Android 图形系统（2）---- Android vsyn

显示系统基础知识

一个典型的图形显示系统包含 CPU,GPU,Display 三个部分，CPU负责计算需要渲染的数据，把计算好的数据交给GPU，GPU会对图形数据进行渲染，渲染好后放到buffer(图像缓冲区)里存起来，然后Display（屏幕或显示器）负责把buffer里的数据呈现到屏幕上。

CPU 和 GPU 的计算是可以并行执行的。

draw display flow.png

屏幕刷新频率 一秒内屏幕刷新的次数（一秒内显示了多少帧的图像），单位 Hz（赫兹），如常见的 60 Hz。刷新频率取决于硬件的固定参数（不会变的）。

帧率 （Frame Rate） 表示 GPU 在一秒内绘制操作的帧数，单位 fps。例如在电影界采用 24 帧的速度足够使画面运行的非常流畅。而 Android 系统则采用更加流程的 60 fps，即每秒钟GPU最多绘制 60 帧画面。帧率是动态变化的，例如当画面静止时，GPU 是没有绘制操作的，屏幕刷新的还是buffer中的数据，即GPU最后操作的帧数据。

Tearing 与double buffer

屏幕刷新频是固定的，比如每16.6ms从buffer取数据显示完一帧，理想情况下帧率和刷新频率保持一致，即每绘制完成一帧，显示器显示一帧。但是CPU/GPU写数据是不可控的，所以会出现buffer里有些数据根本没显示出来就被重写了，即buffer里的数据可能是来自不同的帧的， 当屏幕刷新时，此时它并不知道buffer的状态，因此从buffer抓取的帧并不是完整的一帧画面，即出现画面撕裂（tearing）。

简单来说就是边画边显示造成的，正在显示的buffer 里的内容被篡改，导致显示画面里的内容不是来自同一帧数据。

Tearing.png

double buffe双缓存，让绘制和显示器拥有各自的buffer：GPU 始终将完成的一帧图像数据写入到 Back Buffer，而显示器使用 Front Buffer，当屏幕刷新时，Frame Buffer 并不会发生变化，当Back buffer准备就绪后，它们才进行交换。如下图：

double buffer.png

Vsync 机制

Android4.1之前，屏幕刷新也遵循 上面介绍的双缓存+VSync 机制；但是会存在下面的缺陷。

上层的有更新画面的需求时，才会去重新绘制和显示画面；

上层更新画面的时机是不确定的。

draw without vsync.png

问题：
第2个Diplay VSync来时，由于第2帧数据还没有准备就绪，缓存没有交换，显示的还是第1帧。这种情况被Android开发组命名为“Jank”，即发生了丢帧。

为了优化显示性能，Google在Android 4.1系统中对Android Display系统进行了重构，实现了Project Butter（黄油工程）：只有系统在收到Display VSync后，才会马上开始下一帧的渲染。即一旦收到VSync通知（16ms触发一次），CPU和GPU 才立刻开始计算然后把数据写入buffer

vsync flow.png

总结起来就是只有在vsync 到来之后，才会开始进行帧的渲染和绘制。

draw with vsync.png

VSync同步使得CPU/GPU充分利用了16.6ms时间，减少jank。

Triple buffer

这里再考虑CPU和 GPU处理时间超出一个Vsync 的情形

draw beyond 1 vsync.png

1. 在第二个时间段内，但却因 GPU 还在处理 B 帧，缓存没能交换，导致 A 帧被重复显示

2. 而B完成后，只有等到下一个vsync 来临才可以显示。

3. CPU 和 GPU 都是可以多线程执行的，第一个vsync 到来之后，由于没有可以用的buffer,所以CPU和GPU都无法继续绘制下一帧。

如果在double buffer 基础上增加一个，使用triple buffer：

triple buffer.png

第一个Jank，是不可避免的。但是在第二个 16ms 时间段，CPU/GPU 使用 第三个 Buffer 完成C帧的计算，虽然还是会多显示一次 A 帧，但后续显示就比较顺畅了，有效避免 Jank 的进一步加剧。

总结

• 为了保证画面不出现tearing 的问题，我们需要采用doublebuffer,做到显示front buffer的同时在back buffer 上进行绘制。

• 在vsync 到来之后进行绘制可以优化UI 系统的显示性能，减少Jank

• 使用Triple buffer 可以让CPU/GPU draw 的时间在1~2Vsync 之间的情形同样流畅的以60Fps 显示。