Android VSYNC与图形体系中的扯破、双缓冲、三缓冲浅析

程序员 · 2024-10-6 12:39:22

VSYNC与画面扯破

VSYNC即vertical sync，也称为垂直同步，是一种图形技能，重要就是逼迫将帧速率与表现器的革新率同步，最初由 GPU 制造商提出，重要用来处置惩罚屏幕扯破。起宰衡识下两个名词：FPS与屏幕革新频率

帧率[Frame Rate，单元FPS]-显卡天生帧的速率，也可以以为是数据处置惩罚的速率
屏幕革新频率 [Refresh Rate单元赫兹/HZ]：是指硬件装备革新屏幕的频率，值一样寻常是固定的，以优劣电视的电子扫描枪类比，好比60Hz的表现屏，每16ms电子枪从上到下从左到右一行一行渐渐把图片绘制出来。

两者要同步共同好才气高效的表现图像，可以人为帧率对应的是图像数据的输出，革新率对应的是图像数据的屏幕展示，如果帧率同装备的革新率不同等，而又没有采取合适的同步技能，会出现什么题目呢？大概会出现上述的屏幕扯破[多帧的局部数据共同构成了一个完备帧]，表示如下：
理论上来讲，只要没做到读/写线性同步就有几率发生扯破，只有帧数据完备更新+表现装备完备渲染才气克制扯破，相对应的扯破的复现场景有两种：

1：表现装备未完备渲染：假设表现装备只有一块显存存放表现数据，在没有同步加锁的情况下，帧数据由CPU/GPU处置惩罚完可随时写入到显存，如果恰幸亏上一帧A还没100%在屏幕表现完的时间，B帧到达，而且覆盖了A，那么在继续革新下半部门时，绘制的就是B帧数据，此时就会出现上半部门是A下半部门是B，即发生屏幕扯破：如下

2 帧数据未完备更新 ：仍然假设表现装备只有一块显存存放表现数据，如果在GPU覆盖旧帧的间隙，也就是显存数据没有100%革新的时间，关照渲染到屏幕，这个时间同样会发生上述事变，纵然用了半成品的帧：扯破帧。

以是同步锁的机制是扯破的关键，必须有这么一个机制告诉GPU显卡，要期待当前帧绘完备，才气更换当前帧，即VSYNC，VSYNC逼迫帧率和表现器革新频率同步，如果当前帧没绘制完，纵然下一帧准备好了，也克制使用下一帧，直到表现器绘制完当前帧，即：60HZ表现器，开了垂直同步后，表现帧率就会限定最高60，纵然显卡输出高达90FPS也没用，以致可以以为他是一种妥协性优化，肯定程度上还会低落性能。以上都是针对一块表现存储的情况，理论上只要加锁就能解决，读的时间克制写，但这么做无疑会大大低落服从，以是不能简单依赖单纯加锁解决题目。
双缓冲+垂直同步

怎样解决单缓冲+同步的性能题目呢？多增加一块表现存储区能解决吗？假定表现装备有两块显存，BackBuffer与FrontBuffer，可以简单的以为CPU/GPU占据一个缓冲、当前出现的数据占据一个缓冲，GPU/CPU 绘制更新BackBuffer，不须要关心正在展示的FrontBuffer，这就是双缓冲，相比于单缓存，双缓冲可让写与读分离，进步服从。但紧靠双缓冲理论上解决不了扯破的题目，BackBuffer毕竟也是要展示的，也要”拷贝“到FrontBuffer，如果不对拷贝利用添加干预，也大概出现扯破，VSYNC机制必须兼具克制在革新的过程中更新FrontBuffer的功能，全部的COPY大概说是Page flipping利用都要期待上一帧完全渲染完才可以，渲染完成之后，表现装备就按节奏可以发出下一个VSYNC信号，关照BackBuffer与FrontBuffer间举行拷贝，拷贝竣事后，接着举行下一帧屏幕渲染，如许就能克制屏幕扯破，固然，如果BackBuffer还未来得及完成帧更新也是须要阻断拷贝过程，否则就是渲染了半成品的帧，以是个各人为，Vsync解决扯破、双缓冲来解决性能。

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.

对Android体系而言，VSYNC除了逼迫帧率和表现器革新频率同步外，还有其他许多作用，在Android Jelly Bean之前VSYNC使用的场景比力少，只用在最后缓冲区切换，体系的其他环节没用，这种做法大概会让CPU浪费在其他低优先级的业务上，如下图:
如此情况就是一次jank
Jelly Bean之前VSYNC仅用在最后的图像表现阶段，防止屏幕扯破，但是并未调和UI的绘制，CPU对于表现帧的处置惩罚是缭乱的，VSYNC到达后，如果CPU被其他使命占据，UI绘制的执行就会耽误，等到它开始处置惩罚UI天生帧的时间，大概已经处于16ms的中心，如许就很轻易跨两个VYSNC信号，导致掉帧。在Jelly Bean中，下一帧的处置惩罚被限定在VSync信号到达时，而且依赖Android的消息屏蔽机制，将UI重绘消息的优先级是进步，其他的同步消息均不会执行，由于是在每个VSYNC信号到达时就处置惩罚帧，可以让UI绘制充实使用16ms耗时，可以只管克制跨越两帧的情况出现。
这种做法包管了UI绘制的执行时间，固然不能完全解决jank【好比本身绘制就凌驾16ms】，但是对于原来就小于16ms的使命是能包管的，从而低落jank的概率，因此VSYNC+双缓冲可以或许很好低落单缓冲的性能题目，低落延时。
双缓冲的进阶：三缓冲

之前的VSYNC+双缓冲流程图示都是用1、2、3代表第帧来表现更新流程，接线来用缓冲区代表，看一下双缓冲的数据流向，抱负情况下，16ms内CPU处置惩罚完数据，将缓冲区A交给GPU，GPU接着处置惩罚A，竣事后，等下个VSYNC与前面展示缓冲区B交换，A举行屏幕渲染，B回收用来继续天生下一帧，如下图所示：

在这种模子下，CPU与GPU实在是一种串行处置惩罚的利用，存在资源的浪费，由于两者其一必空闲，毕竟没有多余的缓冲区让其处置惩罚数据，抱负情况下实在双缓冲并未有什么不妥，但是一旦CPU大概GPU处置惩罚超时，jank就很轻易发生。

VSYNC+双缓冲包管低延时，三缓冲包管稳固性：让闲置的资源动起来

双缓冲模子中表现、CPU、GPU处置惩罚都会用到Buffer，VSYNC+双缓冲在抱负情况下是没有题目的，但如果某个环节出现题目，那就不一样了，好比某些帧耗时是[CPU 8ms +GPU 12ms]，凌驾了16ms，如下：

可以看到在第二个阶段，存在CPU资源浪费，双缓冲只会提供两个Buffer，B被GPU处置惩罚占用，A正在用表现，那么在第二个16ms内里，CPU就无法获取到Buffer处置惩罚UI更新，在Jank的阶段空空期待。而且，一样寻常出现这种场景都是连续的：好比复杂视觉结果，那么GPU大概会不绝超负荷，CPU不绝跟GPU抢Buffer，如许带来的题目就是滚雪球似的掉帧，不绝浪费，完全没有使用CPU与GPU并行处置惩罚的服从，成了串行处置惩罚，如下所示
如那边理呢？多增加一个Buffer给CPU用，让它提前忙起来，如许就能做到三方都有Buffer可用，CPU不用跟GPU争一个Buffer，真正实现并行处置惩罚。如下：

如上图所示，固然纵然每帧须要20ms【CPU 8ms +GPU 12ms】，但是由于多加了一个Buffer，实现了CPU跟GPU并行，便可以做到了只在开始掉一帧，后续却不掉帧，双缓冲充实使用16ms做到低延时，三缓冲保障了其稳固性，为什么4缓冲没须要呢？由于三个既可包管并行，四个徒增资源浪费。在Android体系中，双缓冲不但仅是两份存储，它是一个概念，双缓冲是一条链路，不是某一个环节，是整个体系采取的一个机制，须要各个环节的支持，从APP到SurfaceFlinger、到图像表现都要加入协作。对于APP端而言，每个Window都是一个双缓冲的模子，一个Window对应一个Surface，而每个Surface里至少映射两个存储区，一个给图层合成表现用，一个给APP端图形处置惩罚，这便是应于上层的双缓冲。
总结

同步是防止画面扯破的关键，VSYNC同步能防止画面扯破
VSYNC+双缓冲在Android中能有序规划渲染流程，低落延时
Android已经采取了双缓冲，双缓冲不但仅是两份存储，它是一个概念，双缓冲是一条链路，不是某一个环节，是整个体系采取的一个机制，须要各个环节的支持，从APP到SurfaceFlinger、到图像表现都要加入协作
三缓冲在UI复杂情况下能包管画面的连续性，进步柔韧性

作者：看书的小蜗牛
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