什么是Vsync同步機(jī)制？
Vsync(垂直同步信號量)，用來同步渲染，讓AppUI和SurfaceFlinger可以按硬件產(chǎn)生的VSync節(jié)奏進(jìn)行工作。
Vsync要解決的問題：
為什么會產(chǎn)生這樣的問題？
CPU負(fù)責(zé)對UI進(jìn)行更新，GPU負(fù)責(zé)對UI進(jìn)行渲染，兩者的頻率不一致，會導(dǎo)致CPU還未更新完成，就被GPU渲染到了屏幕上。所以會出現(xiàn)圖片上的問題。
如何解決這個問題？
解決這個問題的方法就是讓CPU和GPU以相同的節(jié)奏進(jìn)行工作。如下圖所示
讓CPU和GPU以相同的頻率進(jìn)行工作，這就是Vsync要做的工作。Vsync以固定的頻率發(fā)出信號，每當(dāng)收到CPU先對UI進(jìn)行更新，然后GPU再進(jìn)行繪制，這樣就可以解決上面的問題了。
那Android的Vsync機(jī)制是如何進(jìn)行的呢？
Android的Vsync整體框架圖
這張圖可以很明顯的看出Vsync事件的傳遞過程。
Vsync信號并不是有硬件直接產(chǎn)生，而是由DispSync線程產(chǎn)生的。DispSync會根據(jù)HWC產(chǎn)生的VSync進(jìn)行采樣，創(chuàng)建模型，然后輸出了SW_VSYNC信號，SW_VSYNC再根據(jù)SF和APP的phase offset做調(diào)整，分別輸出給Vsync-sf和Vsync-app。
再看下幾個類之間的關(guān)系圖
HWC產(chǎn)生硬件Vsync信號
在分析HWComposer的時候，HWComposer中會注冊硬件Vsync事件回調(diào)，在硬件Vsync事件到來的時候，回調(diào)HWComposer的vsync函數(shù)。
void HWComposer::vsync(int disp, int64_t timestamp) {
if (uint32_t(disp) < HWC_NUM_PHYSICAL_DISPLAY_TYPES) {
{
Mutex::Autolock _l(mLock);
//記錄對應(yīng)硬件設(shè)備Vsync信號產(chǎn)生的時間
mLastHwVSync[disp] = timestamp;
}
//然后直接通知SurfaceFlinger的onVsyncReceived函數(shù)
mEventHandler.onVSyncReceived(disp, timestamp);
}
}
void SurfaceFlinger::onVSyncReceived(int type, nsecs_t timestamp) {
bool needsHwVsync = false;
{ // Scope for the lock
Mutex::Autolock _l(mHWVsyncLock);
//如果是主顯示設(shè)備的Vsync信號，且當(dāng)前硬件Vsync事件是打開的，則調(diào)用DispSync的addResyncSample函數(shù)
//將硬件VSync事件添加到DispSYnc的樣本中，用于創(chuàng)建軟件Vsync時間模型
if (type == 0 && mPrimaryHWVsyncEnabled) {
needsHwVsync = mPrimaryDispSync.addResyncSample(timestamp);
}
}
//更加樣本采樣結(jié)果，決定是否要關(guān)掉硬件Vsync事件。
if (needsHwVsync) {
enableHardwareVsync();
} else {
disableHardwareVsync(false);
}
}
HWComposer接收到硬件的Vsync事件并沒有直接傳遞給系統(tǒng)使用，而是通過SurfaceFlinger將Vsync事件，添加到了DispSync的Vsync事件樣本，當(dāng)DispSync采樣完成后，則會停止硬件Vsync事件，由軟件Vsync根據(jù)樣本的計算結(jié)果產(chǎn)生Vsync事件。
mPrimaryHWVsyncEnabled變量控制DispSync是否需要采集樣本，當(dāng)模型Vsync周期有誤差時需要重新打開硬件Vsync，再次采集硬件Vsync樣本。
bool DispSync::addResyncSample(nsecs_t timestamp) {
Mutex::Autolock lock(mMutex);
//此處相當(dāng)于做了一個大小為32環(huán)形Buffer，每當(dāng)有新的樣本過來之后就添加到數(shù)組Buffer中，如果Buffer已滿，則替換掉最老的樣本
size_t idx = (mFirstResyncSample + mNumResyncSamples) % MAX_RESYNC_SAMPLES;
mResyncSamples[idx] = timestamp;
if (mNumResyncSamples < MAX_RESYNC_SAMPLES) {
mNumResyncSamples++;
} else {
mFirstResyncSample = (mFirstResyncSample + 1) % MAX_RESYNC_SAMPLES;
}
//當(dāng)樣本更新后，根據(jù)32個硬件Vsync樣本計算軟件Vsync模型.
updateModelLocked();
if (mNumResyncSamplesSincePresent++ > MAX_RESYNC_SAMPLES_WITHOUT_PRESENT) {
resetErrorLocked();
}
//當(dāng)Vsync周期mPeriod = 0或者誤差超過一定的閥值，需要重新采樣,否則，則停止采樣，關(guān)掉硬件Vsync，知道有誤差的時候在打開，再次采樣
return mPeriod == 0 || mError > kErrorThreshold;
}
addResyncSample方法主要作用是添加采樣樣本到Buffer中，DispSync中維護(hù)了一個環(huán)形的Buffer，大小為32個，每當(dāng)有新樣本過來時候，則將樣本添加到Buffer中，如果Buffer已經(jīng)滿了，則替換掉最老的樣本。
樣本更新后調(diào)用updateModelLocked來計算更新DispSync模型。
void DispSync::updateModelLocked() {
//只有樣本數(shù)量大于3個的時候才會計算，太少則沒有意義
if (mNumResyncSamples >= MIN_RESYNC_SAMPLES_FOR_UPDATE) {
nsecs_t durationSum = 0;
//第一步 ：從最老的時間樣本開始計算Vsync間隔，然后再計算平均的時間間隔
for (size_t i = 1; i < mNumResyncSamples; i++) {
size_t idx = (mFirstResyncSample + i) % MAX_RESYNC_SAMPLES;
size_t prev = (idx + MAX_RESYNC_SAMPLES - 1) % MAX_RESYNC_SAMPLES;
durationSum += mResyncSamples[idx] - mResyncSamples[prev];
}
//mPeriod就是計算產(chǎn)生的平均Vsync間隔的時間
mPeriod = durationSum / (mNumResyncSamples - 1);
//第二部：開始計算平均的偏差時間，因為不可能每個間隔都非常準(zhǔn)時，要求平均偏差
double sampleAvgX = 0;
double sampleAvgY = 0;
double scale = 2.0 * M_PI / double(mPeriod);
for (size_t i = 0; i < mNumResyncSamples; i++) {
//遍歷并計算每個樣本相對于平均周期取余的偏差值，（如果完全準(zhǔn)時的樣本，應(yīng)該可以整除，余數(shù)為0），然后將偏差值轉(zhuǎn)換成弧度。
size_t idx = (mFirstResyncSample + i) % MAX_RESYNC_SAMPLES;
nsecs_t sample = mResyncSamples[idx];
double samplePhase = double(sample % mPeriod) * scale;
//計算弧度的X和Y
sampleAvgX += cos(samplePhase);
sampleAvgY += sin(samplePhase);
}
//求平均弧度X,Y
sampleAvgX /= double(mNumResyncSamples);
sampleAvgY /= double(mNumResyncSamples);
//將平均弧度轉(zhuǎn)換成平均的偏差值
mPhase = nsecs_t(atan2(sampleAvgY, sampleAvgX) / scale);
if (mPhase < 0) {
mPhase += mPeriod;
}
if (kTraceDetailedInfo) {
ATRACE_INT64("DispSync:Period", mPeriod);
ATRACE_INT64("DispSync:Phase", mPhase);
}
// 人為減少Vsync刷新頻率
mPeriod += mPeriod * mRefreshSkipCount;
//更新周期和偏差模型
mThread->updateModel(mPeriod, mPhase);
}
}
計算平均周期模型和平均偏差模型。
如何計算平均周期？
將所有樣本的間隔時間相加，然后除以間隔數(shù)，求出平均間隔時間.
如何計算平均偏差？
如果完全準(zhǔn)時的樣本，應(yīng)該可以整除平均，余數(shù)為0，有偏差的則余數(shù)不為0，所以對所有的樣本除以mPeriod平均周期時間，計算余數(shù)，將余數(shù)又轉(zhuǎn)換成弧度. 計算X和Y, 求X和Y的平均值，然后再由平均X,Y求出弧度，再轉(zhuǎn)換成偏差值。這樣就計算出平均偏差了.
void updateModel(nsecs_t period, nsecs_t phase) {
Mutex::Autolock lock(mMutex);
mPeriod = period;
mPhase = phase;
mCond.signal();
}
調(diào)用VsyncThread的mCond.signal()通知VsyncThread模型更新完成。
DispSync 軟件Vsync模型
SurfaceFlinger的Vsync并不是直接使用硬件產(chǎn)生Vsync，而是由軟件根據(jù)硬件Vsync創(chuàng)建了一個數(shù)據(jù)模型來模擬產(chǎn)生Vsync信號。負(fù)責(zé)產(chǎn)生軟件Vsync信號的就是DispSync。
DispSync是SurfaceFlinger中的一個變量。
DispSync mPrimaryDispSync;
mPrimaryDispSync就是Vsync的信號源，我們先看下Vsync信號是如何產(chǎn)生的？
DispSync::DispSync() :
mRefreshSkipCount(0),
mThread(new DispSyncThread()) {
//啟動VsyncThread
mThread->run("DispSync", PRIORITY_URGENT_DISPLAY + PRIORITY_MORE_FAVORABLE);
}
DispSync VsyncThread 第一部分
DispSync對象在創(chuàng)建的時候會啟動一個VsyncThread線程，該線程用于模擬Vsync信號。然后我們看下VsyncThread線程的threadloop方法
virtual bool threadLoop() {
status_t err;
nsecs_t now = systemTime(SYSTEM_TIME_MONOTONIC);
nsecs_t nextEventTime = 0;
//執(zhí)行循環(huán)
while (true) {
Vector<CallbackInvocation> callbackInvocations;
nsecs_t targetTime = 0;
{ // Scope for lock
Mutex::Autolock lock(mMutex);
//如果需要停止Vsync線程，則直接返回
if (mStop) {
return false;
}
//如果mPeriod為0, 則等待
//在VsyncThread創(chuàng)建的時候，mPeriod默認(rèn)為0,所以會阻塞在這邊。
//在VsyncThread updateModel更新模型的時候，會設(shè)置mPeriod，然后繼續(xù)執(zhí)行，線程剛開始的時候Vsync模型還沒有創(chuàng)建好，所以無法產(chǎn)生SW Vsync信號
if (mPeriod == 0) {
err = mCond.wait(mMutex);
if (err != NO_ERROR) {
ALOGE("error waiting for new events: %s (%d)",
strerror(-err), err);
return false;
}
continue;
}
......
}
VsyncThread剛開始由于mPeriod=0，也就是說當(dāng)前線程還不知道按照什么樣的頻率產(chǎn)生Vsync信號，所以會等待mPeriod周期模型的更新。
什么時候設(shè)置更新mPeriod的時間呢？
就是上面提到的，應(yīng)用模型樣本計算完成后會設(shè)置mPeriod和mPhase,這樣VsyncThread就會繼續(xù)執(zhí)行
DispSync VsyncThread 第二部分
virtual bool threadLoop() {
......
//計算下次Vsync要產(chǎn)生的時間
nextEventTime = computeNextEventTimeLocked(now);
targetTime = nextEventTime;
bool isWakeup = false;
//如果還沒有到時間，就等待相應(yīng)的時間后在處理
if (now < targetTime) {
err = mCond.waitRelative(mMutex, targetTime - now);
if (err == TIMED_OUT) {
isWakeup = true;
} else if (err != NO_ERROR) {
ALOGE("error waiting for next event: %s (%d)",
strerror(-err), err);
return false;
}
}
now = systemTime(SYSTEM_TIME_MONOTONIC);
//到達(dá)執(zhí)行Vsync時間后，回調(diào)監(jiān)聽對象.
if (isWakeup) {
mWakeupLatency = ((mWakeupLatency * 63) +
(now - targetTime)) / 64;
if (mWakeupLatency > 500000) {
// Don't correct by more than 500 us
mWakeupLatency = 500000;
}
if (kTraceDetailedInfo) {
ATRACE_INT64("DispSync:WakeupLat", now - nextEventTime);
ATRACE_INT64("DispSync:AvgWakeupLat", mWakeupLatency);
}
}
callbackInvocations = gatherCallbackInvocationsLocked(now);
}
if (callbackInvocations.size() > 0) {
fireCallbackInvocations(callbackInvocations);
}
}
return false;
}
當(dāng)有Vsync的周期時間和偏差時間后，VsyncThread就可以模擬產(chǎn)生軟件Vsync信號了。產(chǎn)生Vsync信號就會通過回調(diào)接口通知監(jiān)聽者.
DispVsync有兩個監(jiān)聽者，就是我們上面提到的SurfaceFlinger和APP，SurfaceFlinger和App所需要的Vsync時間不是完全一致。App一般先接到Vsync信號，還是繪制UI，然后SurfaceFlinger再接收到Vsync信號完成UI合成。
VsyncThread做了什么事情呢？
首先計算下次Vsync產(chǎn)生的時間，計算下次產(chǎn)生時間會根據(jù)兩個監(jiān)聽者上次接收到Vsync時間，然后加上周期時間，偏差時間，和APP或者SF自己的偏差時間。得到下次Vsync時間。
下次Vsync時間 = 上次Vsync時間 + mPeriod（平均周期） + mPhase(平均偏差) + offset(自定義偏差)
得到最近的下次執(zhí)行時間，Vsync只要Wait相應(yīng)的時間差就可了，等到執(zhí)行時間后回調(diào)SF或者APP的Vsync信號。這樣Vsync信號就產(chǎn)生了.
DisplaySyncSource
上面講DispSync提到，DispSync有兩個監(jiān)聽者，這兩個監(jiān)聽這就是兩個DisplaySyncSource對象。兩個對象是在SurfaceFlinger的init進(jìn)程創(chuàng)建的.
sp<VSyncSource> vsyncSrc = new DispSyncSource(&mPrimaryDispSync,
vsyncPhaseOffsetNs, true, "app");
sp<VSyncSource> sfVsyncSrc = new DispSyncSource(&mPrimaryDispSync,
sfVsyncPhaseOffsetNs, true, "sf");
init中創(chuàng)建了兩個DispSyncSource對象， 一個是SF的sfVsyncSrc，一個是SurfaceFlinger的sfVsyncSrc對象. DiplaySyncSource構(gòu)造方法中會保存一個syncOffet值，表示自己收到Vsync偏差時間.
DispSync計算Vsync產(chǎn)生時間的時候，會根據(jù)這個偏差進(jìn)行計算.也就是上面公式中的自定義偏差offset。
DispSync有一些重要的函數(shù)，具體如下：
//開始/關(guān)閉監(jiān)聽Vsync事件
//開始監(jiān)聽Vsync事件就是將自己添加到DispSync的回調(diào)監(jiān)聽中
//關(guān)閉監(jiān)聽Vsync事件就是將自己從DispSync監(jiān)聽回調(diào)中移除
virtual void setVSyncEnabled(bool enable) {
Mutex::Autolock lock(mVsyncMutex);
if (enable) {
status_t err = mDispSync->addEventListener(mPhaseOffset,
static_cast<DispSync::Callback*>(this));
if (err != NO_ERROR) {
ALOGE("error registering vsync callback: %s (%d)",
strerror(-err), err);
}
//ATRACE_INT(mVsyncOnLabel.string(), 1);
} else {
status_t err = mDispSync->removeEventListener(
static_cast<DispSync::Callback*>(this));
if (err != NO_ERROR) {
ALOGE("error unregistering vsync callback: %s (%d)",
strerror(-err), err);
}
//ATRACE_INT(mVsyncOnLabel.string(), 0);
}
mEnabled = enable;
}
//設(shè)置自己的回調(diào)，即收到Vsync事件后，回調(diào)給誰
virtual void setCallback(const sp<VSyncSource::Callback>& callback) {
Mutex::Autolock lock(mCallbackMutex);
mCallback = callback;
}
//DispSync的回調(diào)接口， 當(dāng)收到DispSync事件后會回到該接口，然后該接口將事件又回調(diào)給自己的callBack
//也就是后邊講的EventThread，EventThread會監(jiān)聽DisplaySyncSource。
virtual void onDispSyncEvent(nsecs_t when) {
sp<VSyncSource::Callback> callback;
{
Mutex::Autolock lock(mCallbackMutex);
callback = mCallback;
if (callback != NULL) {
callback->onVSyncEvent(when);
}
}
這樣，我們就大概理解了Vsync信號的產(chǎn)生過程。
1：HWC硬件產(chǎn)生Vsync信號，給DispSync添加樣本
2：DispSync根據(jù)樣本計算Vsync周期，然后產(chǎn)生軟件Vsync信號。計算Vsync事件會根據(jù)不同的Listenr計算不同的時間.
3：DisplaySyncSource是DispSync的監(jiān)聽者，有兩個DisplaySyncSource對象，分別代表SF和APP的DisplaySyncSource，兩個回調(diào)的Vsync時間不同.
4：DisplaySyncSource收到Vsync事件后，會發(fā)給他自己的監(jiān)聽者EventThread
void EventThread::onVSyncEvent(nsecs_t timestamp) {
Mutex::Autolock _l(mLock);
mVSyncEvent[0].header.type = DisplayEventReceiver::DISPLAY_EVENT_VSYNC;
mVSyncEvent[0].header.id = 0;
mVSyncEvent[0].header.timestamp = timestamp;
mVSyncEvent[0].vsync.count++;
mCondition.broadcast();
}
EventThread收到Vsync時間后會存放到mVSyncEvent[0]中，通知EventThread線程進(jìn)行處理。
為什么要有兩個DisplaySyncSource且時間不一樣呢?
具體如上圖所示
App繪制UI, 繪制完成后交給SurfaceFlinger進(jìn)行合成， 所以App繪制時間優(yōu)先于SF合成時間，將兩者時間錯開，避免資源競爭，增加效率。如何APP和SF的偏差時間設(shè)置好的話，APP + SF在一個Vsync周期內(nèi)就可以繪制合成,在下一個Vsync周期到來的時候就可以顯示到屏幕上了。
