Android中的屏幕刷新机制（动画视频形象说明机制）-编程知识

一，刷新率和帧率，60hz和60fps的区别

在Android系统中，刷新率和帧率是两个不同的概念，它们各自在显示过程中扮演着不同的角色。以下是对它们的详细解释：

刷新率，单位是Hz，是指屏幕在一秒内刷新的次数，也就是一秒内显示了多少帧图像。这是显示器（如LCD或OLED）的硬件性能参数。例如，60Hz的刷新率意味着屏幕每秒可以刷新60次。刷新率的高低直接决定了屏幕画面的流畅度，高刷新率通常能带来更为流畅的视觉体验。

帧率，单位是fps（frames per second），指GPU（图形处理器）在一秒内绘制操作的帧数。在Android系统中，60fps意味着每秒钟GPU最多绘制60帧画面。帧率是动态变化的，取决于GPU的渲染速度和应用的需求。例如，当画面静止时，GPU可能没有绘制操作，屏幕刷新的还是缓存中的帧数据。

因此，60Hz和60fps虽然数值上相同，但它们代表的含义完全不同。60Hz是指屏幕每秒钟的刷新次数，而60fps则是GPU每秒钟的绘制帧数。在实际应用中，如果帧率超过屏幕刷新率，那么超过的部分实际上是无法被显示器捕捉并显示出来的，因为显示器不能以这么快的速度更新。这种情况下，超过刷新率的帧率就浪费了图像处理能力。

总的来说，刷新率和帧率是Android系统中影响显示效果的两大关键因素，它们相互关联但又各自独立。为了获得最佳的显示效果，通常需要确保应用的帧率和屏幕的刷新率相匹配。

帧率FPS是Frame Per Second的缩写，意思是每秒产生画面的个数。这是一个软件的概念，与屏幕刷新率这个硬件概念要区分开。FPS是由软件系统决定的。如果帧率为60fps，那么意味着每1/60秒，即大约16.67毫秒，屏幕就需要更新一次。需要注意的是，显示器并不是一次性将整个画面显示到屏幕上，而是采用逐行扫描的方式，从左到右、从上到下顺序显示整屏的像素点。然而，这一过程发生得非常快，快到人眼几乎无法察觉到变化。
在这里插入图片描述
当帧率和刷新率不一致时，可能会发生以下两种情况：

屏幕刷新速率 > 系统帧速率时。在这种情况下，当前帧的前缓冲区内容完全映射到屏幕上后，后缓冲区可能尚未准备好下一帧。因此，屏幕无法读取到下一帧的内容，只能继续显示当前帧的图形。这会导致一帧被显示多次，从而产生卡顿现象。

系统帧速率 > 屏幕刷新率时。这时，屏幕尚未完全将缓冲区中的一帧映射到屏幕上，而系统已经准备好了下一帧，并将其写入到缓冲区中。当系统要求读取下一帧到屏幕时，会导致屏幕上半部分仍然显示上一帧的图形，而下半部分则显示下一帧的图形。这种情况会造成屏幕上同时显示多帧，产生屏幕撕裂现象。

二，双缓冲Buffer

前面我们说到画面撕裂是由于单buffer引起的，使用了双缓冲来解决画面撕裂。

GPU写入的缓存为：Back Buffer
屏幕刷新使用的缓存为：Frame Buffer

如下图：
在这里插入图片描述因为使用双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，那什么时候交换buffer呢？

这就要引入Vsync的概念了。

三，VSync（垂直同步）+ Double Buffer

为解决撕裂问题，Android引入了VSync（垂直同步）+ Double Buffer技术。

在这里插入图片描述
由于图像绘制和屏幕读取使用的是同一个缓存区，因此在屏幕刷新过程中可能会读取到不完整的一帧画面。为了解决这一问题，我们采用了双缓存技术。这种技术使得图像绘制和屏幕显示各自拥有独立的缓存区。CPU或GPU总是将绘制完成的一帧图像写入到Back Buffer中，而显示器则读取使用Frame Buffer。这样，当屏幕进行刷新时，Frame Buffer的内容并不会发生变化。只有当Back Buffer准备就绪时，我们才会进行两个缓存区的交换。

那么，何时进行这两个缓存区的交换呢？这就涉及到了Vsync的概念。

Vsync是垂直同步（Vertical Synchronization）的简称。它负责调度从Back Buffer到Frame Buffer的复制操作。我们可以认为这一复制操作在瞬间完成，因为实际上双缓冲的实现方式是交换Back Buffer和Frame Buffer的内存地址。

通过这一机制，我们可以确保屏幕上显示的每一帧图像都是完整的，从而避免了因图像读取不完整而产生的各种问题。

具体流程如下图描述：
在这里插入图片描述

其中：

·CPU和GPU代表上层的绘制执行者，各做一部分工作，本文章中对CPU和GPU的工作不进行介绍。

·Composite代表的是Android系统服务对多个Surface的合成。

·BackgroundBuffer和FrontBuffer（FrameBuffer）分别代表的是硬件帧缓冲区中的前缓冲和后缓冲。

·显示屏扫描完一帧之后，会发出VSync信号来切换并显示下一帧。

上面的流程中，存在一个问题，屏幕的VSync信号只是用来控制帧缓冲区的切换，并未控制上层的绘制节奏，也就是说上层CPU/GPU的生产节奏和屏幕的显示节奏是脱离的。

2.1：在引入VSync前（Drawing without VSync）
在这里插入图片描述
按时间顺序：
1.Display显示第0帧画面，而CPU和GPU正在合成第1帧，且在Display显示下一帧之前完成了。
2.由于GPU在Display第一个VSync来之前完成了back buffer的填充，此时交换back buffer和frame buffer，屏幕进行刷新，可以正常显示第一帧数据。 - 3.再来看第2个VSync，第二个VSync到来之时，GPU并没有及时的填充back buffer，这个时候不能交互buffer，屏幕刷新的还是第1帧的画面。就说这里发生了“jank”
4.在第3个VSync信号到来时，第2帧的数据已经写入back buffer，第3帧的数据GPU还没写入，所以这个时候交互buffer显示的是第2帧的数据
5.同理，在第4个VSync时，第3帧数据已经处理完毕，交换buffer后显示的是第2帧的数据

这里发生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。

如果可以把CPU绘制流程提前到每个VSync信号来的时候进行CPU的绘制，那是不是就可以让CPU的计算以及GPU的合成写入buffer的操作有完整的16.6ms。

2.1：在引入VSync后（Drawing with VSync）

为了进一步优化性能，谷歌在4.1之后对屏幕绘制与刷新过程引入了Project Butter（黄油工程），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。这样就可以让cpu和gpu有个完整的16.6ms处理过程。最大限度的减少jank的发生。

在这里插入图片描述
VSync是垂直同步的缩写，它是一种技术，允许CPU在显卡完成一帧渲染后立即发送更新请求，确保刷新率与显示器的刷新率相匹配。从屏幕显示第0帧开始，CPU开始准备第1帧图形的处理，然后将处理好的内容交给GPU。当上层收到下一个VSync信号后，CPU会立即开始第2帧的处理，这样上层绘图的节奏就和VSync信号保持一致，使得整个绘图过程非常流畅。

VSync的主要作用体现在以下几个方面：当屏幕扫描完第1帧画面之后，系统会发送VSync信号。此时，会发生三件事：
首先，交换两个缓存区（framebuffer和backbuffer）的内容；
接着，显示器开始显示第2帧内容，即交换后的framebuffer内容；
最后，CPU/GPU开始计算处理第三帧的内容，并在处理好后将其放入backbuffer中。这样的过程保证了屏幕显示的连贯性和流畅性，提高了用户体验。

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三，三buffer时代

引入VSync后，新的问题又出现了：如下图：

在这里插入图片描述
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16.6ms，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。