VSync — 是什么、工作原理及配置

什么是 VSync

VSync（垂直同步）——一种硬件-软件机制，强制 GPU 在显示新帧之前等待垂直消隐信号（VBlank）。没有 VSync，GPU 可以随时发送帧，即使显示器正在渲染当前帧，这会导致沿水平线的图像撕裂。

在 移动设备 上，VSync 在图形驱动程序和操作系统级别实现。iOS 通过 Metal 使用 VBlank 同步，Android 通过 SurfaceFlinger 和 BufferQueue 实现。启用垂直同步后，应用程序的 FPS 不能超过显示器的刷新率——60、90 或 120 Hz，具体取决于设备型号。

垂直同步 一词源于 CRT 显示器的工作机制，其中电子束从上到下逐行绘制图像。帧完成后，电子束返回到左上角——这一刻称为垂直消隐。现代 LCD 和 OLED 显示器保留了这一术语，尽管物理工作原理不同。

垂直同步如何工作

GPU 在后缓冲区中渲染帧，而显示器从前缓冲区读取。VSync 确保缓冲区交换仅在 VBlank 时刻发生——当显示器已完成当前帧的显示并准备好显示下一帧时。这种机制称为通过 VBlank 同步的 双缓冲。

双缓冲机制

双缓冲 使用两个缓冲区：前缓冲区（显示在屏幕上）和后缓冲区（GPU 将当前帧写入此处）。当帧准备好时，缓冲区交换位置。启用 VSync 后，此交换会延迟到最近的 VBlank。如果帧在 VBlank 之前准备好，GPU 将保持空闲，这会降低性能但消除撕裂。

// OpenGL — 通过 WGL_EXT_swap_control 启用 VSync
HDC hdc = wglGetCurrentDC();
PFNWGLSWAPINTERVALEXTPROC wglSwapIntervalEXT =
    reinterpret_cast<PFNWGLSWAPINTERVALEXTPROC>(
        wglGetProcAddress("wglSwapIntervalEXT"));
wglSwapIntervalEXT(1); // 1 = VSync 启用，0 = 禁用

VBlank 等待时间

VBlank — 当前帧的最后一行与下一帧的第一行之间的短时间间隔。此时，显示器不会更新像素，缓冲区交换不会产生伪影。VBlank 的持续时间取决于刷新率：在 1080p 显示器上以 60 Hz 运行时，VBlank 持续约 1.4 ms。如果 GPU 未能在 VBlank 之前完成渲染，则该帧将被跳过，显示器再显示前一帧一个周期——这会被感知为卡顿（stutter）。

三缓冲 通过添加第三个缓冲区解决了 GPU 空闲的问题。即使其中一个后缓冲区正在等待 VBlank，GPU 也可以立即开始渲染下一帧。这提高了 VSync 下的 FPS，但增加了一个额外的帧延迟。在移动设备上，三缓冲用于某些游戏引擎和 Vulkan 的 Mailbox 模式中。

没有 VSync 的主要问题

关闭 VSync 可提供最大 FPS 和最小输入延迟，但代价是视觉伪影。对于移动游戏和具有流畅动画的应用程序，在 VSync 和关闭它之间的选择是图像清晰度和控制响应性之间的折衷。

屏幕撕裂（Screen Tearing）

屏幕撕裂——一种水平撕裂，其中屏幕的上半部分显示前一帧，而下半部分已经显示下一帧。当 GPU 在显示器扫描周期的中间交换缓冲区时，就会发生这种情况。在移动设备上，快速滚动或高帧率的动态场景中，撕裂尤其明显。具有即时响应的 OLED 显示器 使撕裂与 LCD 相比更具对比度。

撕裂的强度取决于 FPS 与刷新率的比率。在 60 Hz 屏幕上以 60 FPS 运行时，撕裂表现为一条静态线，而在 60 Hz 上以 300 FPS 运行时，则表现为从上到下移动的多条波浪状撕裂。FPS 相对于刷新率越高，撕裂越多，且越明显。

输入延迟（Input Lag）

输入延迟 VSync——按下按钮与在屏幕上显示结果之间的延迟。垂直同步平均增加一帧延迟（60 Hz 下为 16.7 ms），三缓冲时则最多增加两帧。对于休闲应用程序，这种延迟是注意不到的，但对于射击游戏、格斗游戏和节奏游戏来说，这是关键的：专业人士甚至能察觉到 8 ms 的延迟。

根据 NVIDIA（2024） 的研究，CS:GO 中 60 FPS 时无 VSync 的平均输入延迟为 22 ms，有 VSync 时为 39 ms。在 144 FPS 时，差异分别减少到 14 和 18 ms。在移动平台上，VSync 的输入延迟不那么关键，因为触摸输入的触控屏硬件延迟（10–30 ms）掩盖了额外的同步延迟。

移动开发中的 VSync 配置

在 移动开发 中，VSync 通过图形 API、游戏引擎和操作系统系统设置进行管理。iOS 提供的控制较少，Android 通过 Vulkan 和 OpenGL ES 提供更多控制。模式的选择取决于应用程序类型：游戏、UI 或视频。

Unity 和 Unreal Engine 中的 VSync

Unity 使用 QualitySettings.vSyncCount 设置：0 — 关闭，1 — 每个 VBlank 时 VSync，2 — 每隔一个（FPS 减半）。在 Unreal Engine 中，VSync 通过控制台命令 r.VSync 和 DefaultEngine.ini 进行管理。对于移动版本，建议在 Unity 中关闭 VSync 并使用自己的 FPS 限制器，因为 Android SurfaceFlinger 中的内置 VSync 可能会产生不可预测的延迟。

// Unity — VSync 和 FPS 管理
void Awake()
{
    // 0 = VSync 禁用，1 = VSync 启用
    QualitySettings.vSyncCount = 0;
    // 用自定义 FPS 限制器替代 VSync
    Application.targetFrameRate = 60;
}

Vulkan 和 Metal 中的 VSync

Vulkan 通过 VkSwapchainPresentInfo 和 presentMode 提供完全控制：VK_PRESENT_MODE_FIFO_KHR — 经典 VSync，VK_PRESENT_MODE_MAILBOX_KHR — 无需等待的三缓冲，VK_PRESENT_MODE_IMMEDIATE_KHR — 无同步。iOS 中的 Metal 通过 CAMetalLayer.displaySyncEnabled 管理 VSync。从 iOS 14 开始，Apple 建议默认对所有应用程序使用 displaySyncEnabled = true，但带有街机控制的游戏除外。

无 VSync 的 FPS 限制

FPS 限制器——VSync 的替代方案，应用程序通过编程方式限制帧率，而无需等待 VBlank。这种方法提供可预测的延迟，并且不依赖于显示器的刷新率。在 Android 上，FPS 限制通过 Choreographer 实现，在 iOS 上——通过 CADisplayLink 手动控制输出时间实现。

VSync 与现代同步技术

传统 VSync 有一个根本性缺点：它依赖于固定的显示器刷新率。如果 GPU 在 60 Hz 屏幕上产生 45 FPS，VSync 无法显示 45 帧——它会显示 30（跳过每个第二个 VBlank）或以不均匀的间隔在 60 和 30 之间交替。这会产生卡顿（stutter），这比撕裂更破坏游戏体验。

自适应同步（FreeSync、G-Sync、Apple ProMotion）通过根据应用程序的 FPS 动态改变显示器刷新率来解决这个问题。如果应用程序产生 47 FPS，显示器切换到 47 Hz——每帧精确显示一次，没有撕裂和卡顿。iOS 中的 ProMotion 自动选择 24 到 120 Hz 的频率，平衡流畅度和功耗。

在移动设备上，自适应同步正在成为标准：配备 ProMotion 的 iPad Pro（2017+）、配备 LTPO 显示屏的 Android 旗舰手机（Samsung Galaxy S23 Ultra、Google Pixel 8 Pro）支持 1 到 120 Hz 的动态刷新率。对于开发人员来说，这意味着传统意义上的 VSync 被系统管理取代——只需设置 targetFrameRate，操作系统就会自动调整刷新率，以实现流畅度和电池续航时间的最佳平衡。