VSYNC與畫面撕裂
VSYNC即vertical sync尔店，也稱為垂直同步，是一種圖形技術(shù)，主要就是強(qiáng)制將幀速率與顯示器的刷新率同步嚣州，最初由 GPU 制造商提出鲫售，主要用來(lái)處理屏幕撕裂。首先了解下兩個(gè)名詞：FPS與屏幕刷新頻率
- 幀率[Frame Rate该肴，單位FPS]-顯卡生成幀的速率情竹，也可以認(rèn)為是數(shù)據(jù)處理的速度
- 屏幕刷新頻率 [Refresh Rate單位赫茲/HZ]：是指硬件設(shè)備刷新屏幕的頻率，值一般是固定的匀哄，以黑白電視的電子掃描槍類比秦效，比如60Hz的顯示屏，每16ms電子槍從上到下從左到右一行一行逐漸把圖片繪制出來(lái)涎嚼。
兩者要同步配合好才能高效的顯示圖像阱州，可以人為幀率對(duì)應(yīng)的是圖像數(shù)據(jù)的輸出，刷新率對(duì)應(yīng)的是圖像數(shù)據(jù)的屏幕展示苔货，如果幀率同設(shè)備的刷新率不一致鹊汛，而又沒(méi)有采用合適的同步技術(shù)，會(huì)出現(xiàn)什么問(wèn)題呢滥嘴？可能會(huì)出現(xiàn)上述的屏幕撕裂[多幀的局部數(shù)據(jù)共同組成了一個(gè)完整幀]至耻，示意如下：
理論上來(lái)講，只要沒(méi)做到讀/寫線性同步就有幾率發(fā)生撕裂走触， 只有幀數(shù)據(jù)完整更新+顯示設(shè)備完整渲染才能阻止撕裂疤苹，相對(duì)應(yīng)的撕裂的復(fù)現(xiàn)場(chǎng)景有兩種：
- 1：顯示設(shè)備未完整渲染： 假設(shè)顯示設(shè)備只有一塊顯存存放顯示數(shù)據(jù)，在沒(méi)有同步加鎖的情況下卧土，幀數(shù)據(jù)由CPU/GPU處理完可隨時(shí)寫入到顯存，如果恰好在上一幀A還沒(méi)100%在屏幕顯示完的時(shí)候旅敷，B幀到達(dá)颤霎，并且覆蓋了A涂滴，那么在繼續(xù)刷新下半部分時(shí)晴音，繪制的就是B幀數(shù)據(jù)，此時(shí)就會(huì)出現(xiàn)上半部分是A下半部分是B首量，即發(fā)生屏幕撕裂：如下
- 2 幀數(shù)據(jù)未完整更新 ：依舊假設(shè)顯示設(shè)備只有一塊顯存存放顯示數(shù)據(jù)进苍，如果在GPU覆蓋舊幀的間隙觉啊，也就是顯存數(shù)據(jù)沒(méi)有100%刷新的時(shí)候沈贝，通知渲染到屏幕，這個(gè)時(shí)候同樣會(huì)發(fā)生上述事情宋下，即使用了半成品的幀：撕裂幀。參考視頻
所以同步鎖的機(jī)制是撕裂的關(guān)鍵罩引，必須有這么一個(gè)機(jī)制告訴GPU顯卡枝笨，要等待當(dāng)前幀繪完整，才能替換當(dāng)前幀横浑，即VSYNC，VSYNC強(qiáng)制幀率和顯示器刷新頻率同步洒缀，如果當(dāng)前幀沒(méi)繪制完欺冀，即使下一幀準(zhǔn)備好了，也禁止使用下一幀脚猾，直到顯示器繪制完當(dāng)前幀，即：60HZ顯示器砰奕，開(kāi)了垂直同步后，顯示幀率就會(huì)限定最高60军援，即使顯卡輸出高達(dá)90FPS也沒(méi)用，甚至可以認(rèn)為他是一種妥協(xié)性優(yōu)化胸哥，一定程度上還會(huì)降低性能。以上都是針對(duì)一塊顯示存儲(chǔ)的情況庐船，理論上只要加鎖就能解決，讀的時(shí)候禁止寫筐钟，但這么做無(wú)疑會(huì)大大降低效率赋朦，所以不能簡(jiǎn)單依靠單純加鎖解決問(wèn)題。
雙緩沖+垂直同步
如何解決單緩沖+同步的性能問(wèn)題呢壹将？多增加一塊顯示存儲(chǔ)區(qū)能解決嗎？假定顯示設(shè)備有兩塊顯存诽俯，BackBuffer與FrontBuffer狱庇，可以簡(jiǎn)單的認(rèn)為CPU/GPU占據(jù)一個(gè)緩沖、當(dāng)前呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)占據(jù)一個(gè)緩沖颜启，GPU/CPU 繪制更新BackBuffer，不需要關(guān)心正在展示的FrontBuffer缰盏，這就是雙緩沖淹遵，相比于單緩存，雙緩沖可讓寫與讀分離济炎，提高效率。但緊靠雙緩沖理論上解決不了撕裂的問(wèn)題须尚，BackBuffer畢竟也是要展示的，也要”拷貝“到FrontBuffer耐床，如果不對(duì)拷貝操作添加干預(yù)，也可能出現(xiàn)撕裂撩轰，VSYNC機(jī)制必須兼具禁止在刷新的過(guò)程中更新FrontBuffer的功能，所有的COPY或者說(shuō)是Page flipping操作都要等待上一幀完全渲染完才可以堪嫂，渲染完成之后，顯示設(shè)備就按節(jié)奏可以發(fā)出下一個(gè)VSYNC信號(hào)镜廉，通知BackBuffer與FrontBuffer間進(jìn)行拷貝愚战，拷貝結(jié)束后齐遵，接著進(jìn)行下一幀屏幕渲染，這樣就能避免屏幕撕裂梗摇，當(dāng)然，如果BackBuffer還未來(lái)得及完成幀更新也是需要阻斷拷貝過(guò)程断序，否則就是渲染了半成品的幀，所以個(gè)人人為违诗，Vsync解決撕裂疮蹦、雙緩沖來(lái)解決性能。
It does this by preventing the GPU from doing anything to the display memory until the monitor has concluded its current refresh cycle — effectively not feeding it any more information until it’s ready for it. Through a combination of double buffering and page flipping, VSync synchronizes the drawing of frames onto the display only when it has finished a refresh cycle, so you shouldn’t ever see tears when VSync is enabled.
對(duì)Android系統(tǒng)而言阵苇，VSYNC除了強(qiáng)制幀率和顯示器刷新頻率同步外感论，還有其他很多作用，在Android Jelly Bean之前VSYNC使用的場(chǎng)景比較少比肄，只用在最后緩沖區(qū)切換囊陡，系統(tǒng)的其他環(huán)節(jié)沒(méi)用关斜，這種做法可能會(huì)讓CPU浪費(fèi)在其他低優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)上，如下圖:
如此情況就是一次jank
Jelly Bean之前VSYNC僅用在最后的圖像顯示階段痢畜，防止屏幕撕裂丁稀，但是并未協(xié)調(diào)UI的繪制，CPU對(duì)于顯示幀的處理是凌亂的线衫，VSYNC到達(dá)后惑折，如果CPU被其他任務(wù)占據(jù)，UI繪制的執(zhí)行就會(huì)延遲惨驶，等到它開(kāi)始處理UI生成幀的時(shí)候，可能已經(jīng)處于16ms的中間屋确，這樣就很容易跨兩個(gè)VYSNC信號(hào)续扔，導(dǎo)致掉幀。在Jelly Bean中纱昧，下一幀的處理被限定在VSync信號(hào)到達(dá)時(shí)，并且依賴Android的消息屏障機(jī)制呜投，將UI重繪消息的優(yōu)先級(jí)是提高存璃，其他的同步消息均不會(huì)執(zhí)行，由于是在每個(gè)VSYNC信號(hào)到達(dá)時(shí)就處理幀纵东，可以讓UI繪制充分使用16ms耗時(shí)，可以盡量避免跨越兩幀的情況出現(xiàn)洒扎。
這種做法保證了UI繪制的執(zhí)行時(shí)間，雖然不能完全解決jank【比如本身繪制就超過(guò)16ms】袍冷，但是對(duì)于本來(lái)就小于16ms的任務(wù)是能保證的，從而降低jank的概率邓线，因此VSYNC+雙緩沖能夠很好降低單緩沖的性能問(wèn)題，降低延時(shí)骇陈。
雙緩沖的進(jìn)階：三緩沖
之前的VSYNC+雙緩沖流程圖示都是用1瑰抵、2、3代表第幀來(lái)表示更新流程二汛，接線來(lái)用緩沖區(qū)代表，看一下雙緩沖的數(shù)據(jù)流向逛球，理想情況下苫昌，16ms內(nèi)CPU處理完數(shù)據(jù)幸海，將緩沖區(qū)A交給GPU，GPU接著處理A物独，結(jié)束后，等下個(gè)VSYNC與前面展示緩沖區(qū)B交換婉陷，A進(jìn)行屏幕渲染官研，B回收用來(lái)繼續(xù)生成下一幀，如下圖所示：
在這種模型下担神，CPU與GPU其實(shí)是一種串行處理的操作，存在資源的浪費(fèi)妄讯，因?yàn)閮烧咂湟槐乜臻e，畢竟沒(méi)有多余的緩沖區(qū)讓其處理數(shù)據(jù)亥贸，理想情況下其實(shí)雙緩沖并未有什么不妥，但是一旦CPU或者GPU處理超時(shí)炕置，jank就很容易發(fā)生。
VSYNC+雙緩沖保證低延時(shí)垦沉，三緩沖保證穩(wěn)定性：讓閑置的資源動(dòng)起來(lái)
雙緩沖模型中顯示仍劈、CPU厕倍、GPU處理都會(huì)用到Buffer贩疙，VSYNC+雙緩沖在理想情況下是沒(méi)有問(wèn)題的，但如果某個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題组民，那就不一樣了，比如某些幀耗時(shí)是[CPU 8ms +GPU 12ms]臭胜，超過(guò)了16ms癞尚，如下：
可以看到在第二個(gè)階段，存在CPU資源浪費(fèi)仪壮，雙緩沖只會(huì)提供兩個(gè)Buffer胳徽，B被GPU處理占用积锅，A正在用顯示养盗，那么在第二個(gè)16ms里面，CPU就無(wú)法獲取到Buffer處理UI更新往核，在Jank的階段空空等待。而且蝶缀，一般出現(xiàn)這種場(chǎng)景都是連續(xù)的：比如復(fù)雜視覺(jué)效果，那么GPU可能會(huì)一直超負(fù)荷翁都，CPU一直跟GPU搶Buffer，這樣帶來(lái)的問(wèn)題就是滾雪球似的掉幀鳍悠，一直浪費(fèi)，完全沒(méi)有利用CPU與GPU并行處理的效率坐搔，成了串行處理，如下所示
如何處理呢蠢挡？多增加一個(gè)Buffer給CPU用凳忙，讓它提前忙起來(lái)，這樣就能做到三方都有Buffer可用勤家，CPU不用跟GPU爭(zhēng)一個(gè)Buffer柳恐，真正實(shí)現(xiàn)并行處理。如下：
如上圖所示讼庇，雖然即使每幀需要20ms【CPU 8ms +GPU 12ms】伤提，但是由于多加了一個(gè)Buffer认烁，實(shí)現(xiàn)了CPU跟GPU并行，便可以做到了只在開(kāi)始掉一幀舶沛，后續(xù)卻不掉幀窗价，雙緩沖充分利用16ms做到低延時(shí)，三緩沖保障了其穩(wěn)定性撼港，為什么4緩沖沒(méi)必要呢骤竹？因?yàn)槿齻€(gè)既可保證并行蒙揣，四個(gè)徒增資源浪費(fèi)开瞭。 在Android系統(tǒng)中，雙緩沖不僅僅是兩份存儲(chǔ)嗤详，它是一個(gè)概念，雙緩沖是一條鏈路递宅，不是某一個(gè)環(huán)節(jié)冬筒，是整個(gè)系統(tǒng)采用的一個(gè)機(jī)制，需要各個(gè)環(huán)節(jié)的支持舞痰，從APP到SurfaceFlinger、到圖像顯示都要參與協(xié)作玷禽。對(duì)于APP端而言呀打，每個(gè)Window都是一個(gè)雙緩沖的模型，一個(gè)Window對(duì)應(yīng)一個(gè)Surface贬丛，而每個(gè)Surface里至少映射兩個(gè)存儲(chǔ)區(qū)，一個(gè)給圖層合成顯示用额获，一個(gè)給APP端圖形處理恭应，這便是應(yīng)于上層的雙緩沖。
總結(jié)
- 同步是防止畫面撕裂的關(guān)鍵昼榛，VSYNC同步能防止畫面撕裂
- VSYNC+雙緩沖在Android中能有序規(guī)劃渲染流程，降低延時(shí)
- Android已經(jīng)采用了雙緩沖奥喻，雙緩沖不僅僅是兩份存儲(chǔ)，它是一個(gè)概念衫嵌，雙緩沖是一條鏈路，不是某一個(gè)環(huán)節(jié)结闸，是整個(gè)系統(tǒng)采用的一個(gè)機(jī)制酒朵，需要各個(gè)環(huán)節(jié)的支持，從APP到SurfaceFlinger蔫耽、到圖像顯示都要參與協(xié)作
- 三緩沖在UI復(fù)雜情況下能保證畫面的連續(xù)性，提高柔韌性
參考文檔
Google I/O 2012 - For Butter or Worse: Smoothing Out Performance in Android UIs
Android Performance Patterns: Understanding VSYNC
作者：看書(shū)的小蝸牛
Android VSYNC與圖形系統(tǒng)中的雙緩沖图甜、三緩沖淺析
僅供參考鳖眼，歡迎指正
