Android VSync机制详解：从基本概念到具体实现
Android VSync机制详解：从基本概念到具体实现
VSync（垂直同步）是Android系统中一个重要的机制，它负责控制屏幕的刷新和图像的绘制，以确保画面的流畅性和稳定性。本文将详细介绍VSync的基本概念、工作原理以及在Android系统中的具体实现，帮助开发者更好地理解这一机制。
基本概念
帧率（Frame Rate）：帧率是一个软件的概念，单位是FPS（Frame Per Second），表示CPU/GPU在一秒内绘制合成产生的帧数。例如，60FPS指的是每秒产生60个画面。
屏幕刷新率（Screen Refresh Rate）：屏幕刷新率是一个硬件的概念，单位是Hz（赫兹），表示屏幕硬件刷新画面的频率。例如，60Hz意味着屏幕在1秒内会刷新显示内容60次。
VSync（垂直同步）：在Android系统中，VSync信号分为两种：屏幕产生的硬件VSync和由SurfaceFlinger转换成的软件Vsync信号。后者通过Binder传递给Choreographer。硬件VSync是一个脉冲信号，用于触发某种操作。
VSync原理
在一个典型的显示系统中，主要包括CPU、GPU和Display三个部分。CPU负责计算帧数据，GPU负责图形渲染，Display负责将Buffer中的数据呈现到屏幕上。
单缓存
在没有引入VSync的情况下，屏幕显示图像的工作流程如下：
理想情况下，帧率和刷新频率相等，每绘制一帧，屏幕显示一帧。但实际情况中，如果没有锁来控制同步，很容易出现问题：
- 屏幕刷新率比系统帧率快时，会导致一帧显示多次，造成卡顿。
- 系统帧率比屏幕刷新率快时，会导致图像撕裂（tearing）现象。
双缓存+Vsync
为了解决上述问题，引入了双缓冲机制。硬件层提供两个Buffer：一个用于屏幕显示（Frame Buffer），另一个用于后台的CPU/GPU图形绘制与合成（Back Buffer）。
双缓冲的工作流程如下：
- 在某个时间点，一个屏幕刷新周期完成，进入短暂的刷新空白期。
- VSync信号产生，先完成复制操作，然后通知CPU/GPU绘制下一帧图像。
- 复制操作完成后屏幕开始下一个刷新周期，即将刚复制到Frame Buffer的数据数据显示到屏幕上。
在这种模型下，只有当VSync信号产生时，CPU/GPU才会开始绘制。这样，当帧率大于刷新频率时，帧率就会被迫跟刷新频率保持同步，从而避免“tearing”现象。
Drawing with Vsync
为了优化系统显示性能，Google在Android 4.1系统中引入了Project Butter（黄油工程），其中很重要的一点修改就是实现了Drawing with Vsync。在系统收到VSync信号后，CPU和GPU马上开始进行下一帧画面数据的处理，完成后及时将数据写入到Back Buffer中。
但是，如果CPU/GPU处理时间较长，超过了16.6ms，仍然会导致jank（掉帧）问题。
三缓存 + Vsync
为了解决上述问题，引入了三缓冲机制。在双缓冲机制基础上增加一个Graphic Buffer缓冲区，这样可以最大限度地利用空闲时间。
三缓冲虽然不能完全避免卡顿问题，但可以大幅优化卡顿问题，尤其是避免连续卡顿。
Choreographer
Choreographer的引入，主要是为了配合系统Vsync垂直同步机制，给上层App的渲染提供一个稳定的Message处理的时机。Choreographer扮演Android渲染链路中承上启下的角色：
- 承上：负责接收和处理App的各种更新消息和回调，等到Vsync到来的时候统一处理。
- 启下：负责请求和接收Vsync信号。
一般应用App有界面UI的变化时，最终都会调用走到ViewRootImpl#scheduleTraversals()方法中，该方法中会往Choreographer中放入一个CALLBACK_TRAVERSAL类型的绘制任务。
Choreographer在收到的绘制任务后，其内部的工作流程如下：
- View#invalidate触发更新视图请求，此动作会调用ViewRootImpl#scheduleTraversals函数
- ViewRootImpl#scheduleTraversals中会向Choreographer中postCallback放入一个CALLBACK_TRAVERSAL类型绘制待执行任务；
- Choreographer通过DisplayEventReceiver向系统SurfaceFlinger注册下一个VSync信号;
- 当底层产生下一个VSync消息时，将该信号发送给DisplayEventReceiver，最后传递给Choreographer；
- Choreographer收到VSync信号之后，向主线程MessageQueue发送了一个异步消息；
- 最后，异步消息的执行者是跑在主线程中的ViewRootImpl#doTraversal，也就是真正开始绘制一帧的操作（包含measure、layout、draw三个过程）；
至此，底层的VSync控制上层绘制的逻辑就解释完了。