Vulkan中如何为顶点与片段着色器阶段设置不同Push Constant？

我想为顶点着色器和片段着色器分别使用不同的Push Constant：

• 顶点着色器对应的C++结构体：

struct vertex_push_constant {
  matrix4x4 model{};
  matrix4x4 normal{};
};

• 片段着色器对应的C++结构体：

struct fragment_push_constant {
  vector4 camera_position{};
  vector4 light_position{};
  vector4 light_color{};
};

我把它们合并成一个总结构体：

struct push_constant {
  vertex_push_constant vertex{};
  fragment_push_constant fragment{};
};

着色器里也对应定义了结构体，顶点着色器代码：

struct vertex_push_constant_data {
  mat4 model;
  mat4 normal;
};

layout(push_constant) uniform push_constant {
  vertex_push_constant_data data;
} push;

片段着色器代码类似：

struct fragment_push_constant_data {
  vec4 camera_position{};
  vec4 light_position{};
  vec4 light_color{};
};

layout(push_constant) uniform push_constant {
  fragment_push_constant_data data;
} push;

创建管线时配置的Push Constant范围：

const auto push_constant_ranges = std::array<VkPushConstantRange, 2>{
  VkPushConstantRange{
    .stageFlags = VK_SHADER_STAGE_VERTEX_BIT,
    .offset = offsetof(push_constant, vertex_push_constant),
    .size = sizeof(vertex_push_constant)
  },
  VkPushConstantRange{
    .stageFlags = VK_SHADER_STAGE_FRAGMENT_BIT,
    .offset = offsetof(push_constant, fragment_push_constant),
    .size = sizeof(fragment_push_constant)
  },
};

尝试用以下代码填充Push Constant时触发错误：

vkCmdPushConstants(command_buffer, layout, VK_SHADER_STAGE_VERTEX_BIT | VK_SHADER_STAGE_FRAGMENT_BIT, 0, sizeof(push_constant), &push_constant_data)

错误信息：

Validation Error: [ VUID-vkCmdPushConstants-offset-01795 ] Object 0: handle = 0x1f66f6c4000, type = VK_OBJECT_TYPE_COMMAND_BUFFER; | MessageID = 0x27bc88c6 | vkCmdPushConstants(): VK_SHADER_STAGE_VERTEX_BIT|VK_SHADER_STAGE_FRAGMENT_BIT, VkPushConstantRange in VkPipelineLayout 0x301e6c0000000022[] overlapping offset = 0 and size = 176, do not contain VK_SHADER_STAGE_VERTEX_BIT|VK_SHADER_STAGE_FRAGMENT_BIT. The Vulkan spec states: For each byte in the range specified by offset and size and for each shader stage in stageFlags, there must be a push constant range in layout that includes that byte and that stage

之后尝试分阶段设置：

vkCmdPushConstants(command_buffer, layout, VK_SHADER_STAGE_VERTEX_BIT, offsetof(push_constant, vertex_push_constant), sizeof(vertex_push_constant), &push_constant_data)
vkCmdPushConstants(command_buffer, layout, VK_SHADER_STAGE_FRAGMENT_BIT, offsetof(push_constant, fragment_push_constant), sizeof(fragment_push_constant), &push_constant_data)

但还是出现运行时错误。我不想让两个阶段共用同一个Push Constant块，因为片段着色器不需要模型矩阵，顶点着色器不需要相机位置。请问该如何正确为不同阶段设置独立的Push Constant数据？

核心问题分析 #

错误根源有两点：

1. 管线布局的Push Constant范围配置，与着色器中Push Constant块的定义不匹配，Vulkan无法正确映射数据到对应着色器的块中。
2. 分阶段调用vkCmdPushConstants时，传递的是整个合并结构体的指针，而非对应子结构体的地址。

正确实现步骤 #

1. 调整管线布局的Push Constant范围

无需合并结构体，直接为每个阶段定义独立范围，注意偏移要符合Vulkan的对齐要求（mat4等类型需要16字节对齐）：

const auto push_constant_ranges = std::array<VkPushConstantRange, 2>{
  VkPushConstantRange{
    .stageFlags = VK_SHADER_STAGE_VERTEX_BIT,
    .offset = 0,  // 顶点Push Constant从偏移0开始
    .size = sizeof(vertex_push_constant)
  },
  VkPushConstantRange{
    .stageFlags = VK_SHADER_STAGE_FRAGMENT_BIT,
    .offset = sizeof(vertex_push_constant),  // 片段Push Constant接在顶点之后，保证对齐
    .size = sizeof(fragment_push_constant)
  },
};

若sizeof(vertex_push_constant)不是16字节倍数，需手动调整偏移，或用alignas(16)修饰C++结构体强制对齐。

2. 修正着色器中的Push Constant定义

着色器中为每个阶段定义独立的Push Constant块，保证与C++端的偏移、大小一致：

顶点着色器：

layout(push_constant) uniform VertexPushConstants {
  mat4 model;
  mat4 normal;
} push;

片段着色器：

layout(push_constant) uniform FragmentPushConstants {
  vec4 camera_position;
  vec4 light_position;
  vec4 light_color;
} push;

3. 正确调用vkCmdPushConstants

分阶段传递对应子结构体的地址，匹配管线布局的偏移设置：

// 设置顶点Push Constant
vkCmdPushConstants(
    command_buffer, 
    layout, 
    VK_SHADER_STAGE_VERTEX_BIT, 
    0, 
    sizeof(vertex_push_constant), 
    &push_constant_data.vertex
);

// 设置片段Push Constant
vkCmdPushConstants(
    command_buffer, 
    layout, 
    VK_SHADER_STAGE_FRAGMENT_BIT, 
    sizeof(vertex_push_constant), 
    sizeof(fragment_push_constant), 
    &push_constant_data.fragment
);

4. 额外注意事项

• 保证C与GLSL结构体内存布局一致：GLSL中mat4是列主序，C的matrix4x4需同步为列主序，避免数据错乱。
• 检查总Push Constant大小不超过设备上限，可通过VkPhysicalDeviceLimits::maxPushConstantsSize获取。
• 严格遵循验证层的错误提示，定位范围或阶段的匹配问题。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Symlink