgkmcnt(0) BF8CC07F
buffer_load_dword v0, v0, s[4:7], 0 E0500000 80010000
s_load_dwordx4 s[0:3], s[0:1], 0x20 C00A0000 00000020
s_waitcnt vmcnt(0) BF8C0F70
v_add_u32 v0, 2, v0 68000082
buffer_store_dword v0, v0, s[4:7], 0 glc E0704000 80010000
s_waitcnt lgkmcnt(0) BF8CC07F
buffer_load_dword v0, v0, s[0:3], 0 glc E0504000 80000000
s_waitcnt vmcnt(0) BF8C0F70
v_add_u32 v0, 4, v0 68000084
buffer_store_dword v0, v0, s[0:3], 0 glc E0704000 80000000
s_endpgm BF810000
缓冲区上的buffer_load_dword操作使用了标志，而另一个没有按预期进行。coherentglc
在 AMD 上：+1 省略coherent
英伟达
通过检查由glGetProgramBinary(). 这些指令在NV_gpu_program4、NV_gpu_program5和NV_gpu_program5_mem_extended中进行了描述。
着色器 v1
!!NVcp5.0
OPTION NV_internal;
OPTION NV_shader_storage_buffer;
OPTION NV_bindless_texture;
GROUP_SIZE 512;
STORAGE sbo_buf0[] = { program.storage[0] };
STORAGE sbo_buf1[] = { program.storage[1] };
STORAGE sbo_buf2[] = { program.storage[2] };
TEMP R0;
TEMP T;
ATOMB.ADD.U32 R0.x, {2, 0, 0, 0}, sbo_buf0[0];
ATOMB.ADD.U32 R0.x, {4, 0, 0, 0}, sbo_buf1[0];
END
存在与否没有区别coherent。
着色器 v2
!!NVcp5.0
OPTION NV_internal;
OPTION NV_shader_storage_buffer;
OPTION NV_bindless_texture;
GROUP_SIZE 512;
STORAGE sbo_buf0[] = { program.storage[0] };
STORAGE sbo_buf1[] = { program.storage[1] };
STORAGE sbo_buf2[] = { program.storage[2] };
TEMP R0;
TEMP T;
LDB.U32 R0.x, sbo_buf0[0];
ADD.U R0.x, R0, {2, 0, 0, 0};
STB.U32 R0, sbo_buf0[0];
LDB.U32.COH R0.x, sbo_buf1[0];
ADD.U R0.x, R0, {4, 0, 0, 0};
STB.U32 R0, sbo_buf1[0];
END
LDB.U32对coherent缓冲区的操作使用COH修饰符，这意味着“使 LOAD 和 STORE 操作使用一致的缓存”。
在 NVIDIA 上：+1 省略coherent
SPIR-V（带有 Vulkan 目标）
让我们看看glslang SPIR-V 生成器生成了哪些 SPIR-V 代码。
着色器 v1
// Generated with glslangValidator.exe -H --target-env vulkan1.1
// Module Version 10300
// Generated by (magic number): 80008
// Id's are bound by 30
Capability Shader
1: ExtInstImport "GLSL.std.450"
MemoryModel Logical GLSL450
EntryPoint GLCompute 4 "main"
ExecutionMode 4 LocalSize 512 1 1
Source GLSL 460
Name 4 "main"
Name 8 "read_value1"
Name 9 "Buf"
MemberName 9(Buf) 0 "count"
Name 11 "buf"
Name 20 "read_value2"
Name 21 "Buf_coherent"
MemberName 21(Buf_coherent) 0 "count"
Name 23 "buf_coherent"
MemberDecorate 9(Buf) 0 Restrict
MemberDecorate 9(Buf) 0 Offset 0
Decorate 9(Buf) Block
Decorate 11(buf) DescriptorSet 0
Decorate 11(buf) Binding 0
MemberDecorate 21(Buf_coherent) 0 Coherent
MemberDecorate 21(Buf_coherent) 0 Restrict
MemberDecorate 21(Buf_coherent) 0 Offset 0
Decorate 21(Buf_coherent) Block
Decorate 23(buf_coherent) DescriptorSet 0
Decorate 23(buf_coherent) Binding 1
Decorate 29 BuiltIn WorkgroupSize
2: TypeVoid
3: TypeFunction 2
6: TypeInt 32 0
7: TypePointer Function 6(int)
9(Buf): TypeStruct 6(int)
10: TypePointer StorageBuffer 9(Buf)
11(buf): 10(ptr) Variable StorageBuffer
12: TypeInt 32 1
13: 12(int) Constant 0
14: TypePointer StorageBuffer 6(int)
16: 6(int) Constant 2
17: 6(int) Constant 1
18: 6(int) Constant 0
21(Buf_coherent): TypeStruct 6(int)
22: TypePointer StorageBuffer 21(Buf_coherent)
23(buf_coherent): 22(ptr) Variable StorageBuffer
25: 6(int) Constant 4
27: TypeVector 6(int) 3
28: 6(int) Constant 512
29: 27(ivec3) ConstantComposite 28 17 17
4(main): 2 Function None 3
5: Label
8(read_value1): 7(ptr) Variable Function
20(read_value2): 7(ptr) Variable Function
15: 14(ptr) AccessChain 11(buf) 13
19: 6(int) AtomicIAdd 15 17 18 16
Store 8(read_value1) 19
24: 14(ptr) AccessChain 23(buf_coherent) 13
26: 6(int) AtomicIAdd 24 17 18 25
Store 20(read_value2) 26
Return
FunctionEnd
buf和之间的唯一区别buf_coherent是后者的装饰带有MemberDecorate 21(Buf_coherent) 0 Coherent。之后它们的用法是相同的。
添加#pragma use_vulkan_memory_model到着色器可启用Vulkan 内存模型并产生以下（缩写）更改：
Capability Shader
+ Capability VulkanMemoryModelKHR
+ Extension "SPV_KHR_vulkan_memory_model"
1: ExtInstImport "GLSL.std.450"
- MemoryModel Logical GLSL450
+ MemoryModel Logical VulkanKHR
EntryPoint GLCompute 4 "main"
Decorate 11(buf) Binding 0
- MemberDecorate 21(Buf_coherent) 0 Coherent
MemberDecorate 21(Buf_coherent) 0 Restrict
这意味着...我不太清楚，因为我不熟悉 Vulkan 的复杂性。我确实在 Vulkan 1.2 规范中找到了“内存模型”附录的这个信息部分：
虽然 GLSL（和旧版 SPIR-V）将“连贯”修饰应用于变量（出于历史原因），但该模型将每个内存访问指令视为具有可选的隐式可用性/可见性操作。GLSL 到 SPIR-V 编译器应将连贯变量上的所有（非原子）操作映射到此模型中的 Make{Pointer,Texel}{Available}{Visible} 标志。
原子操作隐含地具有可用性/可见性操作，并且这些操作的范围取自原子操作的范围。
着色器 v2
（跳过完整输出）
buf和之间的唯一区别buf_coherent是 再次MemberDecorate 18(Buf_coherent) 0 Coherent。
添加#pragma use_vulkan_memory_model到着色器可启用Vulkan 内存模型并产生以下（缩写）更改：
- MemberDecorate 18(Buf_coherent) 0 Coherent
- 23: 6(int) Load 22
- 24: 6(int) IAdd 23 21
- 25: 13(ptr) AccessChain 20(buf_coherent) 11
- Store 25 24
+ 23: 6(int) Load 22 MakePointerVisibleKHR NonPrivatePointerKHR 24
+ 25: 6(int) IAdd 23 21
+ 26: 13(ptr) AccessChain 20(buf_coherent) 11
+ Store 26 25 MakePointerAvailableKHR NonPrivatePointerKHR 24
请注意在指令级别而不是变量级别添加MakePointerVisibleKHR和控制操作一致性。MakePointerAvailableKHR
+1 省略coherent（也许？）
CUDA
CUDA Toolkit 文档的并行线程执行 ISA 部分包含以下信息：
8.5。范围
每个强操作必须指定一个范围，它是可以直接与该操作交互并建立内存一致性模型中描述的任何关系的线程集。有三个范围：
表 18. 范围
.cta：在与当前线程相同的 CTA 中执行的所有线程的集合。.gpu：当前程序中与当前线程在同一计算设备上执行的所有线程的集合。这还包括由同一计算设备上的主机程序调用的其他内核网格。.sys当前程序中所有线程的集合，包括主机程序在所有计算设备上调用的所有内核网格，以及构成主机程序本身的所有线程。请注意，warp 不是范围；CTA 是符合内存一致性模型中范围的最小线程集合。
关于 CTA：
协作线程数组 (CTA) 是一组执行相同内核程序的并发线程。网格是一组独立执行的 CTA。
所以在 GLSL 术语中，CTA == 工作组和网格 ==glDispatchCompute调用。
指令atom说明：
9.7.12.4。并行同步和通信指令：atom
线程间通信的原子缩减操作。
[...]
可选的 .scope 限定符指定可以直接观察此操作的内存同步效果的线程集，如内存一致性模型中所述。
[...]
如果未指定范围，则使用 .gpu 范围执行原子操作。
因此，默认情况下，所有着色器调用 aglDispatchCompute都会看到原子操作的结果……除非 GLSL 编译器生成使用cta范围的东西，在这种情况下，它只能在工作组内可见。然而，后一种情况对应于sharedGLSL 变量，因此它可能仅用于这些变量，而不用于 SSBO 操作。NVIDIA 对这个过程不是很开放，所以我还没有找到一种方法来确定（也许用glGetProgramBinary）。但是，由于cta映射到工作组和gpu缓冲区（即 SSBO、图像等）的语义，我声明：
+0.5 省略coherent
经验证据
我编写了一个粒子系统计算着色器，它使用 SSBO 支持的变量作为操作数atomicAdd()，它可以工作。即使工作组大小为 512，也不需要使用of coherent。但是，工作组永远不会超过 1 个。这主要在 Nvidia GTX 1080 上进行了测试，如上所示，NVIDIA 上的原子操作似乎总是至少在工作组内可见。
+0.25 省略coherent
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