了解 VSync

• 前言
• 幀率 vs 螢幕重新整理頻率
  • 幀率
  • 螢幕重新整理頻率
• VSync 是啥
• VSync 有啥作用
  • 單緩存
  • 雙重緩存Double Buffer
  • 三重緩存Triple Buffer
• 更多文章

前言

本文講解 VSync 産生的原因及其作用。内容涉及如下方面：

• 幀率 vs 螢幕重新整理頻率；
• 單緩存，雙重緩沖，三重緩存及各自的優缺點；
• VSync 的工作過程；

幀率 vs 螢幕重新整理頻率

幀率

即 Frame Rate，機關 fps，是指 gpu 生成幀的速率，如 33 fps，60fps，越高越好。

螢幕重新整理頻率

即 Refresh Rate 或 Scanning Frequency，機關赫茲/Hz，是指裝置重新整理螢幕的頻率，該值對于特定的裝置來說是個常量，如 60hz。

如下圖，螢幕的重新整理過程是每一行從左到右（行重新整理，水準重新整理，Horizontal Scanning），從上到下（螢幕重新整理，垂直重新整理，Vertical Scanning）。當整個螢幕重新整理完畢，即一個垂直重新整理周期完成，會有短暫的空白期，此時發出 VSync 信号。是以，VSync 中的 V 指的是垂直重新整理中的垂直/Vertical。

對于一個特定的裝置，幀率和重新整理頻率沒有必然的大小關系。

VSync 是啥

安卓系統中有 2 種 VSync 信号：螢幕産生的硬體 VSync 和由 SurfaceFlinger 将其轉成的軟體 Vsync 信号。後者經由 Binder 傳遞給 Choreographer。

硬體 VSync 是一個脈沖信号，起到開關或觸發某種操作的作用。

更多資訊請自行複習《計算機組成原理》或《數字電路與邏輯設計》等大學教材（就像考研備考的時候研友感慨的：出來混，遲早要還的，當時沒學好，現在還得接着學）。

VSync 有啥作用

單緩存

在第一章我們講到，幀率和重新整理頻率沒有必然的大小關系。先記住這一點。

首先，我們來看下，沒有引入 VSync 時，螢幕顯示圖像的工作流程。

如上圖，CPU/GPU 向 Buffer 中生成圖像，螢幕從 Buffer 中取圖像、重新整理後顯示。這是一個典型的生産者——消費者模型。

理想的情況是幀率和重新整理頻率相等，每繪制一幀，螢幕顯示一幀。而實際情況是，二者之間沒有必然的大小關系，如果沒有鎖來控制同步，很容易出現問題。例如，當幀率大于重新整理頻率，當螢幕還沒有重新整理第 n-1 幀的時候，GPU 已經在生成第 n 幀了，從上往下開始覆寫第 n-1 幀的資料，當螢幕開始重新整理第 n-1 幀的時候，Buffer 中的資料上半部分是第 n 幀資料，而下半部分是第 n-1 幀的資料，顯示出來的圖像就會出現上半部分和下半部分明顯偏差的現象，我們稱之為 “tearing”，如下圖：

雙重緩存（Double Buffer）

注意，此處的“雙緩沖”和計算機組成原理中的“二級緩存”是兩回事。三重緩存也是如此。

為了解決單緩存的“tearing”問題，雙重緩存和 VSync 應運而生。雙重緩存模型如下圖：

兩個緩存區分别為 Back Buffer 和 Frame Buffer。GPU 向 Back Buffer 中寫資料，螢幕從 Frame Buffer 中讀資料。VSync 信号負責排程從 Back Buffer 到 Frame Buffer 的複制操作，可認為該複制操作在瞬間完成。其實，該複制操作是等價後的效果，實際上雙緩沖的實作方式是交換 Back Buffer 和 Frame Buffer 的名字，更具體的說是交換記憶體位址（有沒有聯想到那道經典的筆試題目：“有兩個整型數，如何用最優的方法交換二者的值？”），通過二位運算“與”即可完成，是以可認為是瞬間完成。

雙緩沖的模型下，工作流程這樣的：

在某個時間點，一個螢幕重新整理周期完成，進入短暫的重新整理空白期。此時，VSync 信号産生，先完成複制操作，然後通知 CPU/GPU 繪制下一幀圖像。複制操作完成後螢幕開始下一個重新整理周期，即将剛複制到 Frame Buffer 的資料顯示到螢幕上。

在這種模型下，隻有當 VSync 信号産生時，CPU/GPU 才會開始繪制。這樣，當幀率大于重新整理頻率時，幀率就會被迫跟重新整理頻率保持同步，進而避免“tearing”現象。

注意，當 VSync 信号發出時，如果 GPU/CPU 正在生産幀資料，此時不會發生複制操作。螢幕進入下一個重新整理周期時，從 Frame Buffer 中取出的是“老”資料，而非正在産生的幀資料，即兩個重新整理周期顯示的是同一幀資料。這是我們稱發生了“掉幀”（Dropped Frame，Skipped Frame，Jank）現象。

三重緩存（Triple Buffer）

雙重緩存的缺陷在于：當 CPU/GPU 繪制一幀的時間超過 16 ms 時，會産生 Jank。更要命的是，産生 Jank 的那一幀的顯示期間，GPU/CPU 都是在閑置的。

如下圖，A、B 和 C 都是 Buffer。藍色代表 CPU 生成 Display List，綠色代表 GPU 執行 Display List 中的指令進而生成幀，黃色代表生成幀完成。

如果有第三個 Buffer 能讓 CPU/GPU 在這個時候繼續工作，那就完全可以避免第二個 Jank 的發生了！

于是就有了三緩存：

工作原理同雙緩沖類似，隻是多了一個 Back Buffer。

需要注意的是，第三個緩存并不是總是存在的，隻要當需要的時候才會建立。之是以這樣，是因為三緩存會顯著增加使用者輸入到顯示的延遲時間。如上圖，幀 C 是在第 2 個重新整理周期産生的，但卻是在第 4 個周期顯示的。最壞的情況下，你會同時遇到輸入延遲和卡頓現象。

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