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前言

正在帶妹子上分的我，團(tuán)戰(zhàn)又卡了，我該怎么向妹子解釋?在線等。

“卡”的意思

不管是端游還是手游，我們都會(huì)時(shí)不時(shí)遇到“卡”的時(shí)候，一般這個(gè)卡有兩種含義：

• 掉幀

• 畫面撕裂

那么問題來了，這些情況到底是什么原因?qū)е碌?又該怎么解決?

掉幀

首先，要知道幀是什么，幀率又是什么。

幀，就是影像動(dòng)畫中最小單位的單幅影像畫面，相當(dāng)于電影膠片上的每一格鏡頭。一幀就是一幅靜止的畫面，連續(xù)的幀就形成動(dòng)畫，如電視圖象等。

幀率(每秒幀數(shù))，簡單地說，就是在1秒鐘時(shí)間里傳輸?shù)膱D片的幀數(shù)，也可以理解為圖形處理器每秒鐘能夠刷新幾次，通常用fps(Frames Per Second)表示

這下大家應(yīng)該知道了，幀就是一個(gè)靜止畫面，很多個(gè)幀一起就組成了視頻、電影、游戲畫面。

而幀率就是我們游戲常見到的fps，指一秒鐘繪制出現(xiàn)的幀數(shù)，單位為“赫茲”(Hz)。

這里簡單科普下，一般要求連貫性的話，幀數(shù)至少要高于每秒約10至12幀的時(shí)候，人眼才會(huì)認(rèn)為是連貫的，此現(xiàn)象叫做“視覺暫留現(xiàn)象”，是由人眼的生物構(gòu)造決定的。通過這個(gè)現(xiàn)象，早期的無聲電影通過手搖驅(qū)動(dòng)，將畫面快速播放，就能讓人感覺在播放完整連續(xù)的視頻。

按照我們的認(rèn)知，這個(gè)幀率一般是越大越連貫，就越不卡。但同時(shí)，帶來的消耗也就越多，比如電影需要更多的膠卷，電腦需要更好的硬件支持。所以電影一般通用的幀率為24Hz，而電腦、手機(jī)一般幀率為60Hz，這樣就能保證正常條件下能讓人舒服得觀看和使用。

那掉幀的意思就很明顯了，本來游戲的fps為60，突然降到了20，也就是一秒只有20幀了，那能不卡嗎?

那么，掉幀原因到底是啥呢?

其實(shí)原因大家都知道，不信你繼續(xù)看...

硬件原因

“我這個(gè)手機(jī)玩游戲卡死了”

“你那啥破手機(jī)啊，趕快換一個(gè)～”

這個(gè)對(duì)話應(yīng)該時(shí)常發(fā)生，所以大家也都清楚，硬件的好壞一定程度上決定了玩游戲“卡不卡”，配置高的硬件玩游戲就能保證游戲的流暢。

軟件原因

“你這啥App啊，做的啥游戲啊，這么卡，我這手機(jī)配置這么高，就玩你這個(gè)卡”

“額，可能是游戲優(yōu)化沒做好，”

第二個(gè)原因，就是因?yàn)橛螒?軟件自身的優(yōu)化就沒做好，圖片弄的很大，布局嵌套太深，那么幀 的計(jì)算和渲染就更耗時(shí)間，就會(huì)有可能導(dǎo)致掉幀。

網(wǎng)絡(luò)原因

“不行了，太卡了，我這ping都快1000了，怎么玩啊”

“快換流量啊，團(tuán)戰(zhàn)要輸了，少個(gè)人怎么打”

對(duì)了，第三個(gè)原因就是網(wǎng)絡(luò)原因，這也是最常發(fā)生的原因了，網(wǎng)絡(luò)的波動(dòng)會(huì)影響 畫面 的傳輸，所以就會(huì)掉幀。

屏幕刷新機(jī)制

上述三個(gè)原因，其實(shí)都涉及到屏幕刷新的基本機(jī)制。

在典型的顯示系統(tǒng)中，不管是手機(jī)還是電腦，一般都涉及到三個(gè)部分：

• CPU，中央處理器。用于計(jì)算數(shù)據(jù)，信息處理。
• GPU，圖形處理器。用于處理圖像圖形，也就是俗稱的顯卡。
• display，顯示屏幕。用于展示畫面，也就是我們的手機(jī)屏幕、電腦顯示器。

整個(gè)顯示過程就是：

• CPU計(jì)算屏幕需要的數(shù)據(jù)，然后交給GPU。
• GPU對(duì)圖像進(jìn)行處理繪制，然后存到緩存區(qū)。
• display再從這個(gè)緩存區(qū)讀取數(shù)據(jù)，顯示出來。

每一幀都是重復(fù)這個(gè)工作，也就是1秒中需要60次這樣循環(huán)操作，每次操作需要的時(shí)間就約等于16.6ms。也就是我們常說的Android系統(tǒng)中，會(huì)每隔16.6ms刷新一次屏幕。

關(guān)于屏幕刷新機(jī)制，有一張很經(jīng)典的圖片：

可以看到，16.6ms一到，系統(tǒng)就發(fā)送了VSync信號(hào)，然后屏幕會(huì)從緩存區(qū)獲取了新的一幀圖像并顯示出來，與此同時(shí)，CPU也開始了下一幀數(shù)據(jù)的計(jì)算，然后計(jì)算好交給GPU，最后放到緩存區(qū)，等待下一次VSync信號(hào)。

VSync信號(hào)是啥呢?我們暫且按下不表，待會(huì)再說，可以先理解它為一種同步刷新信號(hào)，同步CPU和屏幕。當(dāng)信號(hào)來的時(shí)候，屏幕開始切換畫面，CPU開始下一幀計(jì)算。

為了方便理解，我做了個(gè)小動(dòng)畫：

通過上面的解釋，我們知道了一幀顯示的時(shí)間是16.6ms，在這個(gè)時(shí)間內(nèi)，CPU和GPU必須把數(shù)據(jù)處理好并放到緩存區(qū)(buffer)中。

如果在某次的16.6ms中，CPU和GPU沒有繪制好下一幀數(shù)據(jù)，那么display就無法更新下一幀數(shù)據(jù)了，這就是掉幀。

所以才有了以上三個(gè)原因會(huì)導(dǎo)致掉幀，再來回顧下：

• 1、硬件原因。硬件比較差也就是CPU和GPU計(jì)算不給力，導(dǎo)致一幀的數(shù)據(jù)沒準(zhǔn)備好，所以掉幀。
• 2、軟件原因。在硬件夠用的情況下，App或者游戲的一幀數(shù)據(jù)計(jì)算繁雜，嵌套太多或者圖太大，也會(huì)導(dǎo)致下一幀數(shù)據(jù)不能在16.6ms中被準(zhǔn)備好，導(dǎo)致掉幀。
• 3、網(wǎng)絡(luò)原因。在硬件軟件都正常情況下，由于網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)，CPU的計(jì)算數(shù)據(jù)都沒有從網(wǎng)絡(luò)上獲取到，那么肯定會(huì)導(dǎo)致CPU數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備延遲，最終導(dǎo)致掉幀。

那么掉幀之后，屏幕刷新機(jī)制會(huì)怎么處理后續(xù)的幀呢?

• 如果是游戲的話，因?yàn)榧磿r(shí)性比較重要，所以丟失的幀就不會(huì)再去管了，而是直接準(zhǔn)備當(dāng)前時(shí)間應(yīng)該顯示的內(nèi)容，最終顯示到屏幕。所以這種情況掉的幀就真的掉了。
• 如果是應(yīng)用的話，可能對(duì)數(shù)據(jù)的完整性比較重要，所以如果第2幀掉了，那么屏幕就繼續(xù)顯示第1幀，而CPU和GPU繼續(xù)準(zhǔn)備第2幀的數(shù)據(jù)，如果能在下一個(gè)16.6ms內(nèi)完成第2幀數(shù)據(jù)，那么屏幕就會(huì)接著顯示第二幀了。比如有時(shí)候手機(jī)卡的時(shí)候，我們?nèi)ゲ僮鰽pp，操作會(huì)延遲，就是掉幀了。這種情況幀并不是真的掉了，而是延遲了。

畫面撕裂

接下來就看看畫面撕裂，為什么一幀中會(huì)出現(xiàn)兩幀的畫面呢?

首先理解一個(gè)概念：「逐行掃描」

「逐行掃描」就是說，顯示器顯示畫面并不是“蹭”一下就打出一張畫面來，而是從上到下一行一行顯示出來的，只不過是顯示得比較快所以肉眼看不出來而已。

之前說了屏幕的數(shù)據(jù)是從緩存區(qū)Buffer中取的，如果在屏幕取數(shù)據(jù)并逐行掃描顯示畫面的過程中，Buffer中的數(shù)據(jù)變了，那么就有可能導(dǎo)致畫面撕裂。

最明顯的例子就是：顯卡的fps是180，而顯示器的fps是60。也就是顯卡一秒鐘能產(chǎn)生180張畫面，而顯示器一秒鐘只能讀取60張畫面。

那么顯示器從Buffer中讀取數(shù)據(jù)逐行掃描的過程中，本來需要1/60 秒顯示完一張畫面，但是在1/180的時(shí)間點(diǎn)，顯卡就把下一張畫面的數(shù)據(jù)存到Buffer了，結(jié)果顯示器的下半截就顯示的是第二張畫面的內(nèi)容了。也就造成了畫面撕裂。

再來個(gè)動(dòng)畫解釋下：

所以為了防止這種狀況，一般顯示系統(tǒng)會(huì)加入一個(gè)雙緩存+垂直同步的概念：

• 首先，開啟垂直同步，就會(huì)將GPU的fps限制為和顯示器的fps一樣。

系統(tǒng)會(huì)在顯示器繪制完一幀之后發(fā)送一個(gè)垂直同步信號(hào)，然后CPU和GPU就準(zhǔn)備下一幀的內(nèi)容，等待顯示器下一幀繪制完，又會(huì)發(fā)送一個(gè)垂直同步信號(hào)。如此反復(fù)，就限制了顯卡的fps，按照顯示器的標(biāo)準(zhǔn)來繪制圖像。

這個(gè)垂直同步信號(hào)就叫做 VSync信號(hào)。

玩游戲的朋友應(yīng)該都知道，很多游戲內(nèi)設(shè)置頁都有 垂直同步 的開啟選項(xiàng)，為的就是將顯卡的fps和顯示器的fps適配，防止畫面撕裂。

• 其次，通過雙緩存保證一幀數(shù)據(jù)的連貫性。

1、緩存區(qū)backBuffer用于CPU/GPU圖形處理

2、緩存區(qū)frameBuffer用于顯示器顯示

這樣分工明確之后，屏幕只會(huì)讀取framebuffer的內(nèi)容，是一幀完整的畫面。而CPU/GPU計(jì)算的新一幀內(nèi)容會(huì)放到backbuffer中，不會(huì)影響到framebuffer的內(nèi)容。

只有當(dāng)屏幕繪制完一幀內(nèi)容之后，才會(huì)將CPU/GPU計(jì)算好的新一幀內(nèi)容也就是backbuffer內(nèi)容和framebuffer進(jìn)行交換。

這樣就保證了一幀數(shù)據(jù)的完整連貫。

小結(jié)下就是：當(dāng)屏幕掃描完第1幀畫面之后，系統(tǒng)發(fā)送VSync信號(hào)，這時(shí)會(huì)發(fā)生三件事：

• 1、交換兩個(gè)緩存區(qū)(framebuffer、backbuffer)內(nèi)容。
• 2、顯示器開始顯示第2幀內(nèi)容，也就是交換后的framebuffer內(nèi)容。
• 3、CPU/GPU開始計(jì)算處理第三幀的內(nèi)容，并在處理好內(nèi)容后放到backbuffer中。

再來個(gè)動(dòng)畫：

Android Project Butter(黃油計(jì)劃)

問題都解決了嗎?并沒有。

加入VSync信號(hào)之后，掉幀問題變得更嚴(yán)重了：

可以發(fā)現(xiàn)，加入了VSync信號(hào)后，雖然統(tǒng)一了CPU處理的時(shí)間點(diǎn)，但是掉幀問題可能會(huì)被再一次放大，從掉一幀直接變成后續(xù)一直掉幀。因?yàn)榈诙€(gè)的16.6ms被浪費(fèi)了，CPU必須等到第三個(gè)16.6ms才能開始新一幀的數(shù)據(jù)處理，直接影響后續(xù)的所有幀進(jìn)度。

怎么辦呢?在保留VSync信號(hào)的同時(shí)有可能最大利用上CPU/GPU嗎?

三緩存來了：

1、緩存區(qū)backBuffer用于CPU/GPU圖形處理

2、緩存區(qū)TripleBuffer用于CPU/GPU圖形處理

3、緩存區(qū)frameBuffer用于顯示器顯示

剛才說的情況導(dǎo)致的原因就是因?yàn)樵诘诙€(gè)VSync信號(hào)來的時(shí)候，因?yàn)閎ackBuffer被GPU占用，所以CPU無法去開始新一幀的計(jì)算。

加入了第三個(gè)緩存區(qū)，那么在第二個(gè)VSync信號(hào)來的時(shí)候，CPU就可以利用TripleBuffer開始新一幀的計(jì)算，而無視正在被GPU占用的backBuffer。

你可以理解為 CPU、GPU、Display每個(gè)人都有一個(gè)緩存區(qū)，這樣三個(gè)就能同時(shí)做自己的事而互不影響，最大化利用每個(gè)模塊。

三緩存和上面說到的Vsync同步信號(hào)都是 Android 4.1 發(fā)布的一個(gè)Project Butter(黃油計(jì)劃)中提出的，為的是就是讓Android能讓黃油/奶油般順滑。

最后貼個(gè)三緩存機(jī)制下的刷新機(jī)制圖：

小結(jié)

今天了解了Android系統(tǒng)的刷新機(jī)制，雖然沒有代碼，但是面試中也是常常被問到的，再次總結(jié)下：

1、為了解決畫面撕裂問題，引入了垂直同步信號(hào)VSync信號(hào)和雙緩存。

每次VSync信號(hào)到達(dá)的時(shí)候，屏幕進(jìn)行畫面切換，CPU/GPU開始準(zhǔn)備下一幀內(nèi)容。

CPU/GPU每次準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)后，放到一個(gè)單獨(dú)的緩存區(qū)backBuffer，當(dāng)屏幕準(zhǔn)備好之后，將backBuffer數(shù)據(jù)和frameBuffer數(shù)據(jù)交換，屏幕只讀取frameBuffer緩存區(qū)的數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)的完整連續(xù)性。

2、為了解決VSync信號(hào)下CPU/GPU無法最大化利用的問題，引入了三緩存。

當(dāng)VSync信號(hào)來的時(shí)候，即使GPU還沒處理好上一幀數(shù)據(jù)，backBuffer還不空閑，但是CPU也可以利用第三個(gè)緩存區(qū)正常開始處理下一幀的數(shù)據(jù)，最大化利用CPU/GPU，保證垂直同步機(jī)制的同時(shí)不浪費(fèi)資源。

3、掉幀的根本原因是因?yàn)樵谝粠瑫r(shí)間內(nèi)(一般為16.6ms)，CPU/GPU無法把下一幀的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好。

即使引用了三緩存和垂直同步，但是掉幀的情況該發(fā)生還是會(huì)發(fā)生，我們作為App軟件開發(fā)者，能做的就是盡可能優(yōu)化布局，減少嵌套，減少CPU/GPU計(jì)算畫面數(shù)據(jù)的時(shí)間，讓每一幀時(shí)間內(nèi)正常準(zhǔn)備好下一幀圖像數(shù)據(jù)。

至于刷新機(jī)制在Android源碼中到底是怎么實(shí)現(xiàn)的呢?下期會(huì)帶來Choreographer的解析。

參考

https://www.jianshu.com/p/0d00cb85fdf3

https://www.zhihu.com/question/49764664/answer/469342536 

https://blog.csdn.net/yangwen123/article/details/16344375