WGSL Skill（WebGPU / wgpu / Bevy 通用）

本 skill 的目标是：把“需求描述”稳定转成可编译、可接入的 WGSL，并把管线对接信息（bindings / locations / entry points）一并输出，减少来回试错。

🎯 硬约束（必须遵守）

• 只写现代 WGSL：使用 @vertex / @fragment / @compute 与 @location / @builtin 等新语法；不写任何旧版/兼容写法。
• WGSL 严格类型：每个变量/参数/返回值必须可推导或显式标注；需要时必须显式转换（例如 f32(i32_value)）。
• 默认不使用 f16（它是可选特性）；除非用户明确要求并说明已启用对应 feature。
• 代码标识符用英文；解释用中文（可混用英文术语）。

🧭 使用流程（每次写 WGSL 都按这个走）

1. 明确目标：
   • shader stage：vertex / fragment / compute
   • entry point 名称（例如 vs_main / fs_main / cs_main）
   • 输入/输出：顶点属性布局、inter-stage 变量、fragment 输出 attachment 数量
   • 资源：有哪些 buffer/texture/sampler，分别用于哪个 stage
2. 先画“接口”再写“算法”：
   • 用 struct 定义 VSIn / VSOut / FSIn / FSOut（或直接用参数与返回标注）
   • 写清所有 @location(n) 与 @builtin(...)
   • 写清所有 @group(g) @binding(b) 声明
3. 再实现逻辑（函数 + 控制流），并做“可编译自检清单”（见文末）。
4. 输出时必须带上：
   • 完整 WGSL
   • Bindings 摘要表（group/binding/kind/type/stage）
   • IO 摘要表（locations/builtins/类型）

🧱 语言核心速查（写对比写快更重要）

1) 类型与字面量

• 标量：i32 / u32 / f32 / bool（f16 可选）
• 数字后缀（常用）：
  • 3u → u32，2i → i32，4f / 4.5f → f32，5h → f16
  • 6 / 7.0 可能是抽象数（编译期推导），但不要依赖它跨表达式自动“帮你转换”
• 常见坑：
  • let a = 1; let b = 2.0; a + b 会类型不匹配；改成 f32(a) + b 或把两边统一成同类型。

2) let / var / const

• let：不可变值（常用）
• var：可变变量（有存储，能赋值）
• const：编译期常量（只能由编译期表达式组成，不能依赖运行时值）
• override：管线常量（specialization constant），由宿主在创建 pipeline 时提供；适合做开关/常量参数/工作组大小等（见下文模板）

3) 向量与矩阵

• 向量：vec2<T> / vec3<T> / vec4<T>，常用别名：vec2f / vec3f / vec4f（f32）、vec4u（u32）等
• 访问：.x/.y/.z/.w、.r/.g/.b/.a、a[i]
• swizzle：a.zx、a.zzy 等
• 矩阵：matCxR<T>（列向量数组），常用 mat4x4f
  • m[2] 取第三列向量
  • mat4x4f * vec4f 合法，返回 vec4f

4) 数组

• 固定大小：array<T, N>
• 构造器：array(v0, v1, ...) 或 array<T, N>(...)
• runtime-sized array：
  • 仅允许在根作用域 storage 声明，或作为根作用域 struct 的最后一个字段（并绑定为 storage）
  • 用 arrayLength(&arr) 查询长度（仅对 runtime-sized array 有意义）

5) 函数与入口点

• 函数：fn name(params) -> returnType { ... }
• 入口点：@vertex / @fragment / @compute
• 易忽略但很关键：
  • shader “需要哪些 bindings”，只由 entry point 可达的访问路径决定（未被入口点访问到的全局资源不会成为必需绑定）
  • 如果你想强制某个 binding 出现在管线需求里，可用 _ = resource; 做“假使用”

6) override（推荐：把可调参数都做成它）

override USE_FOG: bool = false;
override WORKGROUP_SIZE_X: u32 = 64u;

@compute @workgroup_size(WORKGROUP_SIZE_X)
fn cs_main(@builtin(global_invocation_id) gid: vec3u) {
  if (USE_FOG) {
    // ...
  }
}

要点：

• override 是“管线创建时决定”的常量，不是运行时变量。
• 适合：分支开关、数组上限、workgroup size、算法常量等。

🔌 管线 IO 与 Attributes（最常出错的地方）

@location(n)：用户自定义 IO

• VS 输入：entry point 参数上的 @location(n)，或参数 struct 字段上的 @location(n)
• VS→FS：VS 输出 struct 字段 @location(n) 与 FS 输入 struct 字段 @location(n) 必须匹配（名字可不同，location 必须对）
• FS 输出：@location(n) 对应第 n 个 color attachment

@builtin(name)：内建 IO

常用例子：

• VS 输入：@builtin(vertex_index)、@builtin(instance_index)
• VS 输出：@builtin(position)（裁剪空间 position，通常 vec4f）

插值控制（inter-stage 细节，做对了能少很多“奇怪闪烁/颜色不对”）

• 默认会对 float varyings 做透视正确插值（perspective interpolation）。
• 对 整型/枚举/ID 这类不该插值的值，显式使用 @interpolate(flat)（否则会报错或产生不符合预期的结果）。
• 需要屏幕空间线性插值时，可用 @interpolate(linear)（按需使用）。
• MSAA 下的插值采样位置（fragment）：
  • @interpolate(center)：默认，按像素中心插值
  • @interpolate(centroid)：保证采样点在图元覆盖区域内（更适合边缘）
  • @interpolate(sample)：每个 sample 都执行一次 fragment shader（更贵，但可精确到 sample）

Builtins 全表（按 stage/方向使用，避免写错）

说明：以下表按 WebGPU 常用内建整理。position 在 VS 输出与 FS 输入语义不同。

🧩 资源绑定（Bindings）写法模板

注意：有些旧文章/示例会写成 var<uniforms>；现代 WGSL 关键字是 var<uniform>。

struct Uniforms {
  color: vec4f,
};

@group(0) @binding(0)
var<uniform> uniforms: Uniforms;

@group(0) @binding(1)
var my_sampler: sampler;

@group(0) @binding(2)
var my_tex: texture_2d<f32>;

storage buffer（示例）：

@group(0) @binding(3)
var<storage, read_write> data: array<vec4f>;

Address spaces / access mode（经常漏写/写错）

• module-scope 资源变量必须是 var<address_space, access> 这种形式（例如 var<uniform>、var<storage, read>、var<storage, read_write>）。
• arrayLength(&x) 里的 & 是“取引用/指针”；很多内建需要传指针（尤其针对 runtime-sized array）。
• compute 中需要跨线程共享中间结果时，用 var<workgroup>；只在当前 invocation 内用临时变量时，用函数内 var 即可。

纹理/采样（决定了你该用 sample 还是 load）

常用类型：

• 可采样 2D：texture_2d<f32> + sampler → 常用 textureSample(...)
• 不可过滤（unfilterable）或需要精确 texel：优先 textureLoad(...)（坐标通常是整数 texel + mip）
• 深度：texture_depth_2d 往往搭配 sampler_comparison 与 textureSampleCompare(...)
• Storage texture：texture_storage_2d<format, access>（用于读写像素；和采样纹理是两套东西）

自检提示（非常实用）：

• textureSample 需要“可过滤/可采样”的纹理格式与匹配的 sampler；如果验证层报“filtering sampler / sampleType 不匹配”，优先回到 bind group layout 检查 sampleType 与 sampler 类型。
• textureLoad 是不经过采样器的，常用于 G-buffer、图像处理、unfilterable、storage texture 的读取等场景。

纹理家族与查询函数（把“能不能用”一次说清）

常见 sampled textures（配 sampler）：

• texture_1d<f32>（较少见）
• texture_2d<f32> / texture_2d_array<f32>
• texture_3d<f32>
• texture_cube<f32> / texture_cube_array<f32>
• texture_multisampled_2d<f32>（MSAA color）
• texture_external（外部图像源，受限更多）

常见 depth textures（配 sampler 或 sampler_comparison）：

• texture_depth_2d / texture_depth_2d_array
• texture_depth_cube / texture_depth_cube_array
• texture_depth_multisampled_2d

常见 storage textures（不配 sampler，直接 load/store）：

• texture_storage_2d<F, access> / texture_storage_2d_array<F, access>
• texture_storage_3d<F, access>

要点：

• storage texture 的读写是“逐 texel”的：用 textureLoad / textureStore。
• storage texture 通常只作用在 mip level 0（接口上不需要/不支持传 mip level）；不要把 sampled texture 的 textureLoad(..., level) 习惯带过来。

高频“查询/辅助”函数（写 shader 时常用来避免硬编码）：

• textureDimensions(...)：纹理尺寸（按维度返回 u32/vec2u/vec3u，mip 版本也有）
• textureNumLevels(...)：mip 层数
• textureNumLayers(...)：array layers
• textureNumSamples(...)：MSAA sample 数

采样函数选择（最常见的正确姿势）

关键点：很多采样函数在“非 uniform control flow”里会出问题（见后面的 Uniformity 章节）。

• 最常用：textureSample(t, s, coords)（隐式 LOD，通常依赖导数）
• 显式 LOD：textureSampleLevel(t, s, coords, level)（不计算导数；适合分支里采样）
• 显式导数：textureSampleGrad(t, s, coords, dpdx, dpdy)（自己提供导数）
• 偏置 LOD：textureSampleBias(t, s, coords, bias)（同样可能受 uniformity 约束影响）
• 精确 texel：
  • sampled/depth：textureLoad(t, coords, level)（整数 texel 坐标；MSAA 变体会带 sample_index）
  • storage：textureLoad(t, coords)（逐 texel 读取，通常只对应 level 0）
• 写入 storage：textureStore(t, coords, value)（storage texture 才能写）

texture_external 提示：

• 常用于视频/外部图像源；可用 textureLoad(texture_external, coords)。
• 采样时常用 textureSampleBaseClampToEdge(...)（用于外部纹理的受限采样场景）。

深度/模板（Depth & Stencil）提炼

• 深度“采样”：
  • textureSample(texture_depth_*, sampler, coords) 返回 f32 深度值
  • 深度“比较采样”：textureSampleCompare(texture_depth_*, sampler_comparison, coords, depth_ref) 返回比较结果（0..1）
  • 有些场景可用 textureSampleCompareLevel(..., level=0)：它不计算导数、且没有 uniform control flow 限制，并且可在任意 stage 调用（适合避开 uniformity 问题）。
• 写 frag_depth：
  • fragment 输出 @builtin(frag_depth) depth: f32 或直接返回值标注 builtin（取决于你用 struct 还是返回标注）。
• stencil：
  • stencil 更多由管线状态控制（compare/op/writeMask 等）；WGSL 侧通常不“读写 stencil 值本身”。

宿主侧绑定约束（WebGPU 常见验证错误来源）

• 如果 pipeline 用 layout: 'auto'（WebGPU 常见默认），WebGPU 会根据 WGSL 自动推导 bind group layout；这会对纹理的 sampleType、sampler 类型等做出更严格的要求。
• 想在多个 pipeline 之间复用同一个 bind group 时，通常需要显式创建并共享同一个 bind group layout / pipeline layout（避免“auto layout 不兼容”）。
• 使用 dynamic offsets 时，需要在 bind group layout 中显式开启对应 binding 的动态偏移能力；否则 setBindGroup 传 offsets 会直接报错。

📦 数据布局与对齐（uniform/storage 最常见 bug）

• buffer 里的 struct / array 有对齐与 size 规则；CPU 侧写入的 bytes 必须和 WGSL 侧布局一致。
• 高频坑：vec3<f32> 的对齐通常是 16 bytes，所以它在 struct/array 里经常会产生 padding；“看起来连续”的字段在内存里可能并不连续。
• 这类错误通常不会报错，但会让 shader 读到错误数据（表现为模型不见了/数值计算怪异）。
• 实战建议：
  • 不确定布局时，优先用 vec4f 对齐，或在 struct 中显式加 padding 字段（例如 pad0: f32）。
  • 用工具/计算器自动算 offset/size（避免手算）。

🧪 常用骨架（直接改就能用）

Vertex + Fragment（最小可接入骨架）

struct VSIn {
  @location(0) position: vec3f,
  @location(1) uv: vec2f,
};

struct VSOut {
  @builtin(position) clip_pos: vec4f,
  @location(0) uv: vec2f,
};

@vertex
fn vs_main(v: VSIn) -> VSOut {
  var o: VSOut;
  o.clip_pos = vec4f(v.position, 1.0);
  o.uv = v.uv;
  return o;
}

@group(0) @binding(0) var my_sampler: sampler;
@group(0) @binding(1) var my_tex: texture_2d<f32>;

struct FSOut {
  @location(0) color: vec4f,
};

@fragment
fn fs_main(@location(0) uv: vec2f) -> FSOut {
  var o: FSOut;
  o.color = textureSample(my_tex, my_sampler, uv);
  return o;
}

Compute（最小骨架）

@group(0) @binding(0)
var<storage, read_write> out_data: array<u32>;

@compute @workgroup_size(64)
fn cs_main(@builtin(global_invocation_id) gid: vec3u) {
  let idx = gid.x;
  if (idx < arrayLength(&out_data)) {
    out_data[idx] = idx;
  }
}

Compute 并行模型补充（避免数据竞争）

• 常用 builtins：
  • @builtin(global_invocation_id)：全局线程 id（跨工作组唯一）
  • @builtin(local_invocation_id)：工作组内线程 id
  • @builtin(local_invocation_index)：工作组内线性索引
  • @builtin(workgroup_id)：工作组 id
• 写 storage buffer 时默认就有并发写入风险：
  • 每个 invocation 写自己独占的 index（最简单、最安全）
  • 需要汇总/计数时，用 atomic<T> 与 atomicAdd/atomicMin/...（否则会出现竞态）
  • 需要工作组内共享数据时，用 var<workgroup> 并在读写阶段之间插入 workgroupBarrier()

⚠️ 语法差异与易错点清单（写完逐条对）

• 没有三元运算符：用 select(falseValue, trueValue, cond)。
• 控制流不强制括号：if cond { ... } 合法（别把括号当成必须）。
• ++/-- 是语句不是表达式：不能写 let x = a++;，只能单独一行 a++;。
• +=/-= 是赋值语句，不是表达式：不能写 let x = (a += 1);。
• swizzle 不能出现在赋值左侧：不能写 color.rgb = ...，要构造新向量再整体赋值。
• 遇到位移/比较相关解析错误时，优先给子表达式加括号（WGSL 的运算符优先级/解析规则比很多语言更“严格”）。
• discard 只能在 fragment shader 使用。
• switch 只支持 i32/u32，case 必须是常量。
• 遇到“某个 binding 不在错误提示里/不被要求”：
  • 检查它是否真的被 entry point 可达代码访问到；必要时 _ = resource; 强制标记使用。

🧠 Uniformity / Derivatives（很多“能编译但画面怪/不同机器不一致”的根源）

• 导数内建（dpdx/dpdy/...）以及依赖导数的操作，在非 uniform control flow 下会产生不确定结果（常见表现：验证层报错、或结果 indeterminate）。
• textureSample* 里大量变体都会标注 “Returns an indeterminate value if called in non-uniform control flow.”（尤其是隐式 LOD 的那些）。
• 实战策略：
  • 分支里想采样：优先用 textureSampleLevel（显式 level）或 textureLoad（按 texel）
  • 必须隐式 LOD：把采样挪到分支外，或保证控制流对同一 quad 的 invocations 一致（更难）
  • 深度比较且怕 uniformity：可考虑 textureSampleCompareLevel（固定 level=0，不计算导数）

🧵 原子与同步（把“高级并行/同步”纳入范围）

WGSL 内建同步函数（来自 WGSL Function Reference）：

• storageBarrier()：影响 storage 地址空间的内存与 atomic
• workgroupBarrier()：影响 workgroup 地址空间的内存与 atomic
• workgroupUniformLoad(ptr<workgroup, T>) -> T：把 workgroup 内某地址的值“统一广播”为 uniform 值（指针本身必须是 uniform）

原子类型与操作要点：

• 原子类型是 atomic<T>（常见 atomic<u32> / atomic<i32>），用于在多个 invocations 间安全累加/计数/最值等。
• 原子 + barrier 的使用要明确阶段：
  • workgroup 内共享：var<workgroup> + workgroupBarrier() 做“写完再读”
  • storage 的跨 workgroup 通信非常受限，通常通过原子/分阶段 pass 设计解决（别指望 barrier 让全局有序）

🧩 可选特性与 enable（硬切换：不用就不写，用就写全）

• f16：
  • WGSL 中 f16 是可选能力；如果要用，shader 顶部显式写 enable f16;，并且宿主侧必须在创建 device 时请求对应 feature（否则会编译/创建失败）。
• storage texture 的 bgra8unorm：
  • bgra8unorm 默认不能作为 storage texture；需要宿主请求 WebGPU feature：bgra8unorm-storage（详见 Storage Textures 文章）。
• 原则（非常重要）：
  • 不要默认开启任何可选特性；必须由用户明确要求（或明确说明宿主已启用）。
  • 一旦启用，不做 fallback（hard cutover）。
  • enable ...; 放在模块作用域的顶部（在声明/函数之前），并且只写你确实要用的项。
  • 遇到“实验性 enable 名称/feature 名称”不要猜：让用户给出准确字符串，再按其要求写入（并同步更新 Bindings/管线需求）。

🔍 可编译自检清单（写完必做）

1. 入口点签名：@vertex/@fragment/@compute 是否齐全？返回值/输出 struct 的 @location/@builtin 是否完整？

2. 类型一致性：所有算术两端类型是否一致？需要时是否做了 f32(...) / u32(...) 等显式转换？

3. Bindings 完整：

   • @group/@binding 是否唯一且不冲突？
   • var<uniform> / var<storage, ...> / texture_* / sampler* 的类型是否和宿主侧 bind group layout 一致？

4. 纹理函数匹配：

   • 用了 textureSample 的纹理是否“可采样且可过滤”？sampler 类型是否匹配？
   • 用了 textureLoad 的坐标/level 类型是否正确（通常是整数 texel + mip）？

5. 数据布局：uniform/storage 里的 struct 是否考虑了 padding？是否避免了 vec3f 带来的隐式 padding 陷阱？

6. Compute 安全：

   • 对 output buffer 写入是否做了边界保护（idx < arrayLength(...)）？
   • 是否存在多个 invocation 写同一位置？若有，是否使用 atomic 或改写为无冲突写入？

7. Uniformity：fragment 中是否在分支/循环里调用了 dpdx/dpdy/textureSample* 这类对 uniformity 敏感的函数？能否改成 textureSampleLevel/textureLoad？

✅ 输出格式（强制）

当使用本 skill 生成 WGSL 时，输出必须包含 3 段：

1. WGSL：完整代码块（wgsl ... ）
2. Bindings：Markdown 表（group / binding / kind / wgsl type / stages / note）
3. IO：Markdown 表（stage / location or builtin / name / type）