android屏幕刷新和缓存机制

1 基本概念

• 帧率frame rate：单位fps，指gpu生成帧的速率，可以理解为每秒钟gpu渲染图像的次数

gpu会获取图形数据并进行渲染，然后硬件将渲染后的内容呈现在屏幕上

• 屏幕刷新频率：单位hz，指的是设备刷新屏幕的频率，一般来说对于一个特定的设备这个数值是一个常量，比如说80hz 60hz，越高越好，但随着技术的发展，现在许多设备可以根据需要自动改变屏幕刷新率

注意：一般来说 帧率和刷新率是不一致的。但如果出现不一致会引起画面撕裂的现象，此时就需要vsync机制。从android4.1开始，谷歌致力于解决android一直以来的画面不过流畅的问题，因此引入了一个project butter。黄油计划包括三个部分：vsync、triple buffer、choreographer

2 屏幕刷新机制大致流程：

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首先应用程序向系统服务申请一块缓存，系统服务返回buff，应用程序接收到之后开始进行绘制工作，等到绘制结束后再提交给系统服务。系统服务将这个buff写到屏幕的一个缓存区中。屏幕会以一定的刷新率刷新。

屏幕的图像缓存一般不止一个，如果只有一个缓存，屏幕在读图片缓存的时候系统服务在写缓存，此时就会出现冲突，可能会出现一半显示第一帧的图像，一半显示第二帧的图像的情况。为了避免这种事情发生，一般有多个缓存，屏幕读缓存a，系统写缓存b，当屏幕要显示下一帧的时候，换一下就好了。

3 Vsync（垂直同步信号量）机制

Android系统每隔16ms发出VSYNC信号(1000ms/60=16.66ms),触发对UI进行渲染，如果每次渲染都成功，这样就能够达到流畅的画面所需要的60fps。

屏幕的刷新过程：每一行从左到右成为行刷新，再从上到下刷新，类似于“z”字型。当整个屏幕刷新完成，即一个垂直刷新周期完成，会有短暂的空白时间，此时会发出一个vsync信号

3.1 然而vsync是什么呢？

VSync是Vertical Synchronization(垂直同步)的缩写，是一种在PC上很早就广泛使用的技术，可以简单的把它认为是一种定时中断。而在Android 4.1(JB)中已经开始引入VSync机制，用来同步渲染，让AppUI和SurfaceFlinger可以按硬件产生的VSync节奏进行工作。

• 安卓系统中有两种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 。

3.1.2 垂直同步有什么用呢？

当帧率和刷新率出现偏差的时候，如果帧率大于刷新率，那么会出现产生帧的速度快展示帧的速度慢的问题，会出现漏帧的问题。这种情况下采用垂直同步，那么显卡会在收到vsync信号时开始渲染，在下一个信号之前完成渲染工作，此时不会继续处理下一帧的渲染，而是等到下一个信号到来才开始渲染下一帧。

3.2 当没有使用VSYNC时

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在第一个时间间隔的时候，cpu正常执行帧1，gpu渲染帧1，屏幕正常展示帧1；第二个时间间隔的时候，cpu由于被占用，推迟执行了帧2，导致了只能展示上一帧，即帧2。这时就需要vsync信号

注：jank指的是一种卡顿的表现，android团队将滞缓、不流畅的动画定义为jank（延误机），如果渲染的内容在16ms内不能完成就会出现jank。

3.3 当使用vsync信号

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在第一个时间间隔的时候，cpu正常执行帧1，gpu渲染帧1，屏幕正常展示帧1；第二个时间间隔的时候，vsync立即通知cpu，cpu执行帧2，gpu渲染帧2，屏幕展示帧2。使用vsync机制后有效的减少了丢帧，卡顿的问题。

但这种情况是在cpu/gpu帧率大于刷新率的情况下

3.4 如果cpu/gpu的帧率小于刷新率

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在第二个时间间隔的时候，屏幕本应该展示b帧，但由于gpu还在处理帧b，导致帧a被重复展示。并且在第二个时间间隔里，cpu没有工作，因为buffer中存有帧a。此时就引入了triple buffer

4 Triple Buffer

一般来说在绘制ui的时候会用到双重缓存技术。ui在back buffer上进行绘制，然后再和font buffer交换，渲染到屏幕上。

在android4.1之前，在上图的第二个时间间隔里，cpu处于空闲状态，因为back buffer被gpu占用，font buffer屏幕在使用。因此cpu只有等到gpu使用之后，并且屏幕给cpu发出vsync信号之后才能写入。因此如果有3个buffer，那么cpu就不至于空闲。

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图中，第二个时间间隔开始的时候，屏幕给cpu发信号，但此时buffer b被使用了，因此cpu使用buffer c写入数据。虽然屏幕会重复执行两次帧a，但后续的展示是连贯的。

buffer并不是越多越好，从图中可以看出来cpu使用buffer c写入的帧c要等到第四个时间间隔才能展示，因此会比双重缓冲的时候延迟16ms。并且大量的缓存会导致内存增加等问题，因此并不是越多越好，3个正好。