instrument实战:iOS的三重缓冲和微型口吃(micro stuttering)

1. 测试代码

Instrument 中的 Display 模块:

instrument-display

iOS 中采用双重缓冲和三重缓冲一起使用,从 display 中就可以看出来。即:双缓冲不够用了就采用三缓冲。

先上测试代码:

事件代码
绘制代码
处理逻辑代码

2. 几种情况分析

首先看看双重缓冲:

双缓冲

如上,此时双缓冲很够用,每次 Vsync 来到之前,上一帧的 frame buffer(apple叫做surface + ID),所以帧率很高,基本在 60 FPS。

其中 frame xxx 表示第几帧。例子中使用的 Layer 来画 Path,Path 不会重新生成,而是一直 addLineTo,所以内容会越来越多:

接着看随着内容的增多增加,进而使用三缓冲:

三缓冲

如上图,出现了 surface 3、41、5 三个缓冲区,且随着 Vsync 信号的到来,在三个 surface 之间切换,这明显是三缓冲策略。

上图可以看到,每次的绘图时间没有明显变长,仍然维持在一个 Vsync 信号间隔之间(16ms),所以 FPS 依然比较高,维持在 60FPS 左右:

耗时

这里的耗时辩证来看,有可能 commit 之后渲染的是上一次 commit 的画面;

来看看之前的双缓冲的情况:

双缓冲

如上图,双缓冲时,从视觉效果上看,渲染时间大概是三分之一个 Vsync 间隔,而三缓冲时,大概是二分之一个 Vsync 间隔,从这里大概可以看出三缓冲是一种补充措施,尽量维持渲染效率。另外,这里涉及到 GPU 复杂的工作原理,单纯的这么分析不一定准确,需要结合实际情况分析。

上述几种情况都是没有掉帧的情况下,接下来看看三缓冲情况下不够用了,出现掉帧的情况:

三缓冲也掉帧的情况

如上图,出现了多个 surface 展示两帧的情况,其原因就是因为 frame buffer 没有渲染完成。所以这种情况下,FPS 基本在 30 左右;

再来看一个严重掉帧的情况:

严重掉帧

如上图,蓝色画面停留了 9 帧,而 commits 频率很正常,耗时也很短,所以这肯定不是 CPU 卡顿。

上图中,和之前明显不一样的地方在于,stutters 中也有了展示,这个词是口吃的意思。难道这就是”微型口吃“?

确实是微型口吃;

3. commit层级

看看之前的双缓冲的情况:

双缓冲

这张图片中, commits 之前就已经渲染完了?显然不是,surface5 显示的是上一帧的画面,第一个 commits 渲染完成的画面由 surface41 展示。

GPU 渲染的规则和机制可能有很多,后期需要深入研究后才能看的更清晰。比如可能 Surface5 已经渲染完成,如果双缓冲够用,那么在展示 Surface5 之前不会开始渲染 Surface41,所以很多地方需要辩证来看;

4. 微型口吃

定义:帧率不一样。某几个画面渲染时间大于显示器的 Vsync 间隔,而其他的画面渲染时间小于 Vsync。即:游戏/app 的帧率(如40FPS/25ms一次) < 显示器帧率(60FPS/16ms)

现象:

微型口吃

帧率表现:

微型口吃表现

原因:FPS虽然高,但是FPS不一致导致人眼视觉上看起来更卡顿。帧率不一致,不平滑是关键;因此,相对而言,此种情况下,帧率不一致比帧率低更显得卡顿。

降低帧率之后

做法,就是使用 Metal 中的 Api 来设置固定的帧率:

保持帧率一直

核心点:在自己 App/游戏的最大能力范围内,保持帧率的一致;

因此,此种方案,帧率从 40FPS 降低到了 30FPS,但是视觉效果上看上去更流畅了。

不使用 Metal 框架时的另外一种做法:

CADisplayLink

但是这种做法需要注意 CPU 的使用,每秒刷新 60 次相当于执行 60 次 commit,如果 commit 阶段占用过多 CPU,那么 CPU 可能会报表。

理想情况:

理想情况

上图是静止画面时做的测试。如果不使用固定刷新频率,那么 FPS 基本上就是 0。而上图就是采用了固定 60hz 的刷新频率。

上图是理想状态下,此时,commits 阶段代码比较简单,将主要渲染流程交给了 Core Animation,进而转嫁到了 GPU,所以 CPU 占用很低。另外,由于画面没有更新,所以 GPU 基本上就是在两个或三个 frame buffer 上来回切换,基本上不占用 GPU,估计就是视频控制器和显示器比较忙活~~~

不理想的情况:

不理想情况

如上图,此时虽然 GPU 占比很低,但是 CPU 长期稳定在 43%,这样还不如不使用这种固定刷新频率的方法,直接不刷新可能会更好。因为不刷新时,如果画面没有发生变化,就不会有 CPU 和 GPU 的消耗。

注意:上述两个例子都是在静止画面的情况下所列举的例子,目的只是加深对固定刷新频率的理解,千万不要无脑直接使用到自己的项目上。

5. 补充

游戏类 App 比较追求帧率,因为游戏即使处于无交互的状态,因为有很多动画,画面也几乎都是在变化的,所以游戏中的帧率是实实在在的画面变化频率。

而普通的 App 在无交互时,大部分情况下只是视频显示器在重复扫描同一个 frame buffer 并将信号传递给显示器进行光学展示。这种固定帧率的方式如果用到普通 App 上,对于静止画面而言,本质上就是让视频控制器改变其 frame buffer 的指向,在两个或多个 frame buffer 之间切换扫描,而这两个 frame buffer 其实都是没有发生变化的,所以更像是一种假象或是模拟刷新的行为。

所以,固定帧率对于游戏 App 而言,是在没办法达到高帧率的情况下的一种折中方案。固定帧率对于普通 App 而言,意义并不大,甚至可能会掩盖问题或引入性能问题。因为普通 App 的渲染瓶颈一般都是在 CPU,或者说是 CPU 和 GPU 之间的负载均衡。

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