Android Vsync 原理浅析

Preface

Android中，Client测量和计算布局，SurfaceFlienger（server）用来渲染绘制界面，client和server的是通过匿名共享内存（SharedClient）通信。

每个应用和SurfaceFlienger之间都会创建一个SharedClient，一个SharedClient最多可以创建31个SharedBufferStack，每个surface对应一个SharedBufferStack，也就是一个Window。也就意味着，每个应用最多可以创建31个窗口。

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Android 4.1 之后，AndroidOS 团队对Android Display进行了不断地进化和改变。引入了三个核心元素：Vsync，Triple Butter，Choreographer。

首先来理解一下，图形界面的绘制，大概是有CPU准备数据，然后通过驱动层把数据交给GPU来进行绘制。图形API不允许CPU和GPU直接通信，所以就有了图形驱动（Graphics Driver）来进行联系。Graphics Driver维护了一个序列（Display List），CPU不断把需要显示的数据放进去，GPU不断取出来进行显示。

其中Choreographer起调度的作用。统一绘制图像到Vsync的某个时间点。

Choreographer在收到Vsync信号时，调用用户设置的回调函数。函数的先后顺序如下：

CALLBACK_INPUT：与输入事件有关
CALLBACK_ANIMATION：与动画有关
CALLBACK_TRAVERSAL：与UI绘制有关

Vsync是什么呢？首先来说一下什么是FPS，FPS就是Frame Per Second（每秒的帧数）的缩写，我们知道，FPS>=60时，我们就不会觉得动画卡顿。当FPS=60时是个什么概念呢？1000/60≈16.6，也就是说在大概16ms中，我们要进行一次屏幕的刷新绘制。Vsync是垂直同步的缩写。这里我们可以简单的理解成，这就是一个时间中断。例如，每16ms会有一个Vsync信号，那么系统在每次拿到Vsync信号时刷新屏幕，我们就不会觉得卡顿了。

但实现起来还是有点困难的。

多重缓冲是什么技术呢？我们先来说双重缓冲。在Linux上，通常使用FrameBuffer来做显示输出。双重缓冲会创建一个FrontBuffer和一个BackBuffer，顾名思义，FrontBuffer是当前显示的页面，BackBuffer是下一个要显示的画面。然后滚动电梯式显示数据。为什么呢？这样好在哪里呢？首先他并不是不卡了，他还是会卡。但是如果是单重缓冲，页面可能会有这种情况：A面数据需要显示，然后是B面数据显示，B面数据显示需要耗费一定时间，但是这个时间里，C面数据也请求了展示，我们可能会看到，在展示C面数据的时候，还有B面数据的残影…

下面分情况来具体说明一下（Vsync每16秒一次）。

1.没有使用Vsync的情况

可以看出，在第一个16ms之内，一切正常。然而在第二个16ms之内，几乎是在时间段的最后CPU才计算出了数据，交给了Graphics Driver,导致GPU也是在第二段的末尾时间才进行了绘制，整个动作延后到了第三段内。从而影响了下一个画面的绘制。这时会出现Jank（闪烁，可以理解为卡顿或者停顿）。那么在第二个16ms前半段的时间CPU和GPU干什么了？哦，他们可能忙别的事情了。这就是卡顿出现的原因和情况。CPU和GPU很随意，爱什么时候刷新什么时候刷新，很随意。

2.有Vsync的情况

如果，按照之前的前提来说，Vsync每16ms一次，那么在每次发出Vsync命令时，CPU都会进行刷新的操作。也就是在每个16ms的第一时间，CPU就会想赢Vsync的命令，来进行数据刷新的动作。CPU和GPU的刷新时间，和Display的FPS是一致的。因为只有到发出Vsync命令的时候，CPU和GPU才会进行刷新或显示的动作。图中是正常情况。那么不正常情况是怎么个情况？我们先来说一下双重缓冲，然后再说。

3.双重缓冲

逻辑就是和之前一样。多重缓冲页面在Back Buffer，然后根据需求来显示不同数据。但是会有什么问题呢（这就是2中提到的问题）？

首先我们看Display行，A页面需要了两个时间单位，为什么？因为B Buffer在处理的时候太耗时了。然后导致了，在第一个Vsync发出的时候，还在GPU还在绘制B Buffer。那么，刚好，第一个Vsync发出之后很短的时间，A页面展示完了，B Buffer的也在一开始的时候就不进行计算了。那么接下来的时间呢？屏幕还是展示着B Buffer，这时候就会造成Jank现象。他不会动，因为他在等下一个Vsync过来的时候，才会显示下一个数据。

那么，如图，在A Buffer过来的时候，展示B页面的数据。这个时候！重复了上一个情况，也是太耗时了，然后又覆盖了下一个Vysnc发
出的时间，再次造成卡顿！依次类推，会造成多次卡顿。这个时候就有了三重缓冲的概念。

4.三重缓冲

首先看图。我们看到，B Buffer依旧很耗时，同样覆盖了第一个Vsync发出的时间点。但是，在第一个Vsync发出的时候，C Buffer站了出来，说，我来展示这个页面，你去缓冲A后面需要缓冲的页面吧！然后会发生什么？然后就是出现了一个Jank…，但是这个Jank只在这一个时间单位出现，是可以忽略不计的。因为之后的逻辑都是顺畅的了。依次类推，除了A和B 两个图层在交替显示，还有个“第三者”在不断帮他们两个可能需要展示的数据进行缓冲。但是注意了：

只有在需要时，才会进行三重缓冲。正常情况下，只使用二级缓冲！

另外，缓冲区不是越多越好。上图，C页面在第四个时间段才展示出来，就是因为中间多了一个Buffer（C Buffer）来进行缓冲。

但是，虽然谷歌给了你这么牛逼的前提逻辑，实际开发中你写的APP还是会卡，为什么呢？原因大概有两点：

1.界面太复杂。

2.主线程(UI线程)太忙。他可能还在处理用户交互或者其他事情。