android屏幕刷新显示机制

前言

本文是通过阅读各种文章及代码，总结出来的，其中难免有些地方理解得不对，欢迎大家批评指正。

显示系统基础知识

定义

在一个典型的显示系统中，一般包括CPU、GPU、display三个部分， CPU负责计算数据，把计算好数据交给GPU,GPU会对图形数据进行渲染，渲染好后放到buffer里存起来，然后display（有的文章也叫屏幕或者显示器）负责把buffer里的数据呈现到屏幕上。很多时候，我们可以把CPU、GPU放在一起说，那么就是包括2部分，CPU/GPU 和display（本文主要按后面这种分类来解释）。

tearing： 一个屏幕内的数据来自2个不同的帧，画面会出现撕裂感
jank： 一个帧在屏幕上连续出现2次
lag：从用户体验来说，就是点击下去到呈现效果之间存在延迟
屏幕刷新频率： 一秒内屏幕刷新多少次，一般为固定值

screen tearing

显示过程，简单的说就是CPU/GPU准备好数据，存入buffer，display每隔一段时间去buffer里取数据，然后显示出来。display读取的频率是固定的，比如每个60ms读一次，但是CPU/GPU写数据是完全无规律的，所以会出现有些数据根本没显示出来就被重写了，buffer里的数据可能是来自不同的帧的， 出现画面“割裂”，这就叫tearing。

我看有篇文章用下面的图解释tearing,我表示不赞同，屏幕0.015秒刷一次，那我们怎么看得到0.02秒时刻的东西，我们看到的东西应该是0.015秒的和0.03秒的，所以说0.02秒出现tearing是不对的。

老外还有副图解释tearing，下边的panel就是display

简单的说就是display在显示的过程中，buffer内数据被CPU/GPU修改，导致tearing
实际效果举例如下。也有人说CPU/GPU的频率高于display才会有tearing，这也是错误的。CPU/GPU的频率低于display也可能产生tearing的，比如display为100Hz,CPU/GPU为80Hz，那么在0.01时候显示buffer里的第一屏数据，底部会有留白，因为buffer没填满。而第二秒的时候，此时CPU/GPU，处理了1.6个buffer，所以此时buffer内的前60%是第二帧，后40%是第一帧，此时dislay来读数据，那也是会tearing的。
只有CPU/GPU的频率是display刷新频率的整数倍或者1/N时才不会产生tearing。
比如60Hz的刷新频率，那CPU/GPU的频率得是60, 120, 30才可以.
但是但是，实际上display的刷新频率是固定的，但是CPU/GPU写buffer的时间是不定的，所以tearing的产生几乎是必然的。

double-buffer

tearing发生的原因是display读buffer时，buffer被修改，那么多一个buffer是不是能解决问题，是的,事实上目前所有的显示系统都是双缓存的，单缓存存在于30年前。

双缓冲技术，基本原理就是采用两块buffer。一块back buffer用于CPU/GPU后台绘制，另一块framebuffer则用于显示，当back buffer准备就绪后，它们才进行交换。不可否认，doublebuffering可以在很大程度上降低screen tearing错误，但是它是万能的吗？

一个需要考虑的问题是我们什么时候进行两个缓冲区的交换呢？假如是back buffer准备完成一帧数据以后就进行，那么如果此时屏幕还没有完整显示上一帧内容的话，肯定是会出问题的。看来只能是等到屏幕处理完一帧数据后，才可以执行这一操作了。

我们知道，一个典型的显示器有两个重要特性，行频和场频。行频(Horizontal ScanningFrequency)又称为“水平扫描频率”，是屏幕每秒钟从左至右扫描的次数; 场频(Vertical Scanning Frequency)也称为“垂直扫描频率”，是每秒钟整个屏幕刷新的次数。由此也可以得出它们的关系：行频=场频*纵坐标分辨率。

当扫描完一个屏幕后，设备需要重新回到第一行以进入下一次的循环，此时有一段时间空隙，称为VerticalBlanking Interval(VBI)。大家应该能想到了，这个时间点就是我们进行缓冲区交换的最佳时间。因为此时屏幕没有在刷新，也就避免了交换过程中出现 screentearing的状况。VSync(垂直同步)是VerticalSynchronization的简写，它利用VBI时期出现的vertical sync pulse来保证双缓冲在最佳时间点才进行交换。

所以说V-sync这个概念并不是Google首创的，它在早些年前的PC机领域就已经出现了。不过Android 4.1给它赋予了新的功用，稍后就可以看到。

android

为了优化显示性能，android 4.1版本对Android Display系统进行了重构，实现了Project Butter，引入了三个核心元素，即VSYNC、Triple Buffer和Choreographer。

CPU/GPU根据VSYNC信号同步处理数据

Project Butter规定系统一旦收到vsync通知（16ms触发一次）,CPU和GPU就立刻开始工作把显示数据写入buffer。在这之前，CPU和GPU的写buffer时机是比较随意的，这么做有什么好处呢？

看下图，这是4.1之前android绘制图形的一个case，使用了双缓冲

以时间的顺序来看下将会发生的异常：
Step1. Display显示第0帧数据，此时CPU和GPU渲染第1帧画面，而且赶在Display显示下一帧前完成
Step2. 因为渲染及时，Display在第0帧显示完成后，也就是第1个VSync后，正常显示第1帧
Step3. 由于某些原因，比如CPU资源被占用，系统没有及时地开始处理第2帧，直到第2个VSync快来前才开始处理
Step4. 第2个VSync来时，由于第2帧数据还没有准备就绪，显示的还是第1帧。这种情况被Android开发组命名为“Jank”。
Step5. 当第2帧数据准备完成后，它并不会马上被显示，而是要等待下一个VSync。
所以总的来说，就是屏幕平白无故地多显示了一次第1帧。原因大家应该都看到了，就是CPU没有及时地开始着手处理第2帧的渲染工作，以致“延误军机”。 Android在4.1之前一直存在这个问题。
现在加入了这个规则，旦收到vsync通知（16ms触发一次）,CPU和GPU就立刻开始工作把显示数据写入buffer。效果如下所示。

CPU/GPU根据VSYNC信号同步处理数据，可以让CPU/GPU有完整的16ms时间来处理数据，减少了jank。假如CPU/GPU的FPS(FramesPer Second)高于这个值，那么这个方案是完美的，显示效果将很好。
一句话总结，vync同步使得CPU/GPU充分利用了16ms时间，减少jank

Triple Buffer

在双缓存的基础上，android又引入了三缓存技术，这是拿来干嘛的呢？
举个例子，如果界面比较复杂，CPU/GPU的处理时间较长，会出现如下情况

当CPU/GPU的处理时间超过16ms时，第一个VSync到来时，缓冲区B中的数据还没有准备好，于是只能继续显示之前A缓冲区中的内容。而B完成后，又因为缺乏VSync pulse信号，它只能等待下一个signal的来临。于是在这一过程中，有一大段时间是被浪费的。当下一个VSync出现时，CPU/GPU马上执行操作，此时它可操作的buffer是A，相应的显示屏对应的就是B。这时看起来就是正常的。只不过由于执行时间仍然超过16ms，导致下一次应该执行的缓冲区交换又被推迟了——如此循环反复，便出现了越来越多的“Jank”。
那么有没有规避的办法呢？
很显然，第一次的Jank看起来是没有办法的，除非升级硬件配置来加快FPS。我们关注的重点是被CPU/GPU浪费的时间段，怎么才能充分利用起来呢？分析上述的过程，造成CPU/GPU无事可做的假象是因为当前已经没有可用的buffer了。换句话说，如果增加一个buffer，情况会不会好转呢？

我们来逐步分析下这个是否有效。首先和预料中的一致，第一次“Jank”无可厚非。不过让人欣慰的是，当第一次VSync发生后，CPU不用再等待了，它会使用第三个buffer C来进行下一帧数据的准备工作。虽然对缓冲区C的处理所需时间同样超过了16ms，但这并不影响显示屏——第2次VSync到来后，它选择buffer B进行显示;而第3次VSync时，它会接着采用C，而不是像double buffering中所看到的情况一样只能再显示一遍B了。这样子就有效地降低了jank。但是带来了lag的问题，如上图所示，A这一帧在第4个vsync来的时候才显示，如果是双缓冲，那在第三个vynsc就可以显示了。

三缓冲作用：
简单的说在2个缓存区被GPU和display占据的时候，开辟一个缓冲区给CPU用，一般来说都是用双缓冲，需要的时候会开启3缓冲，三缓冲的好处就是使得动画更为流程，但是会导致lag，从用户体验来说，就是点击下去到呈现效果会有延迟。所以默认不开三缓冲，只有在需要的时候自动开启
一句话总结三缓冲有效利用了等待vysnc的时间,减少了jank，但是带来了lag

vsync请求与接收

vsync请求

vsync信号如何产生的可以参考http://shangjin615.iteye.com/blog/1775684,SurfaceFlinger进程收到Vsync，转发到有画图请求的客户App,所以说对一个app来说，onVsync并不是16ms来一次的，得有需求才会来。如果一个应用没有请求VSyn事件，surfaceflinger不会给这个应用发VSync事件，那么应用的画图代码永远也不会调用。所以应用必须向surfaceflinger请求VSync。

应用如何请求vsync呢？
当应用需要同步信号的时候，最终会调用到scheduleVsync函数，里面调用到了nativeScheduleVsync函数。

举个例子，invalidate或requestLayout会调用scheduleTraversals，scheduleTraversals -》scheduleVsync

过程是 scheduleTraversals调用 mChoreographer.postCallback(
Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, mTraversalRunnable, null);
然后调用postCallbackDelayedInternal-》scheduleFrameLocked-》scheduleVsyncLocked-》mDisplayEventReceiver.scheduleVsync();

vsync接收

SurfaceFlinger进程收到vsync信号后，转发给请求过的应用，应用的socket接收到vsync，调用DisplayEventReceiver#dispatchVsync-》FrameDisplayEventReceiver#onVsync-》run-》Choreographer#doFrame-》doCallbacks(Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, frameTimeNanos)-》
这里各种time

Choreographer

Android Choreographer 源码分析

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Google在4.4之后引入了Offset机制可以参考http://www.jianshu.com/p/c046fcd125d2

ref

https://www.reddit.com/r/pcgaming/comments/35d01h/what_causes_screen_tearing/
http://gamedev.stackexchange.com/questions/82318/what-problem-does-double-or-triple-buffering-solve-in-modern-games
http://blog.csdn.net/xuesen_lin/article/details/8954869
http://www.cnblogs.com/geeks/archive/2013/03/20/2971158.html
http://blog.csdn.net/yangwen123/article/details/16344375
http://blog.csdn.net/innost/article/details/8272867
http://blog.csdn.net/houliang120/article/details/50958212