或许是迄今为止第一篇讲解 fps 计算原理的文章吧 | 开发者说·DTalk

本文原作 者:  simowce ，原文发布于微信公众号:  简静慢

https://mp.weixin.qq.com/s/sZ-v3hV7IkBjwFSYzAM3iw

前言

fps，是 frames per second 的简称，也就是我们常说的 "帧率"。在游戏领域中，fps 作为衡量游戏性能的基础指标，对于游戏开发和手机 vendor 厂商都是非常重要的数据，而计算游戏的 fps 也成为日常测试的基本需求。目前市面上有很多工具都能够计算 fps，那么这些工具计算 fps 的方法是什么？原理是什么呢？本文将针对这些问题，深入源码进行分析，力求找到一个详尽的答案 (源码分析基于 Android 10)。

计算方法

目前绝大部分帧率统计软件，在网上能找到的各种统计 fps 的脚本，使用的信息来源有两种: 一种是基于 dumpsys SurfaceFlinger --latency Layer-name (注意是 Layer 名字，不是包名，不是 Activity 名字，至于为什么，下面会解答)；另一种是基于 dumpsys gfxinfo 。其实这两种深究到原理基本上是一致的，本篇文章专注于分析第一种，市面上大部分帧率统计软件用的也是第一种，只不过部分软件为了避免被人反编译看到，将这个计算逻辑封装成 so 库，增加反编译的难度。然而经过验证，这些软件最后都是通过调用上面的命令来计算的 fps 的。

但是这个命令为什么能够计算 fps 呢？先来看这个命令的输出，以王者荣耀为例 (王者荣耀这种游戏类的都是以 SurfaceView 作为控件，因此其 Layer 名字都以 SurfaceView -  打头):

> adb shell dumpsys SurfaceFlinger --latency "SurfaceView - com.tencent.tmgp.sgame/com.tencent.tmgp.sgame.SGameActivity#0"1666666659069638658663  59069678041684  5906965415829859069653090955  59069695022100  5906967089423659069671034444  59069711403455  5906968794986159069688421840  59069728057361  5906970441512159069705420850  59069744773350  5906972076783059069719818975  59069761378975  5906973741600759069736702673  59069778060955  5906975456866359069753361528  59069794716007  5906977076163259069768766371  59069811380486  59069787649600......

输出的这一堆数字究竟是什么意思？首先，第一行的数字是当前的 VSYNC 间隔，单位是纳秒。例如现在的屏幕是 60Hz 的，因此就是 16.6ms，然后下面的一堆数字，总共有 127 行 (为什么是 127 行，下面也会说明)，每一行有 3 个数字，每个数字都是时间戳，单位是纳秒，具体的意义后文会说明。而在计算 fps 的时候，使用的是第二个时间戳。原因同样会在后文进行解答。

fence 简析

后面的原理分析涉及到 fence，但是 fence 囊括的内容众多，因此这里只是对 fence 做一个简单地描述。如果大家感兴趣，后面我会专门给 fence 写一篇详细的说明文章。

fence 是什么

首先得先说明一下 App 绘制的内容是怎么显示到屏幕的:

App 需要显示的内容要绘制在 Buffer 里，而这个 Buffer 是从 BufferQueue 通过  dequeueBuffer()  申请的。申请到 Buffer 以后，App 将内容填充到 Buffer 以后，需要通过  queueBuffer()  将 Buffer 还回去交给 SurfaceFlinger 去进行合成和显示。然后，SurfaceFlinger 要开始合成的时候，需要调用  acquireBuffer()  从 BufferQueue 里面拿一个 Buffer 去合成，合成完以后通过  releaseBuffer()  将 Buffer 还给 BufferQueue，如下图:

BufferQueue

在上面的流程中，其实有一个问题，就是在 App 绘制完通过  queueBuffer()  将 Buffer 还回去的时候，此时仅仅只是 CPU 侧的完成，GPU 侧实际上并没有真正完成。因此如果此时拿这个 Buffer 去进行合成/显示的话，就会有问题 (Buffer 可能还没有完全地绘制完)。

事实上，由于 CPU 和 GPU 之前是异步的，因此我们在代码里面执行一系列的 OpenGL 函数调用的时候，看上去函数已经返回了，实际上，只是把这个命令放在本地的 command buffer 里。具体什么时候这条 GL command 被真正执行完毕 CPU 是不知道的，除非使用  glFinish()  等待这些命令完全执行完，但是这样会带来很严重的性能问题，因为这样会使得 CPU 和 GPU 的并行性完全丧失，CPU 会在 GPU 完成之前一直处于空等的状态。因此，如果能够有一种机制，在不需要对 Buffer 进行读写的时候，大家各干各的；当需要对 Buffer 进行读写的时候，可以知道此时 Buffer 在 GPU 的状态，必要的时候等一下，就不会有上面的问题了。

fence 就是这样的同步机制，如它直译过来的意思一样——"栅栏"，用来把东西拦住。那么 fence 是要拦住什么东西呢？就是前面提到的 Buffer 了。Buffer 在整个绘制、合成、显示的过程中，一直在 CPU，GPU 和 HWC 之前传递，某一方要使用 Buffer 之前，需要检查之前的使用者是否已经移交了 Buffer 的 "使用权"。而这里的 "使用权"，就是 fence。当 fence 释放 (即 signal) 的时候，说明 Buffer 的上一个使用者已经交出了使用权，对于 Buffer 进行操作是安全的。

fence in Code

在 Android 源码里面，fence 的实现总共分为四部分:

• fence driver

  同步的核心实现

• libsync

  位于 system/core/libsync，libsync 的主要作用是对 driver 接口的封装

• Fence 类

  这个 Fence 类位于 frameworks/native/libs/ui/Fence.cpp，主要是对 libsync 进行 C++ 封装，方便 framework 调用

• FenceTime 类

  这个 FenceTime 是一个工具类，是对 Fence 的进一步封装，提供两个主要的接口——isValid() 和 getSignalTime()，主要作用是针对需要多次查询 fence 的释放时间的场景 (通过调用 Fence::getSignalTime() 来查询 fence 的释放时间)。通过对 Fence 进行包裹，当第一次调用 FenceTime::getSignalTime() 的时候，如果 fence 已经释放，那么会将这个 fence 的释放时间缓存起来，然后下次再调用 FenceTime::getSignal() 的时间，就能将缓存起来的释放时间直接返回，从而减少对 Fence::getSignalTime() 不必要的调用 (因为 fence 释放的时间不会改变)。

fence in Android

在 Android 里面，总共有三类 fence —— acquire fence，release fence 和 present fence。其中，acquire fence 和 release fence 隶属于 Layer，present fence 隶属于帧 (即 Layers):

• acquire fence 

  前面提到，App 将 Buffer 通过 queueBuffer() 还给 BufferQueue 的时候，此时该 Buffer 的 GPU 侧其实是还没有完成的，此时会带上一个 fence，这个 fence 就是 acquire fence。当 SurfaceFlinger/ HWC 要读取 Buffer 以进行合成操作的时候，需要等 acquire fence 释放之后才行。

• release fence

  当 App 通过 dequeueBuffer() 从 BufferQueue 申请 Buffer，要对 Buffer 进行绘制的时候，需要保证 HWC 已经不再需要这个 Buffer 了，即需要等 release fence signal 才能对 Buffer 进行写操作。

• present fence

  present fence 在 HWC1 的时候称为 retire fence，在 HWC2 中改名为 present fence。当前帧成功显示到屏幕的时候，present fence 就会 signal。

原理分析

简单版

现在来看一下通过  dumpsys SurfaceFlinger --latency Layer-name  计算 Layer fps 的原理。dumpsys 的调用流程就不赘述了，最终会走到  SurfaceFlinger::doDump() :

status_t SurfaceFlinger::doDump(int fd, const DumpArgs& args,                                bool asProto) NO_THREAD_SAFETY_ANALYSIS {
    ...        static const std::unordered_map<std::string, Dumper> dumpers = {                ......                {"--latency"s, argsDumper(&SurfaceFlinger::dumpStatsLocked)},                ......        };

从这里可以看到，我们在执行 dumpsys SurfaceFlinger 后面加的那些 --xxx 参数最终都会在这里被解析，这里咱们是 --latency，因此看 SurfaceFlinger::dumpStatsLocked:

void SurfaceFlinger::dumpStatsLocked(const DumpArgs& args, std::string& result) const {    StringAppendF(&result, "%" PRId64 "\n", getVsyncPeriod());
    if (args.size() > 1) {        const auto name = String8(args[1]);        mCurrentState.traverseInZOrder([&](Layer* layer) {            if (name == layer->getName()) {                layer->dumpFrameStats(result);            }        });    } else {        mAnimFrameTracker.dumpStats(result);    }}

从这里就能够看到，这里先会打印当前的 VSYNC 间隔，然后遍历当前的 Layer，然后逐个比较 Layer 的名字，如果跟传进来的参数一致的话，那么就会开始 dump layer 的信息；否则命令就结束了。因此，很多人会遇到这个问题:

❔ 为什么执行了这个命令却只打印出一个数字？  

  ✔ 其实这个时候您应该去检查您的 Layer 参数是否正确。

接下来 layer->dumpFrameStats() 会去调 FrameTrack::dumpStats():

void FrameTracker::dumpStats(std::string& result) const {    Mutex::Autolock lock(mMutex);    processFencesLocked();
    const size_t o = mOffset;    for (size_t i = 1; i < NUM_FRAME_RECORDS; i++) {        const size_t index = (o+i) % NUM_FRAME_RECORDS;        base::StringAppendF(&result, "%" PRId64 "\t%" PRId64 "\t%" PRId64 "\n",                            mFrameRecords[index].desiredPresentTime,                            mFrameRecords[index].actualPresentTime,                            mFrameRecords[index].frameReadyTime);    }    result.append("\n");}

‍

NUM_FRAME_RECORDS 被定义为 128，因此输出的数组有 127 个。每组分别有三个数字—— desiredPresentTime，actualPresentTime，frameReadyTime，每个数字的意义分别是：

• desiredPresentTime

  下一个 HW-VSYNC 的时间戳

• actualPresentTime

  retire fence signal 的时间戳

• frameReadyTime

  acquire fence signal 的时间戳

结合前面对 present fence 的描述就可以看出  dumpsys SurfaceFlinger --latency  计算 fps 的原理:

从 dumpsys SurfaceFlinger --latency 获取到最新 127 帧的 present fence 的 signal time，结合前面对于 present fence 的说明，当某帧 present fence 被 signal 的时候，说明这一帧已经被显示到屏幕上了。因此，我们可以通过判断一秒内有多少个 present fence signal 了，来反推出一秒内有多少帧被刷到屏幕上，从而计算出 fps。

复杂版

我们已经知道了 fps 计算的原理了，但是呢，小朋友，你是否有很多问号？

• 这个 actualPresentTime 是从哪来的？

• 假设要统计 fps 的 Layer 没有更新，但是别的 Layer 更新了，这种情况下 present fence 也会正常 signal，那这样计算出来的 fps 是不是不准啊？

为了解答这些问题，我们还得接着看。

前面已经提到计算 fps 的时候使用的是第二个数值，因此后面的文章着重分析这个  actualPresentTime 。那么  actualPresentTime  是在哪里赋值的呢？实际赋值的位置是在  FrameTracker::dumpStats()  调用的一个子函数—— processFencesLocked() :

void FrameTracker::processFencesLocked() const {    FrameRecord* records = const_cast<FrameRecord*>(mFrameRecords);    int& numFences = const_cast<int&>(mNumFences);
    for (int i = 1; i < NUM_FRAME_RECORDS && numFences > 0; i++) {        size_t idx = (mOffset+NUM_FRAME_RECORDS-i) % NUM_FRAME_RECORDS;        ...        const std::shared_ptr<FenceTime>& pfence =                records[idx].actualPresentFence;        if (pfence != nullptr) {            // actualPresentTime 是在这里赋值的            records[idx].actualPresentTime = pfence->getSignalTime();            if (records[idx].actualPresentTime < INT64_MAX) {                records[idx].actualPresentFence = nullptr;                numFences--;                updated = true;            }        }        ......

其中， FrameRecord  的完整定义如下:

struct FrameRecord {     FrameRecord() :         desiredPresentTime(0),         frameReadyTime(0),         actualPresentTime(0) {}     nsecs_t desiredPresentTime;     nsecs_t frameReadyTime;     nsecs_t actualPresentTime;     std::shared_ptr<FenceTime> frameReadyFence;     std::shared_ptr<FenceTime> actualPresentFence;};

从上面的代码可以看出，actualPresentTime 是调用 actualPresentFence 的 getSignalTime() 赋值的。而 actualPresentFence 是通过 setActualPresentFence() 赋值的:

void FrameTracker::setActualPresentFence(        std::shared_ptr<FenceTime>&& readyFence) {    Mutex::Autolock lock(mMutex);    mFrameRecords[mOffset].actualPresentFence = std::move(readyFence);    mNumFences++;}

setActualPresentFence() 又是经过下面的调用流程最终被调用的:

SurfaceFlinger::postComposition()  \_ BufferLayer::onPostCompostion()

这里重点看一下 SurfaceFlinger::postComposition():

void SurfaceFlinger::postComposition(){    ......    mDrawingState.traverseInZOrder([&](Layer* layer) {        bool frameLatched =                layer->onPostComposition(displayDevice->getId(), glCompositionDoneFenceTime,                                         presentFenceTime, compositorTiming);    ......

回忆一下我们前面的问题:

❔ 假设要统计 fps 的 Layer 没有更新，但是别的 Layer 更新了，这种情况下 present fence 也会正常 signal，那这样计算出来的 fps 是不是不准啊？

答案就在 mDrawingState，在 Surfacelinger 中有两个用来记录当前系统中 Layers 状态的全局变量:

• mDrawingState

  mDrawingState 代表的是上次 "drawing" 时候的状态

• mCurrentState

  mCurrentState 代表的是当前的状态因此，如果当前 Layer 没有更新，那么是不会被记录到 mDrawingState 里的，因此这一次的 present fence 也就不会被记录到该 Layer 的 FrameTracker 里的 actualPresentTime 了。

再说回来，SurfaceFlinger::postComposition() 是 SurfaceFlinger 合成的最后阶段。presentFenceTime 就是前面的 readyFence 参数了，它是在这里被赋值的:

mPreviousPresentFences[0] = mActiveVsyncSource        ? getHwComposer().getPresentFence(*mActiveVsyncSource->getId())        : Fence::NO_FENCE;auto presentFenceTime = std::make_shared<FenceTime>(mPreviousPresentFences[0]);

而 getPresentFence() 这个函数，就把这个流程转移到了 HWC 了:

sp<Fence> HWComposer::getPresentFence(DisplayId displayId) const {    RETURN_IF_INVALID_DISPLAY(displayId, Fence::NO_FENCE);    return mDisplayData.at(displayId).lastPresentFence;}

至此，我们一路辗转，终于找到了这个 present fence 的真身，只不过这里它还蒙着一层面纱，我们需要在看一下这个 lastPresentFence 是在哪里赋值的，这里按照不同的合成方式位置有所不同:

DEVICE 合成

DEVICE 合成的 lastPresentFence 是在 HWComposer::prepare() 里赋值:

status_t HWComposer::prepare(DisplayId displayId, const compositionengine::Output& output) {    ......    if (!displayData.hasClientComposition) {        sp<Fence> outPresentFence;        uint32_t state = UINT32_MAX;        error = hwcDisplay->presentOrValidate(&numTypes, &numRequests, &outPresentFence , &state);        if (error != HWC2::Error::HasChanges) {            RETURN_IF_HWC_ERROR_FOR("presentOrValidate", error, displayId, UNKNOWN_ERROR);        }        if (state == 1) { //Present Succeeded.            ......            displayData.lastPresentFence = outPresentFence;

经常看 systrace 的同学对这个函数绝对不会陌生，就是 systrace 里面 SurfaceFlinger 的那个  prepare() :

Systrace 中的 prepare

这个函数非常重要，它通过一系列的调用:

HWComposer::prepare()  \_ Display::presentOrValidate()       \_ Composer::presentOrValidateDisplay()            \_ CommandWriter::presentOrvalidateDisplay()

最终通过 HwBinder 通知 HWC 的 Server 端开始进行 DEVICE 合成，Server 端在收到 Client 端的请求以后，会返回给 Client 端一个 present fence (时刻记住，fence 用于跨环境的同步，例如这里就是 Surfacelinger 和 HWC 之间的同步)。然后当下一个 HW-VSYNC 来的时候，会将合成好的内容显示到屏幕上并且将该 present fence signal，标志着这一帧已经显示在屏幕上了。

GPU 合成

GPU 合成的 lastPresentFence 是在 presentAndGetPresentFences() 里赋值:

status_t HWComposer::presentAndGetReleaseFences(DisplayId displayId) {    ......    displayData.lastPresentFence = Fence::NO_FENCE;    auto error = hwcDisplay->present(&displayData.lastPresentFence);

后面的流程就跟 DEVICE 合成类似了， Display::present()  最终也会经过一系列的调用，通过 HwBinder 通知 HWC 的 Server 端，调用  presentDisplay()  将合成好的内容显示到屏幕上。

总结

说了这么多，一句话总结计算一个 App 的 fps 的原理就是:

统计在一秒内该 App 往屏幕刷了多少帧，而在 Android 的世界里，每一帧显示到屏幕的标志是: present fence signal 了，因此计算 App 的 fps 就可以转换为: 一秒内 App 的 Layer 有多少个有效 present fence signal 了 (这里有效 present fence 是指，在本次 VSYNC 中该 Layer 有更新的 present fence)。

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