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又卡了~从王者荣耀看Android屏幕刷新机制
来源:cnblogs  作者:jimuzz  时间:2021/6/7 8:56:30  对本文有异议

前言

正在带妹子上分的我,团战又卡了,我该怎么向妹子解释?在线等。

“卡”的意思

不管是端游还是手游,我们都会时不时遇到“卡”的时候,一般这个卡有两种含义:

  • 掉帧

  • 画面撕裂

那么问题来了,这些情况到底是什么原因导致的?又该怎么解决?

掉帧

首先,要知道是什么,帧率又是什么。

帧,就是影像动画中最小单位的单幅影像画面,相当于电影胶片上的每一格镜头。 一帧就是一幅静止的画面,连续的帧就形成动画,如电视图象等。

帧率(每秒帧数),简单地说,就是在1秒钟时间里传输的图片的帧数,也可以理解为图形处理器每秒钟能够刷新几次,通常用fps(Frames Per Second)表示

这下大家应该知道了,帧就是一个静止画面,很多个帧一起就组成了视频、电影、游戏画面。

而帧率就是我们游戏常见到的fps,指一秒钟绘制出现的帧数,单位为“赫兹”(Hz)

这里简单科普下,一般要求连贯性的话,帧数至少要高于每秒约10至12帧的时候,人眼才会认为是连贯的,此现象叫做“视觉暂留现象”,是由人眼的生物构造决定的。通过这个现象,早期的无声电影通过手摇驱动,将画面快速播放,就能让人感觉在播放完整连续的视频。

按照我们的认知,这个帧率一般是越大越连贯,就越不卡。但同时,带来的消耗也就越多,比如电影需要更多的胶卷,电脑需要更好的硬件支持。所以电影一般通用的帧率为24Hz,而电脑、手机一般帧率为60Hz,这样就能保证正常条件下能让人舒服得观看和使用。

掉帧的意思就很明显了,本来游戏的fps为60,突然降到了20,也就是一秒只有20帧了,那能不卡吗?

那么,掉帧原因到底是啥呢?

其实原因大家都知道,不信你继续看...

硬件原因

“我这个手机玩游戏卡死了”

“你那啥破手机啊,赶快换一个~”

这个对话应该时常发生,所以大家也都清楚,硬件的好坏一定程度上决定了玩游戏“卡不卡”,配置高的硬件玩游戏就能保证游戏的流畅。

软件原因

“你这啥App啊,做的啥游戏啊,这么卡,我这手机配置这么高,就玩你这个卡”

“额,可能是游戏优化没做好,”

第二个原因,就是因为游戏/软件自身的优化就没做好,图片弄的很大,布局嵌套太深,那么帧 的计算和渲染就更耗时间,就会有可能导致掉帧。

网络原因

“不行了,太卡了,我这ping都快1000了,怎么玩啊”

“快换流量啊,团战要输了,少个人怎么打”

对了,第三个原因就是网络原因,这也是最常发生的原因了,网络的波动会影响 画面 的传输,所以就会掉帧。

屏幕刷新机制

上述三个原因,其实都涉及到屏幕刷新的基本机制。

在典型的显示系统中,不管是手机还是电脑,一般都涉及到三个部分:

  • CPU,中央处理器。用于计算数据,信息处理。
  • GPU,图形处理器。用于处理图像图形,也就是俗称的显卡。
  • display,显示屏幕。用于展示画面,也就是我们的手机屏幕、电脑显示器。

整个显示过程就是:

  • CPU计算屏幕需要的数据,然后交给GPU。
  • GPU对图像进行处理绘制,然后存到缓存区。
  • display再从这个缓存区读取数据,显示出来。

每一帧都是重复这个工作,也就是1秒中需要60次这样循环操作,每次操作需要的时间就约等于16.6ms。也就是我们常说的Android系统中,会每隔16.6ms刷新一次屏幕。

关于屏幕刷新机制,有一张很经典的图片:

可以看到,16.6ms一到,系统就发送了VSync信号,然后屏幕会从缓存区获取了新的一帧图像并显示出来,与此同时,CPU也开始了下一帧数据的计算,然后计算好交给GPU,最后放到缓存区,等待下一次VSync信号。

VSync信号是啥呢?我们暂且按下不表,待会再说,可以先理解它为一种同步刷新信号,同步CPU和屏幕。当信号来的时候,屏幕开始切换画面,CPU开始下一帧计算。

为了方便理解,我做了个小动画:

通过上面的解释,我们知道了一帧显示的时间是16.6ms,在这个时间内,CPU和GPU必须把数据处理好并放到缓存区(buffer)中。

如果在某次的16.6ms中,CPU和GPU没有绘制好下一帧数据,那么display就无法更新下一帧数据了,这就是掉帧

所以才有了以上三个原因会导致掉帧,再来回顾下:

  • 1、硬件原因。硬件比较差也就是CPU和GPU计算不给力,导致一帧的数据没准备好,所以掉帧。
  • 2、软件原因。在硬件够用的情况下,App或者游戏的一帧数据计算繁杂,嵌套太多或者图太大,也会导致下一帧数据不能在16.6ms中被准备好,导致掉帧。
  • 3、网络原因。在硬件软件都正常情况下,由于网络波动,CPU的计算数据都没有从网络上获取到,那么肯定会导致CPU数据的准备延迟,最终导致掉帧。

那么掉帧之后,屏幕刷新机制会怎么处理后续的帧呢?

  • 如果是游戏的话,因为即时性比较重要,所以丢失的帧就不会再去管了,而是直接准备当前时间应该显示的内容,最终显示到屏幕。所以这种情况掉的帧就真的掉了。
  • 如果是应用的话,可能对数据的完整性比较重要,所以如果第2帧掉了,那么屏幕就继续显示第1帧,而CPU和GPU继续准备第2帧的数据,如果能在下一个16.6ms内完成第2帧数据,那么屏幕就会接着显示第二帧了。比如有时候手机卡的时候,我们去操作App,操作会延迟,就是掉帧了。这种情况帧并不是真的掉了,而是延迟了。

画面撕裂

接下来就看看画面撕裂,为什么一帧中会出现两帧的画面呢?

首先理解一个概念:「逐行扫描」

「逐行扫描」就是说,显示器显示画面并不是“蹭”一下就打出一张画面来,而是从上到下一行一行显示出来的,只不过是显示得比较快所以肉眼看不出来而已。

之前说了屏幕的数据是从缓存区Buffer中取的,如果在屏幕取数据并逐行扫描显示画面的过程中,Buffer中的数据变了,那么就有可能导致画面撕裂。

最明显的例子就是:显卡的fps是180,而显示器的fps是60。也就是显卡一秒钟能产生180张画面,而显示器一秒钟只能读取60张画面。

那么显示器从Buffer中读取数据逐行扫描的过程中,本来需要1/60 秒显示完一张画面,但是在1/180的时间点,显卡就把下一张画面的数据存到Buffer了,结果显示器的下半截就显示的是第二张画面的内容了。也就造成了画面撕裂。

再来个动画解释下:

所以为了防止这种状况,一般显示系统会加入一个双缓存+垂直同步的概念:

  • 首先,开启垂直同步,就会将GPU的fps限制为和显示器的fps一样。

系统会在显示器绘制完一帧之后发送一个垂直同步信号,然后CPU和GPU就准备下一帧的内容,等待显示器下一帧绘制完,又会发送一个垂直同步信号。如此反复,就限制了显卡的fps,按照显示器的标准来绘制图像。

这个垂直同步信号就叫做 VSync信号

玩游戏的朋友应该都知道,很多游戏内设置页都有 垂直同步 的开启选项,为的就是将显卡的fps和显示器的fps适配,防止画面撕裂。

  • 其次,通过双缓存保证一帧数据的连贯性。

1、缓存区backBuffer用于CPU/GPU图形处理
2、缓存区frameBuffer用于显示器显示

这样分工明确之后,屏幕只会读取framebuffer的内容,是一帧完整的画面。而CPU/GPU计算的新一帧内容会放到backbuffer中,不会影响到framebuffer的内容。

只有当屏幕绘制完一帧内容之后,才会将CPU/GPU计算好的新一帧内容也就是backbuffer内容和framebuffer进行交换。

这样就保证了一帧数据的完整连贯。

这里的交换其实就是交换内存地址,两块缓存区A和B,A在第一次充当framebuffer的角色,B充当backbuffer的角色。屏幕完成一帧绘制之后,将AB内存地址置换。
当新的一轮VSync信号来的时候,A就充当了backbuffer的角色,而B就变成了framebuffer的角色。

小结:当屏幕扫描完第1帧画面之后,系统发送VSync信号,这时会发生三件事:

  • 1、交换两个缓存区(framebuffer、backbuffer)内容。
  • 2、显示器开始显示第2帧内容,也就是交换后的framebuffer内容。
  • 3、CPU/GPU开始计算处理第三帧的内容,并在处理好内容后放到backbuffer中。

再来个动画:

Android Project Butter(黄油计划)

问题都解决了吗?并没有。

加入VSync信号之后,掉帧问题变得更严重了:

可以发现,加入了VSync信号后,虽然统一了CPU处理的时间点,但是掉帧问题可能会被再一次放大,从掉一帧直接变成掉两帧。因为中间的16.6ms被浪费了。

怎么办呢?在保留VSync信号的同时有可能最大利用上CPU/GPU吗?

三缓存来了:

1、缓存区backBuffer用于CPU/GPU图形处理
2、缓存区TripleBuffer用于CPU/GPU图形处理
3、缓存区frameBuffer用于显示器显示

刚才说的情况导致的原因就是因为在第二个VSync信号来的时候,因为backBuffer被GPU占用,所以CPU无法去开始新一帧的计算。
加入了第三个缓存区,那么在第二个VSync信号来的时候,CPU就可以利用TripleBuffer开始新一帧的计算,而无视正在被GPU占用的backBuffer

你可以理解为 CPU、GPU、Display每个人都有一个缓存区,这样三个就能同时做自己的事而互不影响,最大化利用每个模块。

三缓存和上面说到的Vsync同步信号都是 Android 4.1 发布的一个Project Butter(黄油计划)中提出的,为的是就是让Android能让黄油/奶油般顺滑。

最后贴个三缓存机制下的刷新机制图:

小结

今天了解了Android系统的刷新机制,虽然没有代码,但是面试中也是常常被问到的,再次总结下:

1、为了解决画面撕裂问题,引入了垂直同步信号VSync信号双缓存

  • 每次VSync信号到达的时候,屏幕进行画面切换,CPU/GPU开始准备下一帧内容。
  • CPU/GPU每次准备好数据后,放到一个单独的缓存区backBuffer,当屏幕准备好之后,将backBuffer数据和frameBuffer数据交换,屏幕只读取frameBuffer缓存区的数据,保证了数据的完整连续性。

2、为了解决VSync信号下CPU/GPU无法最大化利用的问题,引入了三缓存。

VSync信号来的时候,即使GPU还没处理好上一帧数据,backBuffer还不空闲,但是CPU也可以利用第三个缓存区正常开始处理下一帧的数据,最大化利用CPU/GPU,保证垂直同步机制的同时不浪费资源。

3、掉帧的根本原因是因为在一帧时间内(一般为16.6ms),CPU/GPU无法把下一帧的数据准备好。

即使引用了三缓存和垂直同步,但是掉帧的情况该发生还是会发生,我们作为App软件开发者,能做的就是尽可能优化布局,减少嵌套,减少CPU/GPU计算画面数据的时间,让每一帧时间内正常准备好下一帧图像数据。

至于刷新机制在Android源码中到底是怎么实现的呢?这就涉及到Choreographer类的解析。

参考

屏幕刷新机制
为什么【垂直同步】技术往往不被玩家推崇
Android Project Butter分析
FrameBuffer初探

拜拜

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原文链接:http://www.cnblogs.com/jimuzz/p/14835790.html

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