Android 프레임 동기화 기술: BufferQueue, VSync, Triple Buffering

Android에서 프레임 렌더링은 단순히 GPU에서 그리는 작업으로 끝나지 않습니다. 디스플레이와 GPU 사이의 타이밍을 맞추는 동기화 기술이 반드시 필요합니다. 이를 담당하는 핵심 기술이 VSync, BufferQueue, Triple Buffering입니다.

이 글에서는 이 세 가지 기술이 어떻게 Android의 부드러운 화면 출력과 성능 최적화를 돕는지 알아보겠습니다.

1. VSync (Vertical Synchronization)

• 디스플레이는 보통 초당 60번(60Hz) 화면을 갱신합니다.
• VSync는 GPU가 디스플레이의 새로고침 주기에 맞춰 프레임을 보내도록 강제하는 기술입니다.
• 목적: 티어링(tearing) 현상 방지

Tearing: GPU가 프레임을 디스플레이에 보내는 도중, 디스플레이가 화면을 갱신하면 생기는 찢어진 이미지 현상

VSync 타이밍 흐름

GPU: 프레임 준비 완료
       ↓ (대기)
Display: VSync 신호 발생
       ↓
GPU: 프레임 제출

2. BufferQueue

• Android에서 GPU와 디스플레이 시스템(SurfaceFlinger) 사이의 프레임 버퍼 교환 메커니즘
• 생산자-소비자 모델로 작동:
  • 생산자: 앱 (예: RenderThread, GPU)
  • 소비자: SurfaceFlinger

구성 요소

앱이 프레임을 그리면 dequeueBuffer → GPU가 작성 → queueBuffer → SurfaceFlinger가 읽음

3. Triple Buffering

• 프레임 버퍼를 3개 유지하여 GPU와 디스플레이 간의 동기화 지연을 줄이는 기법
• Double Buffering보다 한 단계 더 유연함

버퍼 상태 예시

[Front Buffer]   → 디스플레이가 읽는 중
[Middle Buffer]  → 다음 프레임 준비 대기 중
[Back Buffer]    → GPU가 현재 그리고 있는 중

이 구조 덕분에:

• GPU가 VSync를 기다리지 않고 계속 작업 가능
• 디스플레이는 가장 마지막으로 완료된 프레임을 안정적으로 표시
• 단점: 메모리 사용량 증가

4. 전체 동작 흐름 요약

[App GPU Rendering]
    ↓   (dequeueBuffer)
[Back Buffer에서 그림]
    ↓   (queueBuffer)
[BufferQueue에 제출]
    ↓   (VSync 타이밍에 따라)
[SurfaceFlinger가 Middle Buffer를 Front로 전환]
    ↓
[디스플레이 출력]

5. 성능 디버깅 도구

결론

• VSync는 디스플레이와 GPU 타이밍 동기화
• BufferQueue는 프레임 전달의 중계자
• Triple Buffering은 지연 없이 렌더링을 이어가기 위한 메커니즘

이러한 동기화 기술 덕분에 Android는 티어링 없는 부드러운 애니메이션을 유지하면서, GPU와 디스플레이 간 효율적인 작업 분할을 수행할 수 있습니다.

다음 글에서는 Frame Skipping, Jank, GPU Overdraw과 같은 성능 저하 요인에 대해 다뤄보겠습니다.