Android屏幕刷新机制

基础知识

CPU、GPU

• CPU：中央处理器，主要负责计算数据，在Android中主要用于三大绘制流程中Surface的计算过程。
• GPU：图像处理器，主要负责对图形数据进行渲染，在Android中主要用于将CPU计算好的Surface数据合成后放到buffer中，让显示器进行读取呈现到屏幕上。

逐行扫描

屏幕在刷新buffer的时候，并不是一次性扫描完成，而是从左到右，从上到下的一个读取过程，顺序显示一屏的每个像素点，按60HZ的屏幕刷新率来算，这个过程只有16.66666...ms。

• 从初始位置（第一行左上角）开始扫描，从左到右，进行水平扫描（Horizontal Scanning）
• 每一行扫描完成，扫描线会切换到下一行起点，这个切换过程叫做水平消隐，简称 hblank（horizontal blank interval）,并发送水平同步信号（horizontal synchronization，又称行同步）
• 依次类推，整个屏幕（一个垂直周期）扫描完成后，显示器就可以呈现一帧的画面
• 屏幕最后一行（一个垂直周期）扫描完成后，需要重返左上角初始位置，这个过程叫垂直消隐，简称 vblank（vertical blank interval）
• 扫描线回到初始位置之后，准备扫描下一帧，同时发出垂直同步信号（vertical synchronization，又称场同步）。

image.png

显卡帧率

表示GPU在1s中内可以渲染多少帧到buffer中，单位是fps，这里要理解的是帧率是一个动态的，比如我们平时说的60fps，只是1s内最多可以渲染60帧，假如我们屏幕是静止的，则GPU此时就没有任何操作，帧率就为0.

屏幕刷新频率

屏幕刷新频率：屏幕在1s内去buffer中取数据的次数，单位为HZ，常见屏幕刷新率为60HZ。屏幕刷新率是一个固定值和硬件参数有关。也就是以这个频率发出 垂直同步信号，告诉 GPU 可以往 buffer 里写数据了，即渲染下一帧。

屏幕刷新机制演变过程

单buffer

GPU和显示器共用一块buffer

screen tearing 屏幕撕裂、画面撕裂

当只有一个buffer时，GPU 向 buffer 中写入数据，屏幕从 buffer 中取图像数据、刷新后显示，理想的情况是显卡帧率和屏幕刷新频率相等，每绘制一帧，屏幕显示一帧。而实际情况是，二者之间没有必然的大小关系，如果没有同步机制，很容易出现问题。
当显卡帧率大于屏幕刷新频率，屏幕准备刷新第2帧的时候，GPU 已经在生成第3帧了，就会覆盖第2帧的部分数据。
当屏幕开始刷新第2帧的时候，缓冲区中的数据一部分是第3帧数据，一部分是第2帧的数据，显示出来的图像就会出现明显的偏差，称为屏幕撕裂，其本质是显卡帧率和屏幕刷新频率不一致所导致。

双buffer

安卓4.1之前
基本原理就是采用两块buffer。
GPU写入的缓存为：Back Buffer
屏幕刷新使用的缓存为：Frame Buffer
因为使用双buffer，屏幕刷新时，frame buffer不会发生变化，通过交换buffer来实现帧数据切换。
什么时候就行buffer交换呢，当设备屏幕刷新完毕后到下一帧刷新前，因为没有屏幕刷新，所以这段时间就是缓存交换的最佳时间。
此时硬件屏幕会发出一个脉冲信号，告知GPU和CPU可以交换了，这个就是Vsync信号，垂直同步信号。
不可否认，双缓冲可以在很大程度上降低screen tearing错误，但是呢，还是会出现一些其他问题。

Jank 掉帧

如果在Vsync到来时back buffer并没有准备好，就不会进行缓存的交换，屏幕显示的还是前一帧画面，即两个刷新周期显示的是同一帧数据，称为Jank掉帧。

image.png

发生jank的原因是：在第2帧CPU处理数据的时候太晚了，GPU没有及时将数据写入到buffer中，导致jank的发生。
CPU处理数据和GPU写入buffer的时机比较随意。

Project Butter 黄油工程

安卓4.1
系统在收到VSync信号之后，马上进行CPU的绘制以及GPU的buffer写入。最大限度的减少jank的发生。

image.png

如果显卡帧率大于屏幕刷新频率，也就是屏幕在刷新一帧的时间内，CPU和GPU可以充分利用刷新一帧的时间处理完数据并写入buffer中，那么这个方案是完美的，显示效果将很好。

image.png

由于主线程做了一些相对复杂耗时逻辑，导致CPU和GPU的处理时间超过屏幕刷新一帧的时间，由于此时back buffer写入的是B帧数据，在交换buffer前不能被覆盖，而frame buffer被Display用来做刷新用，所以在B帧写入back buffer完成到下一个VSync信号到来之前两个buffer都被占用了，CPU无法继续绘制，这段时间就会被空着，于是又出现了三缓存。

三buffer

image.png

最大程度避免CPU空闲的情况。

Choreographer

系统在收到VSync信号之后，会马上进行CPU的绘制以及GPU的buffer写入。在安卓系统中由Choreographer实现。

• 在Choreographer的构造函数中会创建一个FrameDisplayEventReceiver类对象，这个对象实现了onVSync方法，用于VSync信号回调。
• FrameDisplayEventReceiver这个对象的父类构造方法中会调用nativeInit方法将当前FrameDisplayEventReceiver对象传递给native层，native层返回一个地址mReceiverPtr给上层。
• 主线程在scheduleVsync方法中调用nativeScheduleVsync，并传入2中返回的mReceiverPtr，这样就在native层就正式注册了一个FrameDisplayEventReceiver对象。
• native层在GPU的驱使下会定时回调FrameDisplayEventReceiver的onVSync方法，从而实现了：在VSync信号到来时，立即执行doFrame方法。
• doFrame方法中会执行输入事件，动画事件，layout/measure/draw流程并提交数据给GPU。

参考文献：
https://juejin.cn/post/7163858831309537294
https://blog.csdn.net/litefish/article/details/53939882
https://www.jianshu.com/p/996bca12eb1d