【Java设计模式-源码】双缓冲模式：提升动画和图形性能

@[TOC] # 【Java设计模式】双缓冲模式：提升动画和图形性能 ## 一、概述 Java中的双缓冲模式旨在通过使用两个缓冲区来减少渲染时间并提高图形或计算应用程序的性能。该模式对于平滑的图形渲染至关重要，常用于游戏开发和其他实时应用程序。 ## 二、详细解释及实际示例 1. **实际示例**： - 想象一个繁忙的餐厅厨房，厨师们不断地准备菜肴，服务员不断地拿起准备好的菜肴为顾客服务。为了避免混乱和延误，餐厅使用了双缓冲系统。他们有两个柜台：一个供厨师放置新准备的菜肴，另一个供服务员拿起菜肴上菜。当厨师在一个柜台填充准备好的菜肴时，服务员同时在清理另一个柜台的菜肴。一旦服务员从他们的柜台清理完所有菜肴，他们就切换到厨师放置新准备菜肴的柜台，而厨师开始填充现在空的柜台。这个系统确保了一个平稳和连续的工作流程，没有任何一方闲置等待，最大限度地提高了效率并减少了停机时间。 2. **通俗解释**： - 它确保在状态逐步修改的同时，正在渲染的状态是正确的。它广泛用于计算机图形学中。 3. **维基百科解释**： - 在计算机科学中，多重缓冲是使用多个缓冲区来保存数据块，以便“读者”看到数据的完整（尽管可能是旧的）版本，而不是“写入者”正在创建的部分更新版本。它通常用于计算机显示图像。 ## 三、Java中双缓冲模式的编程示例 一个典型的例子，也是每个游戏引擎必须解决的问题，是渲染。当游戏绘制用户看到的世界时，它是一次绘制一部分 - 远处的山脉、起伏的山丘、树木，依次进行。如果用户看到视图像那样逐步绘制，连贯世界的幻觉就会被打破。场景必须平滑快速地更新，显示一系列完整的帧，每个帧都立即出现。双缓冲解决了这个问题。 `Buffer`接口，确保缓冲区的基本功能。 ```java public interface Buffer { void clear(int x, int y); void draw(int x, int y); void clearAll(); Pixel[] getPixels(); } ``` `Buffer`接口的一个实现。 ```java public class FrameBuffer implements Buffer { public static final int WIDTH = 10; public static final int HEIGHT = 8; private final Pixel[] pixels = new Pixel[WIDTH * HEIGHT]; public FrameBuffer() { clearAll(); } @Override public void clear(int x, int y) { pixels[getIndex(x, y)] = Pixel.WHITE; } @Override public void draw(int x, int y) { pixels[getIndex(x, y)] = Pixel.BLACK; } @Override public void clearAll() { Arrays.fill(pixels, Pixel.WHITE); } @Override public Pixel[] getPixels() { return pixels; } private int getIndex(int x, int y) { return x + WIDTH * y; } } ``` 我们支持黑白像素。 ```java public enum Pixel { WHITE, BLACK } ``` `Scene`表示游戏场景，其中当前缓冲区已经被渲染。 ```java @Slf4j public class Scene { private final Buffer[] frameBuffers; private int current; private int next; public Scene() { frameBuffers = new FrameBuffer[2]; frameBuffers[0] = new FrameBuffer(); frameBuffers[1] = new FrameBuffer(); current = 0; next = 1; } public void draw(List<? extends Pair<Integer, Integer>> coordinateList) { LOGGER.info("开始绘制下一帧"); LOGGER.info("当前缓冲区：" + current + " 下一缓冲区：" + next); frameBuffers[next].clearAll(); coordinateList.forEach(coordinate -> { var x = coordinate.getKey(); var y = coordinate.getValue(); frameBuffers[next].draw(x, y); }); LOGGER.info("交换当前和下一缓冲区"); swap(); LOGGER.info("完成交换"); LOGGER.info("当前缓冲区：" + current + " 下一缓冲区：" + next); } public Buffer getBuffer() { LOGGER.info("获取当前缓冲区：" + current); return frameBuffers[current]; } private void swap() { current = current ^ next; next = current ^ next; current = current ^ next; } } ``` 现在，我们可以展示驱动双缓冲示例的`App`类。 ```java @Slf4j public class App { public static void main(String[] args) { final var scene = new Scene(); var drawPixels1 = List.of( new MutablePair<>(1, 1), new MutablePair<>(5, 6), new MutablePair<>(3, 2) ); scene.draw(drawPixels1); var buffer1 = scene.getBuffer(); printBlackPixelCoordinate(buffer1); var drawPixels2 = List.of( new MutablePair<>(3, 7), new MutablePair<>(6, 1) ); scene.draw(drawPixels2); var buffer2 = scene.getBuffer(); printBlackPixelCoordinate(buffer2); } private static void printBlackPixelCoordinate(Buffer buffer) { StringBuilder log = new StringBuilder("黑色像素："); var pixels = buffer.getPixels(); for (var i = 0; i < pixels.length; ++i) { if (pixels[i] == Pixel.BLACK) { var y = i / FrameBuffer.WIDTH; var x = i % FrameBuffer.WIDTH; log.append(" （").append(x).append(", ").append(y).append(")"); } } LOGGER.info(log.toString()); } } ``` 控制台输出： ```text 12:33:02.525 [main] INFO com.iluwatar.doublebuffer.Scene -- 开始绘制下一帧 12:33:02.529 [main] INFO com.iluwatar.doublebuffer.Scene -- 当前缓冲区：0 下一缓冲区：1 12:33:02.529 [main] INFO com.iluwatar.doublebuffer.Scene -- 交换当前和下一缓冲区 12:33:02.529 [main] INFO com.iluwatar.doublebuffer.Scene -- 完成交换 12:33:02.529 [main] INFO com.iluwatar.doublebuffer.Scene -- 当前缓冲区：1 下一缓冲区：0 12:33:02.530 [main] INFO com.iluwatar.doublebuffer.Scene -- 获取当前缓冲区：1 12:33:02.530 [main] INFO com.iluwatar.doublebuffer.App -- 黑色像素： （1, 1） （3, 2） （5, 6） 12:33:02.530 [main] INFO com.iluwatar.doublebuffer.Scene -- 开始绘制下一帧 12:33:02.530 [main] INFO com.iluwatar.doublebuffer.Scene -- 当前缓冲区：1 下一缓冲区：0 12:33:02.530 [main] INFO com.iluwatar.doublebuffer.Scene -- 交换当前和下一缓冲区 12:33:02.530 [main] INFO com.iluwatar.doublebuffer.Scene -- 完成交换 12:33:02.530 [main] INFO com.iluwatar.doublebuffer.Scene -- 当前缓冲区：0 下一缓冲区：1 12:33:02.530 [main] INFO com.iluwatar.doublebuffer.Scene -- 获取当前缓冲区：0 12:33:02.530 [main] INFO com.iluwatar.doublebuffer.App -- 黑色像素： （6, 1） （3, 7） ``` ## 四、何时在Java中使用双缓冲模式 1. **实时应用程序**：非常适合视频游戏、模拟和GUI应用程序，其中频繁和平滑的显示更新至关重要。 2. **高计算任务**：适用于需要密集数据准备的应用程序，支持并行处理和显示。 3. **最小化延迟**：有效减少数据或图形显示中的延迟或卡顿。 ## 五、双缓冲模式在Java中的实际应用 1. **图形渲染引擎**：广泛用于2D和3D渲染引擎，以确保流畅的动画和过渡。 2. **GUI框架**：增强用户界面的响应性和平滑度。 3. **模拟和建模**：确保在模拟中实时更新，而不会中断正在进行的过程。 4. **视频播放软件**：通过在显示当前帧时预加载下一帧来提供无缝的视频播放。 ## 六、双缓冲模式的优点和权衡 优点： 1. **平滑的用户体验**：预渲染帧以提供平滑的动画和过渡。 2. **性能优化**：允许后台渲染�