前言
正在帶妹子上分的我，團戰又卡了，我該怎麼向妹子解釋？線上等。
“卡”的意思
不管是端遊還是手遊，我們都會時不時遇到“卡”的時候，一般這個卡有兩種含義：
- 掉幀
- 畫面撕裂
那麼問題來了，這些情況到底是什麼原因導致的？又該怎麼解決？
掉幀
首先，要知道幀是什麼，幀率又是什麼。
幀，就是影像動畫中最小單位的單幅影像畫面，相當於電影膠片上的每一格鏡頭。 一幀就是一幅靜止的畫面，連續的幀就形成動畫，如電檢視象等。
幀率（每秒幀數），簡單地說，就是在1秒鐘時間裡傳輸的圖片的幀數，也可以理解為圖形處理器每秒鐘能夠重新整理幾次，通常用fps（Frames Per Second）表示
這下大家應該知道了，幀就是一個靜止畫面，很多個幀一起就組成了視訊、電影、遊戲畫面。
而幀率就是我們遊戲常見到的fps，指一秒鐘繪製出現的幀數，單位為“赫茲”（Hz）。
這裡簡單科普下，一般要求連貫性的話，幀數至少要高於每秒約10至12幀的時候，人眼才會認為是連貫的，此現象叫做“視覺暫留現象”，是由人眼的生物構造決定的。通過這個現象，早期的無聲電影通過手搖驅動，將畫面快速播放，就能讓人感覺在播放完整連續的視訊。
按照我們的認知，這個幀率一般是越大越連貫，就越不卡。但同時，帶來的消耗也就越多，比如電影需要更多的膠捲，電腦需要更好的硬體支援。所以電影一般通用的幀率為24Hz，而電腦、手機一般幀率為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，本來遊戲的fps為60，突然降到了20，也就是一秒只有20幀了，那能不卡嗎？
那麼，掉幀原因到底是啥呢？
其實原因大家都知道，不信你繼續看...
硬體原因
“我這個手機玩遊戲卡死了”
“你那啥破手機啊，趕快換一個～”
這個對話應該時常發生，所以大家也都清楚，硬體的好壞一定程度上決定了玩遊戲“卡不卡”，配置高的硬體玩遊戲就能保證遊戲的流暢。
軟體原因
“你這啥App啊，做的啥遊戲啊，這麼卡，我這手機配置這麼高，就玩你這個卡”
“額，可能是遊戲優化沒做好，”
第二個原因，就是因為遊戲/軟體自身的優化就沒做好，圖片弄的很大，佈局巢狀太深，那麼幀 的計算和渲染就更耗時間，就會有可能導致掉幀。
網路原因
“不行了，太卡了，我這ping都快1000了，怎麼玩啊”
“快換流量啊，團戰要輸了，少個人怎麼打”
對了，第三個原因就是網路原因，這也是最常發生的原因了，網路的波動會影響 畫面 的傳輸，所以就會掉幀。
螢幕重新整理機制
上述三個原因，其實都涉及到螢幕重新整理的基本機制。
在典型的顯示系統中，不管是手機還是電腦，一般都涉及到三個部分：
CPU，中央處理器。用於計算資料，資訊處理。GPU，圖形處理器。用於處理影像圖形，也就是俗稱的顯示卡。display，顯示螢幕。用於展示畫面，也就是我們的手機螢幕、電腦顯示器。
整個顯示過程就是：
CPU計算螢幕需要的資料，然後交給GPU。GPU對影像進行處理繪製，然後存到快取區。display再從這個快取區讀取資料，顯示出來。
每一幀都是重複這個工作，也就是1秒中需要60次這樣迴圈操作，每次操作需要的時間就約等於16.6ms。也就是我們常說的Android系統中，會每隔16.6ms重新整理一次螢幕。
關於螢幕重新整理機制，有一張很經典的圖片：
可以看到，16.6ms一到，系統就傳送了VSync訊號，然後螢幕會從快取區獲取了新的一幀影像並顯示出來，與此同時，CPU也開始了下一幀資料的計算，然後計算好交給GPU，最後放到快取區，等待下一次VSync訊號。
VSync訊號是啥呢？我們暫且按下不表，待會再說，可以先理解它為一種同步重新整理訊號，同步CPU和螢幕。當訊號來的時候，螢幕開始切換畫面，CPU開始下一幀計算。
為了方便理解，我做了個小動畫：
通過上面的解釋，我們知道了一幀顯示的時間是16.6ms，在這個時間內，CPU和GPU必須把資料處理好並放到快取區（buffer）中。
如果在某次的16.6ms中，CPU和GPU沒有繪製好下一幀資料，那麼display就無法更新下一幀資料了，這就是掉幀。
所以才有了以上三個原因會導致掉幀，再來回顧下：
1、硬體原因。硬體比較差也就是CPU和GPU計算不給力，導致一幀的資料沒準備好，所以掉幀。2、軟體原因。在硬體夠用的情況下，App或者遊戲的一幀資料計算繁雜，巢狀太多或者圖太大，也會導致下一幀資料不能在16.6ms中被準備好，導致掉幀。3、網路原因。在硬體軟體都正常情況下，由於網路波動，CPU的計算資料都沒有從網路上獲取到，那麼肯定會導致CPU資料的準備延遲，最終導致掉幀。
那麼掉幀之後，螢幕重新整理機制會怎麼處理後續的幀呢？
- 如果是
遊戲的話，因為即時性比較重要，所以丟失的幀就不會再去管了，而是直接準備當前時間應該顯示的內容，最終顯示到螢幕。所以這種情況掉的幀就真的掉了。 - 如果是
應用的話，可能對資料的完整性比較重要，所以如果第2幀掉了，那麼螢幕就繼續顯示第1幀，而CPU和GPU繼續準備第2幀的資料，如果能在下一個16.6ms內完成第2幀資料，那麼螢幕就會接著顯示第二幀了。比如有時候手機卡的時候，我們去操作App，操作會延遲，就是掉幀了。這種情況幀並不是真的掉了，而是延遲了。
畫面撕裂
接下來就看看畫面撕裂，為什麼一幀中會出現兩幀的畫面呢？
首先理解一個概念：「逐行掃描」
「逐行掃描」就是說，顯示器顯示畫面並不是“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。
之前說了螢幕的資料是從快取區Buffer中取的，如果在螢幕取資料並逐行掃描顯示畫面的過程中，Buffer中的資料變了，那麼就有可能導致畫面撕裂。
最明顯的例子就是：顯示卡的fps是180，而顯示器的fps是60。也就是顯示卡一秒鐘能產生180張畫面，而顯示器一秒鐘只能讀取60張畫面。
那麼顯示器從Buffer中讀取資料逐行掃描的過程中，本來需要1/60 秒顯示完一張畫面，但是在1/180的時間點，顯示卡就把下一張畫面的資料存到Buffer了，結果顯示器的下半截就顯示的是第二張畫面的內容了。也就造成了畫面撕裂。
再來個動畫解釋下：
所以為了防止這種狀況，一般顯示系統會加入一個雙快取+垂直同步的概念：
- 首先，開啟
垂直同步，就會將GPU的fps限制為和顯示器的fps一樣。
系統會在顯示器繪製完一幀之後傳送一個垂直同步訊號，然後CPU和GPU就準備下一幀的內容，等待顯示器下一幀繪製完，又會傳送一個垂直同步訊號。如此反覆，就限制了顯示卡的fps，按照顯示器的標準來繪製影像。
這個垂直同步訊號就叫做 VSync訊號。
玩遊戲的朋友應該都知道，很多遊戲內設定頁都有 垂直同步 的開啟選項，為的就是將顯示卡的fps和顯示器的fps適配，防止畫面撕裂。
- 其次，通過
雙快取保證一幀資料的連貫性。
1、快取區backBuffer用於CPU/GPU圖形處理
2、快取區frameBuffer用於顯示器顯示
這樣分工明確之後，螢幕只會讀取framebuffer的內容，是一幀完整的畫面。而CPU/GPU計算的新一幀內容會放到backbuffer中，不會影響到framebuffer的內容。
只有當螢幕繪製完一幀內容之後，才會將CPU/GPU計算好的新一幀內容也就是backbuffer內容和framebuffer進行交換。
這樣就保證了一幀資料的完整連貫。
這裡的交換其實就是交換記憶體地址，兩塊快取區A和B，A在第一次充當framebuffer的角色，B充當backbuffer的角色。螢幕完成一幀繪製之後，將AB記憶體地址置換。
當新的一輪VSync訊號來的時候，A就充當了backbuffer的角色，而B就變成了framebuffer的角色。
小結：當螢幕掃描完第1幀畫面之後，系統傳送VSync訊號，這時會發生三件事：
- 1、交換兩個快取區（framebuffer、backbuffer）內容。
- 2、顯示器開始顯示第2幀內容，也就是交換後的framebuffer內容。
- 3、CPU/GPU開始計算處理第三幀的內容，並在處理好內容後放到backbuffer中。
再來個動畫：
Android Project Butter（黃油計劃）
問題都解決了嗎？並沒有。
加入VSync訊號之後，掉幀問題變得更嚴重了：
可以發現，加入了VSync訊號後，雖然統一了CPU處理的時間點，但是掉幀問題可能會被再一次放大，從掉一幀直接變成掉兩幀。因為中間的16.6ms被浪費了。
怎麼辦呢？在保留VSync訊號的同時有可能最大利用上CPU/GPU嗎？
三快取來了：
1、快取區backBuffer用於CPU/GPU圖形處理
2、快取區TripleBuffer用於CPU/GPU圖形處理
3、快取區frameBuffer用於顯示器顯示
剛才說的情況導致的原因就是因為在第二個VSync訊號來的時候，因為backBuffer被GPU佔用，所以CPU無法去開始新一幀的計算。
加入了第三個快取區，那麼在第二個VSync訊號來的時候，CPU就可以利用TripleBuffer開始新一幀的計算，而無視正在被GPU佔用的backBuffer。
你可以理解為 CPU、GPU、Display每個人都有一個快取區，這樣三個就能同時做自己的事而互不影響，最大化利用每個模組。
三快取和上面說到的Vsync同步訊號都是 Android 4.1 釋出的一個Project Butter（黃油計劃）中提出的，為的是就是讓Android能讓黃油/奶油般順滑。
最後貼個三快取機制下的重新整理機制圖：
小結
今天瞭解了Android系統的重新整理機制，雖然沒有程式碼，但是面試中也是常常被問到的，再次總結下：
1、為了解決畫面撕裂問題，引入了垂直同步訊號VSync訊號和雙快取。
- 每次VSync訊號到達的時候，螢幕進行畫面切換，
CPU/GPU開始準備下一幀內容。 CPU/GPU每次準備好資料後，放到一個單獨的快取區backBuffer，當螢幕準備好之後，將backBuffer資料和frameBuffer資料交換，螢幕只讀取frameBuffer快取區的資料，保證了資料的完整連續性。
2、為了解決VSync訊號下CPU/GPU無法最大化利用的問題，引入了三快取。
當VSync訊號來的時候，即使GPU還沒處理好上一幀資料，backBuffer還不空閒，但是CPU也可以利用第三個快取區正常開始處理下一幀的資料，最大化利用CPU/GPU，保證垂直同步機制的同時不浪費資源。
3、掉幀的根本原因是因為在一幀時間內（一般為16.6ms），CPU/GPU無法把下一幀的資料準備好。
即使引用了三快取和垂直同步，但是掉幀的情況該發生還是會發生，我們作為App軟體開發者，能做的就是儘可能優化佈局，減少巢狀，減少CPU/GPU計算畫面資料的時間，讓每一幀時間內正常準備好下一幀影像資料。
至於重新整理機制在Android原始碼中到底是怎麼實現的呢？這就涉及到Choreographer類的解析。
參考
螢幕重新整理機制
為什麼【垂直同步】技術往往不被玩家推崇
Android Project Butter分析
FrameBuffer初探
拜拜
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