【轉】雙緩沖(Double Buffer)原理和使用

原文出自：http://blog.csdn.net/xiaohui_hubei/article/details/16319249

一、雙緩沖作用

     

     雙緩沖甚至是多緩沖，在許多情況下都很有用。一般需要使用雙緩沖區的地方都是由於“生產者”和“消費者”供需不一致所造成的。這樣的情況在很多地方后可能會發生，使用多緩沖可以很好的解決。我舉幾個常見的例子：

 

     例 1. 在網絡傳輸過程中數據的接收，有時可能數據來的太快來不及接收導致數據丟失。這是由於“發送者”和“接收者”速度不一致所致，在他們之間安排一個或多個緩沖區來存放來不及接收的數據，讓速度較慢的“接收者”可以慢慢地取完數據不至於丟失。

 

      例2. 再如，計算機中的三級緩存結構：外存（硬盤）、內存、高速緩存（介於CPU和內存之間，可能由多級）。從左到右他們的存儲容量不斷減小，但速度不斷提升，當然價格也是越來越貴。作為“生產者”的 CPU 處理速度很快，而內存存取速度相對CPU較慢，如果直接在內存中存取數據，他們的速度不一致會導致 CPU  能力下降。因此在他們之間又增加的高速緩存來作為緩沖區平衡二者速度上的差異。

 

      例3. 在圖形圖像顯示過程中，計算機從顯示緩沖區取數據然后顯示，很多圖形的操作都很復雜需要大量的計算，很難訪問一次顯示緩沖區就能寫入待顯示的完整圖形數據，通常需要多次訪問顯示緩沖區，每次訪問時寫入最新計算的圖形數據。而這樣造成的后果是一個需要復雜計算的圖形，你看到的效果可能是一部分一部分地顯示出來的，造成很大的閃爍不連貫。而使用雙緩沖，可以使你先將計算的中間結果存放在另一個緩沖區中，但全部的計算結束，該緩沖區已經存儲了完整的圖形之后，再將該緩沖區的圖形數據一次性復制到顯示緩沖區。

 

      例1 中使用雙緩沖是為了防止數據丟失，例2 中使用雙緩沖是為了提高 CPU 的處理效率，而例3使用雙緩沖是為了防止顯示圖形時的閃爍延遲等不良體驗。

 

二、雙緩沖原理

 

     這里，主要以雙緩沖在圖形圖像顯示中的應用做說明。  

     

    上面例3中提到了雙緩沖的主要原理，這里通過一個圖再次理解一下：

    圖 1  雙緩沖示意圖

 

     注意，顯示緩沖區是和顯示器一起的，顯示器只負責從顯示緩沖區取數據顯示。我們通常所說的在顯示器上畫一條直線，其實就是往該顯示緩沖區中寫入數據。顯示器通過不斷的刷新（從顯示緩沖區取數據），從而使顯示緩沖區中數據的改變及時的反映到顯示器上。

 

     這也是顯示復雜圖形時造成閃爍的原因，比如你現在要顯示從屏幕中心向外發射的一簇射線，你開始編寫代碼用一個循環從0度開始到360度，每隔一定角度畫一條從圓心開始向外的直線。你每次畫線其實是往顯示緩沖區寫入數據，如果你還沒有畫完，顯示器就從顯示緩沖區取數據顯示圖形，此時你看到的是一個不完整的圖形，然后你繼續畫線，等到顯示器再次取顯示緩沖區數據顯示時，圖形比上次完整了一些，依次下去直到顯示完整的圖形。你看到圖形不是一次性完整地顯示出來，而是每次顯示一部分，從而造成閃爍。

 

     原理懂了，看下 demo 就知道怎么用了。下面先介紹 Win32 API 和 C# 中如何使用雙緩沖，其他環境下由於沒有用到所以沒寫，等用到了再在下面補充，不過其他環境下 過程也基本相似。

 

三、雙緩沖使用 （Win32 版本）

    

LRESULT CALLBACK WndProc(HWND hWnd, UINT message, WPARAM wParam, LPARAM lParam)
{
    HDC hDC, hDCMem;
    HBITMAP hBmpMem, hPreBmp;
    switch (message)
    {
    case WM_PAINT:
        hDC = BeginPaint(hWnd, &ps);

        /* 創建雙緩沖區 */
        // 創建與當前DC兼容的內存DC
        hDCMem = CreateCompatibleDC(hDC);
        // 創建一塊指定大小的位圖
        hBmpMem = CreateCompatibleBitmap(hDC, rect.right, rect.bottom);
        // 將該位圖選入到內存DC中，默認是全黑色的
        hPreBmp = SelectObject(hDCMem, hMemBmp);

        /* 在雙緩沖中繪圖 */
        // 加載背景位圖
        hBkBmp = LoadBitmap(hInst, MAKEINTRESOURCE(IDB_BITMAP1));
        hBrush = CreatePatternBrush(hBkBmp);
        GetClientRect(hWnd, &rect);
        FillRect(hDCMem, &rect, hBrush);
        DeleteObject(hBrush);

        /* 將雙緩沖區圖像復制到顯示緩沖區 */
        BitBlt(hDC, 0, 0, rect.right, rect.bottom, hDCMem, 0, 0, SRCCOPY);

        /* 釋放資源 */
        SelectObject(hDCMem, hPreBmp);
        DeleteObject(hMemBmp);
        DeleteDC(hDCMem);
        EndPaint(hWnd, &ps);
        break;
    }
}

LRESULT CALLBACK WndProc(HWND hWnd, UINT message, WPARAM wParam, LPARAM lParam)
{
    HDC hDC, hDCMem;
    HBITMAP hBmpMem, hPreBmp;
    switch (message)
    {
    case WM_PAINT:
        hDC = BeginPaint(hWnd, &ps);

        /* 創建雙緩沖區 */
        // 創建與當前DC兼容的內存DC
        hDCMem = CreateCompatibleDC(hDC);
        // 創建一塊指定大小的位圖
        hBmpMem = CreateCompatibleBitmap(hDC, rect.right, rect.bottom);
        // 將該位圖選入到內存DC中，默認是全黑色的
        hPreBmp = SelectObject(hDCMem, hMemBmp);

        /* 在雙緩沖中繪圖 */
        // 加載背景位圖
        hBkBmp = LoadBitmap(hInst, MAKEINTRESOURCE(IDB_BITMAP1));
        hBrush = CreatePatternBrush(hBkBmp);
        GetClientRect(hWnd, &rect);
        FillRect(hDCMem, &rect, hBrush);
        DeleteObject(hBrush);

        /* 將雙緩沖區圖像復制到顯示緩沖區 */
        BitBlt(hDC, 0, 0, rect.right, rect.bottom, hDCMem, 0, 0, SRCCOPY);

        /* 釋放資源 */
        SelectObject(hDCMem, hPreBmp);
        DeleteObject(hMemBmp);
        DeleteDC(hDCMem);
        EndPaint(hWnd, &ps);
        break;
    }
}

LRESULT CALLBACK WndProc(HWND hWnd, UINT message, WPARAM wParam, LPARAM lParam)
{
	HDC hDC, hDCMem;
	HBITMAP hBmpMem, hPreBmp;
	switch (message)
	{
	case WM_PAINT:
		hDC = BeginPaint(hWnd, &ps);
		
		/* 創建雙緩沖區 */
		// 創建與當前DC兼容的內存DC
		hDCMem = CreateCompatibleDC(hDC);		
		// 創建一塊指定大小的位圖
		hBmpMem = CreateCompatibleBitmap(hDC, rect.right, rect.bottom);		
		// 將該位圖選入到內存DC中，默認是全黑色的
		hPreBmp = SelectObject(hDCMem, hMemBmp);	
		
		/* 在雙緩沖中繪圖 */
		// 加載背景位圖
		hBkBmp = LoadBitmap(hInst, MAKEINTRESOURCE(IDB_BITMAP1));	
		hBrush = CreatePatternBrush(hBkBmp);
		GetClientRect(hWnd, &rect);
		FillRect(hDCMem, &rect, hBrush);
		DeleteObject(hBrush);
		
		/* 將雙緩沖區圖像復制到顯示緩沖區 */
		BitBlt(hDC, 0, 0, rect.right, rect.bottom, hDCMem, 0, 0, SRCCOPY);
		
		/* 釋放資源 */
		SelectObject(hDCMem, hPreBmp);
		DeleteObject(hMemBmp);
		DeleteDC(hDCMem);
		EndPaint(hWnd, &ps);
		break;
	}
}

    使用 Win32 版本時注意釋放資源，釋放順序與創建順序相反。我在使用過程中不小心遺漏了一句上面的 "DeleteObject(hMemBmp);"導致圖形顯示一段時間后就卡死了，查看內存使用發現內存隨時間推移飆升，加上上面這句代碼后，就沒這個問題了。這也再次提醒我們釋放資源是多么重要，成對編程的習慣是多么重要。

 

圖 2  處理幾次WM_PAINT消息后內存變化圖

 

     在使用過程中，如果想更新使用雙緩沖區顯示的區域，可以使用 InvalidateRect(hWnd, &rect, FALSE); ，這里要注意第三個參數一定要設置成 FALSE ，第三個參數表示更新第二個參數指定的區域時是否擦除背景，因為使用雙緩沖技術時是直接復制整個緩沖區數據到顯示緩沖區，因此無論原有緩沖區里面有什么都會被覆蓋，因此第三個參數設置成   FALSE 有助於提高新能。更主要的原因是，如果先擦除原有緩沖區，會導致中間有一瞬間顯示緩沖區被清空（顯示為默認背景色），然后等到復制了雙緩沖區的數據后再顯示新的圖像，這將導致閃爍！這與使用雙緩沖的本意相違背，所以要注意這一點。

 

四、雙緩沖使用 （C# 版本）

 

public void Show(System.Windows.Forms.Control control)
{
    Graphics gc = control.CreateGraphics();
    // 創建緩沖圖形上下文 （類似 Win32 中的CreateCompatibleDC）
    BufferedGraphicsContext dc = new BufferedGraphicsContext();
    // 創建指定大小緩沖區 （類似 Win32 中的 CreateCompatibleBitmap）
    BufferedGraphics backBuffer = dc.Allocate(gc, new Rectangle(new Point(0, 0), control.Size));

    /* 像使用一般的 Graphics 一樣繪圖 */
    Pen pen = new Pen(Color.Gray);
    foreach (Step s in m_steps)
    {
        gc.DrawLine(pen, s.Start, s.End);
    }

    // 將雙緩沖區中的圖形渲染到指定畫布上 （類似 Win32 中的）BitBlt
    backBuffer.Render(control.CreateGraphics());
}

public void Show(System.Windows.Forms.Control control)
{
    Graphics gc = control.CreateGraphics();
    // 創建緩沖圖形上下文 （類似 Win32 中的CreateCompatibleDC）
    BufferedGraphicsContext dc = new BufferedGraphicsContext();
    // 創建指定大小緩沖區 （類似 Win32 中的 CreateCompatibleBitmap）
    BufferedGraphics backBuffer = dc.Allocate(gc, new Rectangle(new Point(0, 0), control.Size));

    /* 像使用一般的 Graphics 一樣繪圖 */
    Pen pen = new Pen(Color.Gray);
    foreach (Step s in m_steps)
    {
        gc.DrawLine(pen, s.Start, s.End);
    }

    // 將雙緩沖區中的圖形渲染到指定畫布上 （類似 Win32 中的）BitBlt
    backBuffer.Render(control.CreateGraphics());
}