游戏里需要 GPU 排序？试试 XEngine 高性能着色器（HPS）

你有没有遇到过这种场景：你的游戏里有大量的粒子、精灵或者透明物体，需要按照深度排序才能正确渲染。在 CPU 上排序当然可以，但数据要来回搬运，性能不好。如果能在 GPU 上直接排序，省去了数据搬运的开销，那该多好。

XEngine 的 HPS（High Performance Shader，高性能着色器）特性就是做这个的。它提供了一个 GPU 端的基数排序（Radix Sort）能力，让你可以在 Vulkan 命令缓冲里直接录制排序命令，由 GPU 高效完成排序。

什么是基数排序

下面是 HPS 基数排序的整体使用流程：

基数排序是一种非比较排序算法。简单说，它不是通过比较元素大小来排序，而是按照每个元素的"位"（从低位到高位）逐轮分配和收集。基数排序的时间复杂度是 O(nk)，其中 n 是元素数量，k 是位数。对于 32 位整数来说，k=32，所以效率很高。

GPU 上的基数排序特别适合大规模数据的排序，因为 GPU 有大量的并行计算单元，可以同时处理很多数据。

查询支持

HPS 基数排序需要通过扩展查询接口确认设备支持：

uint32_t propertyCount = 0;
HMS_XEG_EnumerateDeviceExtensionProperties(physicalDevice, &propertyCount, NULL);

XEG_ExtensionProperties* properties = malloc(sizeof(XEG_ExtensionProperties) * propertyCount);
HMS_XEG_EnumerateDeviceExtensionProperties(physicalDevice, &propertyCount, properties);

bool supported = false;
for (uint32_t i = 0; i < propertyCount; i++) {
    if (strcmp(properties[i].extensionName, XEG_HPS_RADIX_SORT_EXTENSION_NAME) == 0) {
        supported = true;
        break;
    }
}
free(properties);
if (!supported) return;

XEG_HPS_RADIX_SORT_EXTENSION_NAME 的值是 "XEG_hps_radix_sort"。这个特性起始版本是 6.0.0(20)。

创建 XEG_HPS 对象

确认支持之后，创建 HPS 对象：

XEG_HPS hps = VK_NULL_HANDLE;

XEG_HPSCreateInfo createInfo = {
    // 创建参数
};

VkResult result = HMS_XEG_CreateHPS(device, &createInfo, &hps);
if (result != VK_SUCCESS) {
    // 创建失败
    return;
}

HMS_XEG_CreateHPS 的三个参数：

• device：VkDevice
• pCreateInfo：XEG_HPSCreateInfo 结构体指针，不允许为空
• pHps：输出句柄的指针

返回 VK_SUCCESS 表示创建成功。

录制排序命令

有了 HPS 对象之后，你可以在命令缓冲里录制基数排序命令：

XEG_HPSRadixSortDescription description = {
    // 排序的输入输出信息
};

VkResult result = HMS_XEG_CmdRadixSortHPS(commandBuffer, hps, &description);
if (result != VK_SUCCESS) {
    // 命令录制失败
}

HMS_XEG_CmdRadixSortHPS 的三个参数：

• commandBuffer：VkCommandBuffer
• hps：已创建的 XEG_HPS 对象
• pDescription：XEG_HPSRadixSortDescription 结构体指针，不允许为空

返回 VK_SUCCESS 表示命令录制成功。

XEG_HPSRadixSortDescription 描述了排序的具体信息：要排序的数据在哪里、排序结果写到哪里、排序的 key 是什么等等。这些信息的具体字段需要参考结构体的定义。

销毁对象

用完之后记得销毁：

HMS_XEG_DestroyHPS(hps);

完整流程

// 1. 查询扩展
uint32_t propertyCount = 0;
HMS_XEG_EnumerateDeviceExtensionProperties(physicalDevice, &propertyCount, NULL);
XEG_ExtensionProperties* properties = malloc(sizeof(XEG_ExtensionProperties) * propertyCount);
HMS_XEG_EnumerateDeviceExtensionProperties(physicalDevice, &propertyCount, properties);

bool supported = false;
for (uint32_t i = 0; i < propertyCount; i++) {
    if (strcmp(properties[i].extensionName, XEG_HPS_RADIX_SORT_EXTENSION_NAME) == 0) {
        supported = true;
        break;
    }
}
free(properties);
if (!supported) return;

// 2. 创建 HPS 对象
XEG_HPS hps = VK_NULL_HANDLE;
XEG_HPSCreateInfo createInfo = { /* ... */ };
HMS_XEG_CreateHPS(device, &createInfo, &hps);

// 3. 每帧：录制排序命令
XEG_HPSRadixSortDescription desc = { /* 当前帧的排序参数 */ };
HMS_XEG_CmdRadixSortHPS(commandBuffer, hps, &desc);

// 4. 提交命令缓冲
vkQueueSubmit(queue, 1, &submitInfo, fence);

// 5. 排序结果在 GPU 内存里，可以直接用于后续的渲染步骤

// 6. 退出时销毁
HMS_XEG_DestroyHPS(hps);

和 XEG_StructureType 的关系

HPS 使用了 XEG_StructureType 枚举里的三个值：

• XEG_STRUCTURE_TYPE_HPS_CREATE_INFO = 1001
• XEG_STRUCTURE_TYPE_HPS_RADIX_SORT = 1002
• XEG_STRUCTURE_TYPE_HPS_RADIX_SORT_DESCRIPTION = 1003

如果你的结构体需要设置 sType 字段，记得用对应的枚举值。

实际应用场景

GPU 排序和 CPU 排序的对比：

1. 粒子系统排序：大量透明粒子需要按照深度排序才能正确渲染。在 GPU 上排序避免了数据回读到 CPU 的开销。

2. 精灵渲染：2D 游戏里大量的精灵需要按层级排序。GPU 排序可以让这个过程更快。

3. 光线追踪加速结构：有些光线追踪算法需要对图元进行空间排序来构建加速结构。

4. 物理模拟：碰撞检测中经常需要对物体按空间位置排序。

使用建议

1. 数据要提前上传到 GPU：基数排序是在 GPU 上执行的，所以待排序的数据必须在 GPU 内存里。如果你的数据在 CPU 上，需要先上传。

2. 排序结果也在 GPU 上：排序完成后，结果直接存在 GPU 内存里，可以无缝用于后续的渲染步骤。如果你需要在 CPU 上使用排序结果，需要回读。

3. 命令录制而非立即执行：HMS_XEG_CmdRadixSortHPS 只是把排序命令录制到命令缓冲里，不会立即执行。你需要提交命令缓冲之后排序才会真正运行。

4. 检查返回值：创建和录制命令都有返回值，记得检查是否为 VK_SUCCESS。

HPS 是一个很实用的 GPU 计算工具。虽然它目前只提供了基数排序能力，但这个能力在游戏开发中用得非常多。如果你的游戏有大量的排序需求，HPS 可以帮你省下不少 CPU 时间。