SwapBuffers的等待,虚伪的FPS（转）

FPS在实时渲染中扮演着一个重要的角色，也许你会去笑一个不懂FPS是什么的游戏新手，但也许，这只是五十步笑一百步罢了。你能读懂SwapBuffers的深情等待吗？——ZwqXin.com

frames per second（FPS,
帧率），作为渲染效率的一种衡量，反映的是整个程序在当前的一个渲染状态下平均每秒所能容纳的“渲染循环”执行次数，也表征了平均每个“渲染循环”（帧）
所用的时间。就表面来看，很多人觉得只要在一个每帧运行一次的函数内设置一个计数器，这样计算出一秒内的记数，便可作为该1s瞬间的FPS了；同样也很容
易能求出平均FPS。

我一直都是这么做的。但是我一直以来有个难解的地方：为什么我的程序的FPS基本不会大于75呢？恩，以前做的DEMO，如果是有计算FPS的，都是这
样：场景复杂的时候它可以降低到1或者直接0掉，但是对于简单的场景它永远只有72左右的FPS；再简单，也是72左右；再再简单，还是72左右……可以
说是“封顶”了。今天我（终于？）想要弄清楚是什么原因了，有以下可能：1.所用的程序框架的某处给它限FPS了；2.初始化过程中沾染了些什么会约束渲
染效率的东西；3.渲染循环体内有一个“每个程序都会用到的函数”是“每个程序的瓶颈”，4.FPS计算的算法有问题；5.其他（啥？）。

于是我把整个渲染流程核查一次，先把消息处理和循环部分弄成一般WIN32的形式，貌似无关……然后又检查像素格式，直接把最佳像素格式设置为10，（某
些程序DEMO中设计者会轮巡所有像素格式找出最佳匹配的，于是我也容易知道对我最“友好”的像素格式是10号……）貌似也没啥。另外，检查FPS计算的
式子，没发现异常。我又把渲染函数RenderGLScene内的东西一个个注释……才发现，只有当我注释了SwapBuffers时，屏幕显示死掉了，
但FPS上到了3000以上……对比72的FPS我还是比较相信这个——所以，是双缓冲的关系么。在像素设置中改像素描述器的
PFD_DOUBLEBUFFER为PFD_SWAP_COPY、PFD_SWAP_EXCHANGE之类的，这下FPS也是很高，但是屏幕猛闪~ - -
。google吧，步小心发现了一个东西：vsync。诶？甘熟噶？

在学Irrlicht引擎的时候，建立DEVICE的时候有一个参数选项：vsync，vertical
syncronisation，API解释得不清楚，就知道跟屏幕有关……屏幕？屏幕刷新率？我突然想起我做图像处理的WIN32程序时的一个窘
况：release出来的程序在人家面前演示，发现图片/视频出不来，后来明白是屏幕刷新率的问题——屏幕刷新率太高会把WIN32循环对屏幕窗口所做的
东西“消灭”掉。那么，这里呢？好，我去看文章了：vertical syncronisation。

垂直同步。原来，程序每一帧的函数全部执行完之后，还要等屏幕刷新了才去执行下一帧啊！一查屏幕刷新率——难怪是72左右呀，正因为偶电脑上设置的屏幕刷
新率是72！恩，这里头肯定有个像sleep那样有等待功能的函数做帮凶——噢，亲爱的SwapBuffers，是你呀~

曾经有人说SwapBuffers比glut库的glutSwapBuffers效率低不少（见这里），但这里不是这个问题。无论是
SwapBuffers还是glutSwapBuffers还是wglSwapBuffers，它们位于渲染体的末端，都有这么个“功能”：当显卡的垂直
同步功能vsyn被置为TRUE时，每一帧渲染完后来到SwapBuffers，都要悲情地等待下一次屏幕刷新的时刻到来，再交换前后缓冲并开始执行下一
帧……上面那篇文章用到了WGL_EXT_swap_control扩展，利用wglSwapIntervalEXT来设置“等待的间隔”。间隔是指一个
屏幕刷新的周期，譬如屏幕刷新率是72Hz，那么一个周期就是（1/72）s，
wglSwapIntervalEXT（1）表明要让SwapBuffers类函数开始执行后要等到下一个屏幕刷新时才返回——然后继续下一帧的执行。
wglSwapIntervalEXT（2）就是等下个再下个屏幕刷新了。这么说，wglSwapIntervalEXT（0），哈，就是不用等——关闭
垂直同步Vsync。

这里安插一个问题，那么如果程序完成一帧本来就可能大于这个屏幕刷新间隔（1/72s）呢？譬如设开始时刻屏幕刚刷新而某帧也同时开始，均设为0，那么程
序的函数集将在第一次刷新之后才完结，进入SwapBuffers。如果没理解错，按照该扩展的spec[EXT_swap_control]所说的话，
之后这个SwapBuffers要一直等待到第二次刷新才返回并交换前后缓冲，开始第二帧——即相当于一帧的“理论的完结”需要两个刷新周期（2/72s
=
1/36s），就是说一帧用时稍微比屏幕刷新周期长一点点，也会导致FPS减小一半……而实际上这种不连续性在我以前的“低帧率”程序中没有体现过。究竟
是怎样的呢？留个疑问。

在我的程序中应用此拓展，在程序初始化阶段就关闭Vsync。哈，很高的FPS。文章vertical syncronisation末尾也提供了该作者写的helper类，很容易理解和应用。好了，这样……等待的结束？还没呢——虚伪的FPS。

是的，这个FPS很虚伪。不是说它太高了（因为我本身对这种大数值的没概念），而是它本身就不是FPS，它不符合我们所想的FPS概念（本文开始处）。更确切点，以上所说的“帧”的概念与FPS中的帧的概念不一样。

我们调用函数控制GPU做事，并不是CPU上这种步步执行-返回-下句的形式。我们是按顺序把函数一个一个（作为地址）输送到显卡某个缓存区内，积累一定
量后再让显卡按此顺序执行。所以，代码的执行完成并不代表显卡上相应的硬件功能执行完成。（其实要是显卡看一个执行一个，流水线不就坏掉了么。）也就这个
原因，可以认为两者是不同步的，有延误等等。那么之前讨论中提及的“帧”就是前者的完成时间，而我们最想要的应该是后者的完成时间——包括CPU向GPU
传递函数所用时间和GPU上实际执行函数功能的用时，可以想象两者应该有很大部分的用时是互相重合的，且后者无论如何还是会在函数全部传递完成后仍然需要
额外时间来完成。这部分额外时间取决于之前传入的是哪类函数、GPU具体执行的是什么功能——如果直接关掉垂直同步Vsync得出FPS，这个FPS就没
有包含这些额外的处理时间，仅仅最多能表示两个U之间数据传输的速度。

所以要让FPS反映真实的每帧——包括数据传输和实际执行、绘图——的用时的话，不能用此法。在glut 教學 - 計算
frame rate 的正確方法 ——
程序设计俱乐部一文中，作者ma_hty(白老鼠(Gary))提供了一种方法，在计算帧率时，用glFinish代替SwapBuffers。它没有
SwapBuffers那种等待的耐心，强制告诉程序和GPU：要结束了，快把剩余的所有函数指令执行完，然后换下一帧。这样的一帧正是“帧”的正确含
义。但是这样将失去双缓冲，屏幕是不会正常显示绘制的东西的，所以不可能用做实时的FPS计算，只用于某时刻用一下，指示当前的真实FPS。

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原文地址：http://www.zwqxin.com/archives/opengl/swapbuffers-fps-vsync.html