理解 VSync

Posted 2022-12-23 陈蒙_

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了理解 VSync相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

文章目录

前言
帧率 vs 屏幕刷新频率
- 帧率
- 屏幕刷新频率
VSync 是啥
VSync 有啥作用
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前言

本文讲解 VSync 产生的原因及其作用。内容涉及如下方面：

帧率 vs 屏幕刷新频率；
单缓存，双重缓冲，三重缓存及各自的优缺点；
VSync 的工作过程；

帧率 vs 屏幕刷新频率

帧率

即 Frame Rate，单位 fps，是指 gpu 生成帧的速率，如 33 fps，60fps，越高越好。

屏幕刷新频率

即 Refresh Rate 或 Scanning Frequency，单位赫兹/Hz，是指设备刷新屏幕的频率，该值对于特定的设备来说是个常量，如 60hz。

如下图，屏幕的刷新过程是每一行从左到右（行刷新，水平刷新，Horizontal Scanning），从上到下（屏幕刷新，垂直刷新，Vertical Scanning）。当整个屏幕刷新完毕，即一个垂直刷新周期完成，会有短暂的空白期，此时发出 VSync 信号。所以，VSync 中的 V 指的是垂直刷新中的垂直/Vertical。

对于一个特定的设备，帧率和刷新频率没有必然的大小关系。

VSync 是啥

安卓系统中有 2 种 VSync 信号：屏幕产生的硬件 VSync 和由 SurfaceFlinger 将其转成的软件 Vsync 信号。后者经由 Binder 传递给 Choreographer。
硬件 VSync 是一个脉冲信号，起到开关或触发某种操作的作用。
更多信息请自行复习《计算机组成原理》或《数字电路与逻辑设计》等大学教材（就像考研备考的时候研友感慨的：出来混，迟早要还的，当时没学好，现在还得接着学）。

VSync 有啥作用

单缓存

在第一章我们讲到，帧率和刷新频率没有必然的大小关系。先记住这一点。
首先，我们来看下，没有引入 VSync 时，屏幕显示图像的工作流程。

如上图，CPU/GPU 向 Buffer 中生成图像，屏幕从 Buffer 中取图像、刷新后显示。这是一个典型的生产者——消费者模型。理想的情况是帧率和刷新频率相等，每绘制一帧，屏幕显示一帧。而实际情况是，二者之间没有必然的大小关系，如果没有锁来控制同步，很容易出现问题。例如，当帧率大于刷新频率，当屏幕还没有刷新第 n-1 帧的时候，GPU 已经在生成第 n 帧了，从上往下开始覆盖第 n-1 帧的数据，当屏幕开始刷新第 n-1 帧的时候，Buffer 中的数据上半部分是第 n 帧数据，而下半部分是第 n-1 帧的数据，显示出来的图像就会出现上半部分和下半部分明显偏差的现象，我们称之为 “tearing”，如下图：

甚至更严重的“身首异处”：

双重缓存（Double Buffer）

注意，此处的“双缓冲”和计算机组成原理中的“二级缓存”是两回事。三重缓存也是如此。
为了解决单缓存的“tearing”问题，双重缓存和 VSync 应运而生。双重缓存模型如下图：

两个缓存区分别为 Back Buffer 和 Frame Buffer。GPU 向 Back Buffer 中写数据，屏幕从 Frame Buffer 中读数据。VSync 信号负责调度从 Back Buffer 到 Frame Buffer 的复制操作，可认为该复制操作在瞬间完成。其实，该复制操作是等价后的效果，实际上双缓冲的实现方式是交换 Back Buffer 和 Frame Buffer 的名字，更具体的说是交换内存地址（有没有联想到那道经典的笔试题目：“有两个整型数，如何用最优的方法交换二者的值？”），通过二位运算“与”即可完成，所以可认为是瞬间完成。

双缓冲的模型下，工作流程这样的：
在某个时间点，一个屏幕刷新周期完成，进入短暂的刷新空白期。此时，VSync 信号产生，先完成复制操作，然后通知 CPU/GPU 绘制下一帧图像。复制操作完成后屏幕开始下一个刷新周期，即将刚复制到 Frame Buffer 的数据显示到屏幕上。

在这种模型下，只有当 VSync 信号产生时，CPU/GPU 才会开始绘制。这样，当帧率大于刷新频率时，帧率就会被迫跟刷新频率保持同步，从而避免“tearing”现象。

注意，当 VSync 信号发出时，如果 GPU/CPU 正在生产帧数据，此时不会发生复制操作。屏幕进入下一个刷新周期时，从 Frame Buffer 中取出的是“老”数据，而非正在产生的帧数据，即两个刷新周期显示的是同一帧数据。这是我们称发生了“掉帧”（Dropped Frame，Skipped Frame，Jank）现象。

三重缓存（Triple Buffer）

双重缓存的缺陷在于：当 CPU/GPU 绘制一帧的时间超过 16 ms 时，会产生 Jank。更要命的是，产生 Jank 的那一帧的显示期间，GPU/CPU 都是在闲置的。
如下图，A、B 和 C 都是 Buffer。蓝色代表 CPU 生成 Display List，绿色代表 GPU 执行 Display List 中的命令从而生成帧，黄色代表生成帧完成。

如果有第三个 Buffer 能让 CPU/GPU 在这个时候继续工作，那就完全可以避免第二个 Jank 的发生了！

于是就有了三缓存：

工作原理同双缓冲类似，只是多了一个 Back Buffer。

需要注意的是，第三个缓存并不是总是存在的，只要当需要的时候才会创建。之所以这样，是因为三缓存会显著增加用户输入到显示的延迟时间。如上图，帧 C 是在第 2 个刷新周期产生的，但却是在第 4 个周期显示的。最坏的情况下，你会同时遇到输入延迟和卡顿现象。