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安卓开发软件培训!腾讯3轮面试都问了Android事件分发,面试必问

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前言

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二、显示系统基础知识

在一个典型的显示系统中,一般包括CPU、GPU、Display三个部分, CPU负责计算帧数据,把计算好的数据交给GPU,GPU会对图形数据进行渲染,渲染好后放到buffer(图像缓冲区)里存起来,然后Display(屏幕或显示器)负责把buffer里的数据呈现到屏幕上。如下图:

2.1 基础概念

  • 屏幕刷新频率 一秒内屏幕刷新的次数(一秒内显示了多少帧的图像),单位 Hz(赫兹),如常见的 60 Hz。刷新频率取决于硬件的固定参数(不会变的)。

  • 逐行扫描 显示器并不是一次性将画面显示到屏幕上,而是从左到右边,从上到下逐行扫描,顺序显示整屏的一个个像素点,不过这一过程快到人眼无法察觉到变化。以 60 Hz 刷新率的屏幕为例,这一过程即 1000 / 60 ≈ 16ms。

  • 帧率 (Frame Rate) 表示 GPU 在一秒内绘制操作的帧数,单位 fps。例如在电影界采用 24 帧的速度足够使画面运行的非常流畅。而 Android 系统则采用更加流程的 60 fps,即每秒钟GPU最多绘制 60 帧画面。帧率是动态变化的,例如当画面静止时,GPU 是没有绘制操作的,屏幕刷新的还是buffer中的数据,即GPU最后操作的帧数据。

  • 画面撕裂(tearing) 一个屏幕内的数据来自2个不同的帧,画面会出现撕裂感,如下图

明显看出画面错位的位置,这就是画面撕裂。

2.2 双缓存

2.2.1 画面撕裂 原因

屏幕刷新频是固定的,比如每16.6ms从buffer取数据显示完一帧,理想情况下帧率和刷新频率保持一致,即每绘制完成一帧,显示器显示一帧。但是CPU/GPU写数据是不可控的,所以会出现buffer里有些数据根本没显示出来就被重写了,即buffer里的数据可能是来自不同的帧的, 当屏幕刷新时,此时它并不知道buffer的状态,因此从buffer抓取的帧并不是完整的一帧画面,即出现画面撕裂。

简单说就是Display在显示的过程中,buffer内数据被CPU/GPU修改,导致画面撕裂。

2.2.2 双缓存

那咋解决画面撕裂呢? 答案是使用 双缓存。

由于图像绘制和屏幕读取 使用的是同个buffer,所以屏幕刷新时可能读取到的是不完整的一帧画面。

双缓存,让绘制和显示器拥有各自的buffer:GPU 始终将完成的一帧图像数据写入到 Back Buffer,而显示器使用 Frame Buffer,当屏幕刷新时,Frame Buffer 并不会发生变化,当Back buffer准备就绪后,它们才进行交换。如下图:

2.2.3 VSync

问题又来了:什么时候进行两个buffer的交换呢?

假如是 Back buffer准备完成一帧数据以后就进行,那么如果此时屏幕还没有完整显示上一帧内容的话,肯定是会出问题的。看来只能是等到屏幕处理完一帧数据后,才可以执行这一操作了。

当扫描完一个屏幕后,设备需要重新回到第一行以进入下一次的循环,此时有一段时间空隙,称为VerticalBlanking Interval(VBI)。那,这个时间点就是我们进行缓冲区交换的最佳时间。因为此时屏幕没有在刷新,也就避免了交换过程中出现 screen tearing的状况。

VSync(垂直同步)是VerticalSynchronization的简写,它利用VBI时期出现的vertical sync pulse(垂直同步脉冲)来保证双缓冲在最佳时间点才进行交换。另外,交换是指各自的内存地址,可以认为该操作是瞬间完成。

所以说V-sync这个概念并不是Google首创的,它在早年的PC机领域就已经出现了。

三、Android屏幕刷新机制

3.1 Android4.1之前的问题

具体到Android中,在Android4.1之前,屏幕刷新也遵循 上面介绍的 双缓存+VSync 机制。如下图:

以时间的顺序来看下将会发生的过程:

  1. Display显示第0帧数据,此时CPU和GPU渲染第1帧画面,且在Display显示下一帧前完成
  2. 因为渲染及时,Display在第0帧显示完成后,也就是第1个VSync后,缓存进行交换,然后正常显示第1帧
  3. 接着第2帧开始处理,是直到第2个VSync快来前才开始处理的。
  4. 第2个VSync来时,由于第2帧数据还没有准备就绪,缓存没有交换,显示的还是第1帧。这种情况被Android开发组命名为“Jank”,即发生了丢帧
  5. 当第2帧数据准备完成后,它并不会马上被显示,而是要等待下一个VSync 进行缓存交换再显示。

所以总的来说,就是屏幕平白无故地多显示了一次第1帧。

原因是 第2帧的CPU/GPU计算 没能在VSync信号到来前完成 。

我们知道,双缓存的交换 是在Vsyn到来时进行,交换后屏幕会取Frame buffer内的新数据,而实际 此时的Back buffer 就可以供GPU准备下一帧数据了。 如果 Vsyn到来时 CPU/GPU就开始操作的话,是有完整的16.6ms的,这样应该会基本避免jank的出现了(除非CPU/GPU计算超过了16.6ms)。 那如何让 CPU/GPU计算在 Vsyn到来时进行呢?

3.2 drawing with VSync

为了优化显示性能,Google在Android 4.1系统中对Android Display系统进行了重构,实现了Project Butter(黄油工程):系统在收到VSync pulse后,将马上开始下一帧的渲染。即一旦收到VSync通知(16ms触发一次),CPU和GPU 才立刻开始计算然后把数据写入buffer。如下图:

CPU/GPU根据VSYNC信号同步处理数据,可以让CPU/GPU有完整的16ms时间来处理数据,减少了jank。

一句话总结,VSync同步使得CPU/GPU充分利用了16.6ms时间,减少jank。

问题又来了,如果界面比较复杂,CPU/GPU的处理时间较长 超过了16.6ms呢?如下图:

  1. 在第二个时间段内,但却因 GPU 还在处理 B 帧,缓存没能交换,导致 A 帧被重复显示。
  2. 而B完成后,又因为缺乏VSync pulse信号,它只能等待下一个signal的来临。于是在这一过程中,有一大段时间是被浪费的。
  3. 当下一个VSync出现时,CPU/GPU马上执行操作(A帧),且缓存交换,相应的显示屏对应的就是B。这时看起来就是正常的。只不过由于执行时间仍然超过16ms,导致下一次应该执行的缓冲区交换又被推迟了——如此循环反复,便出现了越来越多的“Jank”。

为什么 CPU 不能在第二个 16ms 处理绘制工作呢?

原因是只有两个 buffer,Back buffer正在被GPU用来处理B帧的数据, Frame buffer的内容用于Display的显示,这样两个buffer都被占用,CPU 则无法准备下一帧的数据。 那么,如果再提供一个buffer,CPU、GPU 和显示设备都能使用各自的buffer工作,互不影响。

3.3 三缓存

三缓存就是在双缓冲机制基础上增加了一个 Graphic Buffer 缓冲区,这样可以最大限度的利用空闲时间,带来的坏处是多使用的一个 Graphic Buffer 所占用的内存。

  1. 第一个Jank,是不可避免的。但是在第二个 16ms 时间段,CPU/GPU 使用 第三个 Buffer 完成C帧的计算,虽然还是会多显示一次 A 帧,但后续显示就比较顺畅了,有效避免 Jank 的进一步加剧。

  2. 注意在第3段中,A帧的计算已完成,但是在第4个vsync来的时候才显示,如果是双缓冲,那在第三个vynsc就可以显示了。

三缓冲有效利用了等待vysnc的时间,减少了jank,但是带来了延迟。 所以,是不是 Buffer 越多越好呢?这个是否定的,Buffer 正常还是两个,当出现 Jank 后三个足以。

以上就是Android屏幕刷新的原理了。

最后

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