扫描，撕裂和垂直同步 - VSync 技术实现
我们来上一节历史课，回顾显示技术的发展史。故事要从人类最早的显示技术：CRT 说起。
CRT
CRT: Cathode Ray Tube，阴极射线管，更常见的称呼即是「显像管」，常见于「大屁股电视/显示器」。
黑白电视
CRT 的原理看起来很简单：
- 阴极射线管不断的发射电子
- 电子击中屏幕上的荧光材料，被击中的位置即发亮
- 由偏转线圈施加的磁场控制击中哪一个位置
图片来自 Captain Disillusion 视频: CD / Interlacing，版权系原作者所有
就这样，线圈不断控制电子偏转方向，从左到右，完成一排；从上到下，完成一张。从而绘出图像。而连续不断的扫描图像就会让人感觉到动态效果。这也是为什么视频/电影也被称为 moving pictures（移动的图片），每一张「图片」都被称为一「帧（Frame）」。PAL 标准采用 25Hz 的刷新率，后来也产生了 30Hz, 60Hz, 100Hz 刷新率的 CRT 显示器。
彩色电视
把黑白电视的荧光发光点从单个切换成三个，每个对应三原色：红、绿、蓝，即可实现。
图片来自 Captain Disillusion 视频: CD / Interlacing，版权系原作者所有
现代显示器
刷新率
CRT 的「扫描」思路仍然适用于现代显示器，不论是 LCD 还是 OLED，亦或是其他技术，都是「逐行扫描」，每秒扫描若干个周期。而这个计数，就是「刷新率（Refresh Rate）」，单位为「赫兹（Hz），1Hz = 一次/秒」。
比如某台显示器，每秒扫描 30 次，那么它的刷新率就是 30Hz. 如今常见的显示器通常都是 60Hz 的刷新率，即每秒扫描 60 帧。
通常显示器的刷新率是恒定的，如 60Hz 刷新率的显示器始终是以 60 帧/秒的速度更新屏幕上显示的内容。
帧率
显示器需要信号源，让它知道应该显示什么，才能显示内容。在 PC 上，信号源就是显卡（GPU）。「帧率（Frame Rate）」是显卡绘制/生成帧的速度，单位为「FPS（Frames Per Second, 帧每秒）」。
帧缓冲区
通常，显示器是一台独立工作的设备，状态与显卡无关，会以恒定不变的频率从某个「池」里面读取画面，以保证稳定的图像输出。
与此同时，显卡也会往这个「池」里写画面，以供显示器读取。
这个「池」叫「Framebuffer（帧缓冲区）」。一张显卡通常有 2 个帧缓冲区：主/副（Primary/Secondary）缓冲区（也称前/后缓冲区（Front/Back）），由数据选择器（Multiplexer）选择连接到显示器的缓冲区。
连接到显示器的缓冲区总是主缓冲区，显示器从中读取图像内容；
未连接到显示器的缓冲区总是副缓冲区，显卡向其中写入渲染好的内容。
当副缓冲区渲染完成后，数据选择器即切换连接，把最新的画面提供给显示器。显卡总是会尝试以最快的速度渲染内容，每完成一帧渲染即切换主/副缓冲区，与显示器的工作状态完全无关。
从显卡到屏幕
有了这三个概念，我们就可以构造出每一帧从显卡到屏幕的流程图了。
假设我们有一张强劲的显卡，或是很轻的渲染负载，显示器的刷新率为 50Hz，显卡渲染的帧率是 200FPS，那么渲染流程就像这样：
注意：这是 WDDM 1.3 以前的简化设计，在更新版本里，设计可能有变化。
数学题：显示器完全绘制一帧需要多长时间？1 秒 = 1000 毫秒，每秒绘制 50 帧，绘制一帧需要 1000/50 = 20 毫秒。那么显卡完全渲染一帧需要多长时间？5 毫秒。
我们把注意力放在显示器绘制 1 帧的这 20 毫秒里。
在这 20 毫秒里，显示器从连接到的帧缓冲区里逐行读取像素，显示到屏幕中。然而显卡渲染的速度超过了显示器绘制的速度，就像这样：
25% - 显示器刚渲染了 5 毫秒，显卡即在副缓冲区完成了渲染，切换了连接到显示器的帧缓冲区。
50% - 5 毫秒以后，显卡又一次切换了帧缓冲区。
75% - 显卡再次切换帧缓冲区。
最后，20 毫秒过去了，显示器终于完成了整个屏幕的绘制，但这张画面却来自于 4 个不同的帧缓冲区，即由 4 个不同的帧组成，这就造成了「撕裂（Tearing）」。画面移动越快（帧与帧间差别越大），撕裂现象越明显。
应对撕裂问题
撕裂问题有若干解决方案：垂直同步和 AMD FreeSync/NVIDIA G-Sync 等等。
垂直同步
垂直同步（Vertical Synchronization, VSync），顾名思义，是为了同步显卡和显示器读取/写入帧缓冲区步伐的技术，以使画面「同步」起来，避免撕裂现象。
在上面我们知道了，撕裂的原因在于：显卡在显示器还来不及完成渲染的时候，切换了帧缓冲区。要解决这个问题，就要压制显卡的渲染速率，使显卡的帧缓冲区切换行为与显示器的帧绘制保持同步。
当垂直同步启用的时候，显卡并不会按照「越快越好」的渲染策略进行渲染，而是等待显示器的信号。当显示器请求刷新时，再切换帧缓冲区，使显示器能安心完成每一帧的绘制。
我们回到刚刚那 20 毫秒：
25% - 显示器渲染了 5 毫秒，显卡已经完成副缓冲区的渲染，进入闲置状态。
100% - 显示器绘制完成，请求显卡切换帧缓冲区。
此时，显卡才切换帧缓冲区，并开始进行下一帧的渲染。
垂直同步的局限 - 输入延迟
由于显卡不能及时将最新的画面呈现出来，而是需要等待显示器请求刷新。如果画面变动的速度很快，就不能及时呈现出来。
比如 CS:GO 这种竞技类游戏，本身产生的负载就不高，中高端显卡通常能达到 200FPS 以上的渲染帧率（5ms/帧），而假设是 50Hz 的显示器，刷新一次需要 20ms，那么就有 3 个帧的信息被完全抛弃了，玩家需要等待 20ms 才能观察到动作的反馈。
而在垂直同步关的情况下，这些丢失的帧能被第一时间显示出来，即使是组成撕裂的图像，玩家也能第一时间得到输入反馈。
垂直同步的局限 - 低帧率损失
我们刚刚一直在讨论显卡渲染速度大于显示器绘制速度的情况，那么如果突然负载增大，显卡渲染速度反而更慢了呢？
我们仍然利用那 20 毫秒的例子，但这次，显卡渲染的帧率是 40FPS，即每帧渲染耗时 25ms。
当垂直同步关闭：
100% - 显示器完成绘制初始帧。
0 - 25% - 这 5ms 内，显卡未切换帧缓冲区，显示器仍然在渲染上一帧。
25% - 显卡完成第二帧渲染（距离开始已过 25ms），切换帧缓冲区。
显卡在显示器绘制过程中切换了帧缓冲区 → 画面撕裂。
但如果我们开启垂直同步呢？
同样的，显卡在切换帧缓冲区的时候需要等待显示器的信号：
100% - 显示器完成绘制初始帧，请求切换帧，但显卡并没有完成下一帧渲染 —— 重复绘制同一帧。
25% - 显卡完成第二帧渲染，进入闲置状态，等待显示器请求。
200% - 显示器完成第二帧渲染，请求切换帧。
此时，显卡才切换帧缓冲区，并开始进行下一帧但渲染。
发现了吗，在显卡帧率比显示器刷新率低时，这种压制仍然存在。
我们假设：
显卡渲染速度为 40FPS (25ms/frame)
显示器刷新速度为 50Hz (20ms/frame)
在图例中，实际帧率被限制为了显示器刷新率的一半。
克服垂直同步问题 - 自适应垂直同步
NVIDIA 推出了「自适应垂直同步（Adaptive VSync）」功能，原理非常简单：
- 帧率大于显示器刷新率时，启用垂直同步。
- 帧率小于显示器刷新率时，禁用垂直同步。
这样做，虽然低帧率时画面撕裂问题会重现，但不会发生帧率额外损失问题。属于帧率重于画面撕裂问题的方法。
克服垂直同步问题 - 三重缓冲
我们刚刚发现，低帧率的时候，显示器将遇到显卡无法提供新图像的情况，导致帧率在原本的基础上进一步降低。
而某些情况下，大部分时间里，渲染帧率都能稳定在较高水平，但会偶尔出现突然的短暂帧率下跌。
三重缓冲试图用「未雨绸缪」的方法解决这个问题：增加一个额外的帧缓冲区，当显卡输出突然跟不上显示器时，将有一个额外的帧可以提供给显示器以及时更新画面，此后再跟上显示器刷新的步伐。
终极方案：软硬兼施
到这时你可能发现，无论如何，显示器就像大爷一样，它的刷新率永远不变，无论如何都要显卡去伺候它，但是……
也许……要是让显示器的刷新率和显卡的帧率在任何时候都保持同步呢？
这就是 AMD FreeSync / NVIDIA G-Sync 想做的事情：可变刷新率（Variable Refresh Rate, VRR），从根源上消灭撕裂问题。它们让显示器的刷新率和显卡的帧率随时保持同步，不仅消灭了撕裂问题，而且不会引入传统垂直同步带来的输入延迟和帧率损失问题。
唯一的问题是：钱。
AMD 秉持着一贯的良心：开放 FreeSync 标准，任何人都可以做自己的 FreeSync 实现。但 G-Sync 则也是老黄传统艺能：封闭标准。这也是为什么市面上不少显示器支持 FreeSync 但不支持 G-Sync.
最后，当然是：
AMD YES!
NVIDIA, F* YOU!