Android 顯示刷新機(jī)制、VSYNC和三重緩存機(jī)制

和你一起終身學(xué)習(xí)，這里是程序員Android

經(jīng)典好文推薦，通過閱讀本文，您將收獲以下知識(shí)點(diǎn):

一、刷新率與幀率
二、Google 的優(yōu)化
三、Triple Buffer三重緩存機(jī)制
四、總結(jié)

一、刷新率與幀率

為了理解 APP 是如何進(jìn)行渲染的，我們就必須了解手機(jī)硬件是如何工作的，也必須理解什么是 VSYNC。

首先，我們需要了解2個(gè)相關(guān)概念：

1. 刷新率（Refresh Rate）：

代表了屏幕在一秒內(nèi)刷新屏幕的次數(shù)，這取決于硬件的固定參數(shù)，例如 60Hz。

2. 幀率（Frame Rate）

代表了 GPU 在一秒內(nèi)繪制操作的幀數(shù)，例如 30fps，60fps。
GPU 會(huì)獲取圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行渲染，然后硬件負(fù)責(zé)把渲染后的內(nèi)容呈現(xiàn)到屏幕上，他們兩者不停的進(jìn)行協(xié)作。

如果刷新率和幀率，各自做自己的事，不相互協(xié)調(diào)工作，那么刷新頻率和幀率并不總能夠保持相同的節(jié)奏。如果發(fā)生幀率與刷新頻率不一致的情況，就會(huì)容易出現(xiàn)畫面撕裂（Tearing）的現(xiàn)象，也就是畫面上下兩部分顯示內(nèi)容發(fā)生斷裂，來(lái)自不同的兩幀數(shù)據(jù)發(fā)生重疊。

為了解決 Tearing 問題，Android 引入了 VSYNC 信號(hào)以及雙重與三重緩存機(jī)制。

二、Google 的優(yōu)化

從 Android 4.1 開始，谷歌致力于解決 Android 系統(tǒng)中最飽受詬病的一個(gè)問題，滑動(dòng)不如 iOS 流暢。因谷歌在 4.1 版本引入了一個(gè)重大的改進(jìn)—Project Butter，也即是黃油計(jì)劃。

Project Butter 對(duì) Android Display 系統(tǒng)進(jìn)行了重構(gòu)，引入了三個(gè)核心元素，即 VSYNC、Triple Buffer 和 Choreographer。Choreographer 在之前的文章《從源碼分析Choreographer是如何實(shí)現(xiàn)VSYNC信號(hào)的請(qǐng)求及幀的刷新處理？（Android Q）》中已經(jīng)分析過了，三重緩存機(jī)制我們后面介紹，這里我們重點(diǎn)講解 VSYNC 的作用。

VSYNC（Vertical Synchronization）是一個(gè)相當(dāng)古老的概念，對(duì)于游戲玩家，它有一個(gè)更加大名鼎鼎的中文名字—-垂直同步。垂直同步(vsync)指的是顯卡的輸出幀數(shù)和屏幕的垂直刷新率相同。在當(dāng)下，垂直同步的含義我們可以理解為，使得顯卡生成幀的速度和屏幕刷新的速度的保持一致。舉例來(lái)說(shuō)，如果屏幕的刷新率為 60Hz，那么生成幀的速度就應(yīng)該被固定在 16ms。

上文中，我們已經(jīng)知道了什么事畫面撕裂（Tearing）現(xiàn)象以及它產(chǎn)生的原因，而 VSYNC 最重要的作用是防止出現(xiàn)畫面撕裂。

VSYNC 信號(hào)是由屏幕（顯示設(shè)備）產(chǎn)生的，并且以 60fps 的固定頻率發(fā)送給 Android 系統(tǒng)，Android 系統(tǒng)中的 SurfaceFlinger 接收發(fā)送的 VSYNC 信號(hào)。VSYNC 信號(hào)表明可對(duì)屏幕進(jìn)行刷新而不會(huì)產(chǎn)生撕裂。當(dāng) SurfaceFlinger 接收到 VSYNC 信號(hào)后，SurfaceFlinger 會(huì)遍歷其層列表，以查找新的緩沖區(qū)。如果 SurfaceFlinger 找到新的緩沖區(qū)，SurfaceFlinger 會(huì)獲取緩沖區(qū)；否則，SurfaceFlinger 會(huì)繼續(xù)使用上一次獲取的那個(gè)緩沖區(qū)。SurfaceFlinger 必須始終顯示內(nèi)容，因此它會(huì)保留一個(gè)緩沖區(qū)。如果在某個(gè)層上沒有提交緩沖區(qū)，則該層會(huì)被忽略。

通常來(lái)說(shuō)，幀率超過刷新頻率只是一種理想的狀況，在超過 60fps 的情況下，GPU 所產(chǎn)生的幀數(shù)據(jù)會(huì)因?yàn)榈却?VSYNC 的刷新信息而被 Hold 住，這樣能夠保持每次刷新都有實(shí)際的新的數(shù)據(jù)可以顯示。但是我們遇到更多的情況是幀率小于刷新頻率。

在這種情況下，某些幀顯示的畫面內(nèi)容就會(huì)與上一幀的畫面相同。糟糕的事情是，幀率從超過 60fps 突然掉到 60fps 以下，這樣就會(huì)發(fā)生 LAG，JANK，HITCHING 等卡頓掉幀的不順滑的情況。這也是用戶感受不好的原因所在。

接下來(lái)，我們以具體示例來(lái)看 VSYNC 的作用。

1. 沒有使用 VSYNC 時(shí)

我們來(lái)看沒有 VSYNC 的情況：

這個(gè)圖中有三個(gè)元素，Display 是顯示屏幕，GPU 和 CPU 負(fù)責(zé)渲染幀數(shù)據(jù)，每個(gè)幀以方框表示，并以數(shù)字進(jìn)行編號(hào)，如0、1、2等等。

CPU 正常執(zhí)行幀1，GPU 正常渲染幀1，所以幀1正常顯示。
但，CPU 由于被占用等原因，等到即將顯示幀2時(shí)，它才開始處理第二幀的內(nèi)容，這顯然完不成了，所以等到第二幀顯示的時(shí)候，只能使用上一幀的內(nèi)容顯示了，也即是丟幀了。
上面丟幀的原因，我們可以從圖中看出，是因?yàn)樾碌囊粠_始的時(shí)候，CPU 在處理其他任務(wù)，并沒有馬上執(zhí)行下一幀的任務(wù)，那么如何讓 CPU 在新的一幀開始的時(shí)候立即處理顯示內(nèi)容呢？答案就在 VSYNC 身上！

2.使用 VSYNC 信號(hào)

我們來(lái)看，Android 引入 VSYNC 之后的幀執(zhí)行示意圖：

第0幀顯示時(shí)，CPU 和 GPU 準(zhǔn)備好了第一幀的內(nèi)容。
第1幀剛開始顯示時(shí)，CPU 放下手中的任務(wù)，立馬處理第2幀顯示相關(guān)的任務(wù)（這里使用了消息屏障機(jī)制，可以參考前文《Android消息循環(huán)的同步屏障機(jī)制及UI渲染性能的提升（Android Q）》），這樣，在第二幀顯示之前， CPU 和 GPU 也提前完成了顯示任務(wù)的處理，第二幀正常顯示。
可以看到，使用 VSYNC 信號(hào)機(jī)制，提升了渲染任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，優(yōu)化了渲染性能，可有效的減少了丟幀、卡頓等問題。

但是上圖中仍然存在一個(gè)問題：CPU 和 GPU 處理數(shù)據(jù)的速度似乎都能在 16ms 內(nèi)完成，而且還有時(shí)間空余，也就是說(shuō)，CPU 和 GPU 的幀率要高于 Display 的幀率。由于 CPU/GPU 只在收到 VSYNC 時(shí)才開始數(shù)據(jù)處理，故它們的幀率被拉低到與 Display 相同。但這種處理并沒有什么問題，因?yàn)?Android 設(shè)備的 Display FPS 一般是 60，其對(duì)應(yīng)的顯示效果非常平滑。

但如果 CPU/GPU 的幀率小于 Display 的幀率，情況又不同了，將會(huì)發(fā)生如下圖的情況：

在第二個(gè) 16ms 時(shí)間段，Display 本應(yīng)顯示 B 幀，但卻因?yàn)?GPU 還在處理 B 幀，導(dǎo)致 A 幀被重復(fù)顯示。
同理，在第二個(gè) 16ms 時(shí)間段內(nèi)，CPU 無(wú)所事事，因?yàn)?A Buffer 被 Display 在使用。B Buffer 被 GPU 在使用。注意，一旦過了 VSYNC 時(shí)間點(diǎn)，CPU 就不能被觸發(fā)以處理繪制工作了。

以上是使用雙重緩存機(jī)制時(shí)產(chǎn)生的問題，那么又如何來(lái)解決呢？

為了解決這個(gè)問題，Android 引入了 Triple Buffer 機(jī)制。

三、Triple Buffer三重緩存機(jī)制

一般我們?cè)诶L制 UI 的時(shí)候，都會(huì)采用一種稱為“雙緩存”的技術(shù)（例如，上面幾個(gè)例子）。雙緩存意味著要使用兩個(gè)緩存區(qū)，其中一個(gè)稱為 Front Buffer，另外一個(gè)稱為 Back Buffer。UI 總是先在 Back Buffer 中繪制，然后再和 Front Buffer 交換，渲染到顯示設(shè)備中。理想情況下，這樣一個(gè)刷新會(huì)在 16ms 內(nèi)完成，下圖就是描述的這樣一個(gè)刷新過程：Display 處理前 Front Buffer，CPU、GPU 處理 Back Buffer。

只有兩個(gè) Buffer（Android 4.1之前）時(shí)，CPU 在空閑時(shí)，如果 Back Buffer 被占用了，它也只能等待 GPU 使用之后再次進(jìn)行寫入。我們可以想想，如果有第三個(gè) Buffer 的存在，CPU 是不是就可以提前工作，而不至于空閑了？所以，Google 在 Android4.1 以后，引入了三重緩存機(jī)制：Tripple Buffer。Tripple Buffer 利用 CPU/GPU 的空閑等待時(shí)間提前準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)，并不一定會(huì)使用。

引入 Triple Buffer 效果如下圖所示：

上圖中，第二個(gè) 16ms 時(shí)間段，CPU 使用 C Buffer 繪圖。雖然還是會(huì)多顯示 A 幀一次，但后續(xù)顯示就比較順暢了。

那么，是不是 Buffer 越多越好呢？回答是否定的。由上圖可知，在第二個(gè)時(shí)間段內(nèi)，CPU 繪制的第 C 幀數(shù)據(jù)要到第四個(gè) 16ms 才能顯示，這比雙 Buffer 情況多了 16ms 延遲，并且大量的緩存數(shù)據(jù)也會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存增大，以及顯示數(shù)據(jù)是否失效等問題。所以，Buffer 三個(gè)足矣。

四、總結(jié)

刷新率（Refresh Rate）：代表了屏幕在一秒內(nèi)刷新屏幕的次數(shù)，這取決于硬件的固定參數(shù)，例如 60Hz。

幀率（Frame Rate）：代表了 GPU 在一秒內(nèi)繪制操作的幀數(shù)，例如 30fps，60fps。

GPU 會(huì)獲取圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行渲染，然后硬件負(fù)責(zé)把渲染后的內(nèi)容呈現(xiàn)到屏幕上，他們兩者不停的進(jìn)行協(xié)作。

如果刷新率和幀率，各自做自己的事，不相互協(xié)調(diào)工作，那么刷新頻率和幀率并不總能夠保持相同的節(jié)奏。如果發(fā)生幀率與刷新頻率不一致的情況，就會(huì)容易出現(xiàn)畫面撕裂（Tearing）的現(xiàn)象。

從 Android 4.1 開始，谷歌在黃油計(jì)劃中，引入了了三個(gè)核心元素，即 VSYNC、Triple Buffer 和 Choreographer。

VSYNC 信號(hào)是由屏幕（顯示設(shè)備）產(chǎn)生的，并且以 60fps 的固定頻率發(fā)送給 Android 系統(tǒng)，Android 系統(tǒng)中的 SurfaceFlinger 接收發(fā)送的 VSYNC 信號(hào)。VSYNC 信號(hào)表明可對(duì)屏幕進(jìn)行刷新而不會(huì)產(chǎn)生撕裂。

使用 VSYNC 信號(hào)機(jī)制，提升了渲染任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，優(yōu)化了渲染性能，可有效的減少了丟幀、卡頓等問題。

三重緩存機(jī)制（Triple Buffer） 利用 CPU/GPU 的空閑等待時(shí)間提前準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)，有效的提升了渲染性能。

原文鏈接：https://blog.csdn.net/u011578734/article/details/110921266

友情推薦：

Android 開發(fā)干貨集錦

至此，本篇已結(jié)束。轉(zhuǎn)載網(wǎng)絡(luò)的文章，小編覺得很優(yōu)秀，歡迎點(diǎn)擊閱讀原文，支持原創(chuàng)作者，如有侵權(quán)，懇請(qǐng)聯(lián)系小編刪除，歡迎您的建議與指正。同時(shí)期待您的關(guān)注，感謝您的閱讀，謝謝！

點(diǎn)個(gè)在看，方便您使用時(shí)快速查找！