Android VSYNC与图形系统中的撕裂、双缓冲、三缓冲浅析

先接触两个图形概念： 帧率（Frame Rate，单位FPS）--GPU显卡生成帧的速率，也可以认为是数据处理的速度）， 屏幕刷新频率 （Refresh Rate单位赫兹/HZ）：是指硬件设备刷新屏幕的频率。屏幕刷新率一般是固定的，比如60Hz的每16ms就刷一次屏幕，可以类比一下黑白电视的电子扫描枪，每16ms电子枪从上到下从左到右一行一行逐渐把图片绘制出来，如果GPU显卡性能非常强悍，帧率可以非常高，甚至会高于屏幕刷新频率。

本文参考视频 Google IO

单缓存画面撕裂与（垂直同步+双缓冲）

什么是画面撕裂？如下：用两帧的部分数据合成一帧。

image.png

The display (LCD, AMOLED, whatever) gets each frame from the graphics chip, and starts drawing it line by line. Ideally, you want the display to get a new frame from the graphics chip after it is finished drawing the previous frame. Tearing occurs when the graphics chip loads a new frame in the middle of the LCD draw, so you get half of one frame and half of another.

如果只有一块缓存，在没有加锁的情况下，容易出现。即：在屏幕更新的时候，如果显卡输出帧率很高，在A帧的数据上半部分刚更新完时，B帧就到了，如果没采取同步锁机制，可以认为帧到了就可用，在继续刷新下半部分时，由于只有一块存储，A被B覆盖，绘制用的数据就是B帧，此时就会出现上半部分是A下半部分是B，这就是屏幕撕裂，个人觉得描述成显卡瞬时帧率过高也许更好。同正常帧绘制相比，正常的帧给时间才就能完整绘制一帧，但撕裂的帧没有机会补全。

image.png

相比较画面撕裂场景如下：

image.png

不过按照Android官方指导的说法，屏幕撕裂还有另外一种解释，那就是显示器用了半成品的帧，不过我是不太理解他说的这点。参考视频

以上说的是只有一块显示存储的情况，其实只要加锁就能解决。那么如果多增加一块显示存储区能解决吗？显卡绘制成功后，先写入BackBuffer，不影响当前正在展示的FrameBuffer，这就是双缓冲，但是理论上其实也不行，因为BackBuffer毕竟也是要展示的，也要”拷贝“到FrameBuffer，在A帧没画完，BackBuffer如果不加干预，直接”拷贝“到FrameBuffer同样出现撕裂。所以同步锁的机制才是关键，必须有这么一个机制告诉GPU显卡，要等待当前帧绘完整，才能替换当前帧。但如果仅仅单缓存加锁的话GPU显卡会被挂啊？这就让效率低了，那就一边加同步锁，同时再多加一个缓存，垂直同步（VSYNC）就可看做是这么个东西，其实两者是配合使用的。

image.png

再来看下VSYNC，屏幕刷新从左到右水平扫描（Horizontal Scanning），从上到下垂直扫描Vertical Scanning，垂直扫描完成则整个屏幕刷新完毕，这便是告诉外界可以绘制下一帧的时机，在这里发出VSync信号，通知GPU给FrameBuffer传数据，完成后，屏幕便可以开始刷新，所以或许称之为帧同步更合适。VSYNC强制帧率和显示器刷新频率同步，如果当前帧没绘制完，即使下一帧准备好了，也禁止使用下一帧，直到显示器绘制完当前帧，等下次刷新的时候，才会用下一帧。比如：如果显示器的刷新频率是60HZ显示器，开了垂直同步后，显示帧率就会被锁60，即使显卡输出高，也没用。对Android系统而言，垂直同步信号除了强制帧率和显示器刷新频率同步外，还有其他很多作用，VSYNC是APP端重绘、SurfaceFlinger图层合成的触发点，只有收到VSYNC信号，它们才会工作，以上便是个人对引入VSYNC与双缓冲的见解。

双缓冲的进阶：三缓冲

在Android系统里，除了双缓冲，还有个三缓冲，不过这个三缓冲是对于屏幕硬件刷新之外而言，它关注的是整个Android图形系统的消费者模型，跟Android自身的VSYNC用法有关系，在 Jelly Bean 中Android扩大了VSYNC使用场景与效果，不仅用在屏幕刷新防撕裂，同时也用在APP端绘制及SurfaceFlinger合成那，此时对VSYNC利用有点像Pipeline流水线，贯穿整个绘制流程，对比下VSYNC扩展使用的区别：

image.png

如果想要达到60FPS的流畅度，每16毫秒必须刷新一帧，否则动画、视频就没那么丝滑，扩展后：

image.png

对于没采用VSYNC做调度的系统来说，比如Project Butter之前的系统（4.1以下），CPU的对于显示帧的处理是凌乱的，优先级也没有保障，处理完一帧后，CPU可能并不会及时处理下一帧，可能会优先处理其他消息，等到它开始处理UI生成帧的时候，可能已经处于VSYNC的中间，这样就很容易跨两个VYSNC信号，导致掉帧。在Jelly Bean中，下一帧的处理被限定在VSync信号到达时，并且看Android的处理UI重绘消息的优先级是比较高的，其他的同步消息均不会执行，从而保证每16ms处理一帧有序进行，同时由于是在每个VSYNC信号到达时就处理帧，可以尽量避免跨越两帧的情况出现。

上面的流程中，Android已经采用了双缓冲，双缓冲不仅仅是两份存储，它是一个概念，双缓冲是一条链路，不是某一个环节，是整个系统采用的一个机制，需要各个环节的支持，从APP到SurfaceFlinger、到图像显示都要参与协作。对于APP端而言，每个Window都是一个双缓冲的模型，一个Window对应一个Surface，而每个Surface里至少映射两个存储区，一个给图层合成显示用，一个给APP端图形处理，这便是应于上层的双缓冲。Android4.0之后基本都是默认硬件加速，CPU跟GPU都是并发处理任务的，CPU处理完之后就完工，等下一个VSYNC到来就可以进行下一轮操作。也就是CPU、GPU、显示都会用到Buffer，VSYNC+双缓冲在理想情况下是没有问题的，但如果某个环节出现问题，那就不一样了如下（帧耗时超过16ms）：

双缓冲jank

可以看到在第二个阶段，存在CPU资源浪费，为什么呢？双缓冲Surface只会提供两个Buffer，一个Buffer被DisPlay占用（SurfaceFlinger用完后不会释放当前的Buffer，只会释放旧的Buffer,直观的想一下，如果新Buffer生成受阻，那么肯定要保留一个备份给SF用，才能不阻碍合成显示，就必定要一直占用一个Buffer，新的Buffer来了才释放老的），另一个被GPU处理占用，所以，CPU就无法获取到Buffer处理当前UI，在Jank的阶段空空等待。一般出现这种场景都是连续的：比如复杂视觉效果每一帧可能需要20ms（CPU 8ms +GPU 12ms），GPU可能会一直超负荷，CPU跟GPU一直抢Buffer，这样带来的问题就是滚雪球似的掉帧，一直浪费，完全没有利用CPU与GPU并行处理的效率，成了串行处理，如下所示

image.png

如何处理呢？让多增加一个Buffer给CPU用，让它提前忙起来，这样就能做到三方都有Buffer可用，CPU跟GPU不用争一个Buffer，真正实现并行处理。如下：

image.png

如上图所示，虽然即使每帧需要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，双缓冲充分利用16ms做到低延时，三缓冲保障了其稳定性，为什么4缓冲没必要呢？因为三个既可保证并行，四个徒增资源浪费。

双缓冲保证低延时，三缓冲保证稳定性，双缓冲不在16ms中间开始，有足够时间绘制 三缓冲增加其韧性。

总结

• 同步是防止画面撕裂的关键，VSYNC同步能防止画面撕裂
• VSYNC+双缓冲在Android中能有序规划渲染流程，降低延时
• Android已经采用了双缓冲，双缓冲不仅仅是两份存储，它是一个概念，双缓冲是一条链路，不是某一个环节，是整个系统采用的一个机制，需要各个环节的支持，从APP到SurfaceFlinger、到图像显示都要参与协作
• 三缓冲在UI复杂情况下能保证画面的连续性，提高柔韧性

作者：看书的小蜗牛

Android VSYNC与图形系统中的双缓冲、三缓冲浅析