Optimize for variable refresh rate displays

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macOS Monterey 引入 Adaptive-Sync 显示器支持，Metal 游戏可通过 presentAfterMinimumDuration 实现自适应帧率；iPad Pro 的 ProMotion 显示器配合 CADisplayLink 的 targetTimestamp 可在帧率变化时保持动画平滑。

核心内容

你的游戏在 120Hz 显示器上运行，大部分时候能稳定在 120fps。但偶尔场景复杂度飙升，某一帧花了 9ms 才渲染完。在固定刷新率显示器上，这帧会被延迟到下一个 16.6ms 的刷新周期，用户感受到明显的卡顿。在 Adaptive-Sync 显示器上，这帧只延迟 1ms，几乎无感知。

这就是可变刷新率显示器的价值。但要用好它，需要改变传统的帧率控制思路。

详细内容

Adaptive-Sync 显示器在 macOS 上的工作原理

（01:27）

固定刷新率显示器（60Hz 或 120Hz）每 16.6ms 或 8.3ms 刷新一次。如果 GPU 没准备好新帧，就重复显示上一帧。

Adaptive-Sync 显示器的工作方式不同。每帧在屏幕上停留的时间是一个区间，而不是固定值。比如一台 40-120Hz 的 Adaptive-Sync 显示器，每帧可以在屏幕上停留 8ms 到 25ms。

这意味着：

如果你的帧在 9ms 完成，它会在 9ms 后立刻显示，不需要等到 16.6ms
卡顿从 8ms 降到了 1ms，用户几乎感知不到

（02:44）

关键点：

Adaptive-Sync 显示器的刷新区间是动态的
帧完成后立即显示，不需要等待下一个固定刷新点
超出最大停留时间后，显示器必须刷新，会短暂不可用

Adaptive-Sync 最佳实践

（04:18）

在固定刷新率显示器上，如果 GPU 工作持续超过刷新间隔，Apple 建议把帧率降到下一个因数（比如从 60fps 降到 30fps）。

在 Adaptive-Sync 显示器上，这个建议变了：你应该以应用能稳定达到的最高均匀帧率呈现帧。

// 检测 Adaptive-Sync 是否可用
let screen = window.screen
let isAdaptiveSync = screen.minimumRefreshInterval != screen.maximumRefreshInterval
let isFullScreen = window.styleMask.contains(.fullScreen)

if isAdaptiveSync && isFullScreen {
    // 启用 Adaptive-Sync 帧率控制
}

（05:51）

关键点：

minimumRefreshInterval 和 maximumRefreshInterval 是 NSScreen 的新属性
两个值不相等表示 Adaptive-Sync 模式
必须同时检查窗口是否全屏
只在全屏模式下才能使用 Adaptive-Sync 调度

用 presentAfterMinimumDuration 控制帧率

（06:51）

最简单的方式是用 presentAfterMinimumDuration 固定帧率：

let desiredInterval: CFTimeInterval = 1.0 / 78.0 // 目标 78Hz

// 在渲染循环中
drawable.present(afterMinimumDuration: desiredInterval)

（07:11）

关键点：

presentAfterMinimumDuration 确保帧在指定间隔后才呈现
适合实现用户可调节的 FPS 滑块
帧率稳定但可能不是最优

更高级的做法是动态计算帧率：

var averageGPUTime: CFTimeInterval = 1.0 / 120.0 // 初始乐观估计

// 第一帧：用乐观估计
let firstDrawable = getDrawable()
let commandBuffer = encodeWork()
commandBuffer.addCompletedHandler { _ in
    let gpuTime = CACurrentMediaTime() - frameStartTime
    // 滚动平均
    averageGPUTime = 0.9 * averageGPUTime + 0.1 * gpuTime
}
commandBuffer.commit()
firstDrawable.present(afterMinimumDuration: averageGPUTime)

（08:44）

关键点：

用 CommandBuffer 的 completed handler 测量 GPU 时间
滚动平均平滑帧率变化
同一套代码在不同性能的 Mac 上自动适配帧率
在弱性能 Mac 上可能跑到 48Hz，在强性能 Mac 上跑到 78Hz

ProMotion 和 CADisplayLink 最佳实践

（10:22）

iPad Pro 的 ProMotion 显示器支持最高 120Hz，但以下情况可能不可用：

用户开启了低电量模式（iPadOS 15 新增）
用户在辅助功能中设置了限制帧率（上限 60Hz）
设备过热，系统限制 120Hz

CADisplayLink 是驱动自定义绘制的推荐工具。它会在每次 vsync 时唤醒，比普通 NSTimer 更精确。

// 设置 CADisplayLink
displayLink = CADisplayLink(target: self, selector: #selector(draw))
displayLink.preferredFramesPerSecond = 40
displayLink.add(to: .current, forMode: .common)

// 在回调中
@objc func draw() {
    let interval = displayLink.targetTimestamp - displayLink.timestamp
    // interval 是实际可用的渲染时间
}

（15:37）

关键点：

preferredFramesPerSecond 只是建议，实际帧率由系统决定
在 60Hz 显示器上请求 40Hz，系统会自动调整到 30Hz
duration 属性反映当前实际帧间隔
用 targetTimestamp 而不是 timestamp 准备动画

为什么用 targetTimestamp 而不是 timestamp

（17:46）

当帧率从 120Hz 降到 60Hz 时，如果用 timestamp 采样动画进度，会出现跳变：

// 用 timestamp：帧率切换时动画进度跳变
// 帧1 (120Hz): timestamp=0, progress=0
// 帧2 (120Hz): timestamp=8ms, progress=0.05
// 帧3 (60Hz):  timestamp=16ms, progress=0.10  <- 这里跳变！

用 targetTimestamp 则平滑：

// 用 targetTimestamp：帧率切换时动画平滑
// 帧1 (120Hz): targetTimestamp=8ms, progress=0.05
// 帧2 (120Hz): targetTimestamp=16ms, progress=0.10
// 帧3 (60Hz):  targetTimestamp=32ms, progress=0.20  <- 平滑过渡

（19:26）

关键点：

timestamp 是回调被调用的时间
targetTimestamp 是下一帧将被合成的时间
用 targetTimestamp 采样动画，帧率变化时不会出现跳变
代码改动很简单：把 timestamp 替换为 targetTimestamp

处理错过的回调

（20:16）

高优先级线程或繁忙的 runloop 可能导致 CADisplayLink 回调被延迟或跳过。

@objc func draw() {
    let currentTime = CACurrentMediaTime()
    let timeRemaining = displayLink.targetTimestamp - currentTime

    if timeRemaining < minimumWorkTime {
        // 时间不够，减少工作量或跳过这帧
        return
    }

    // 用上一帧的 targetTimestamp 计算正确的时间增量
    let delta = displayLink.targetTimestamp - previousTargetTimestamp
    previousTargetTimestamp = displayLink.targetTimestamp

    // 用 delta 更新动画状态
    updateAnimation(delta: delta)
}

（21:48）

关键点：

用 CACurrentMediaTime() 检查剩余时间
保留 previousTargetTimestamp 计算正确的时间增量
回调被跳过时，delta 自动变为两倍的帧间隔
动画不会减速或加速

核心启发

为 Metal 游戏添加 Adaptive-Sync 支持。检测 minimumRefreshInterval != maximumRefreshInterval 且窗口全屏时，用滚动平均 GPU 时间动态控制帧率。入口 API：NSScreen.minimumRefreshInterval + MTLDrawable.present(afterMinimumDuration:)。
把 CADisplayLink 的 timestamp 全部替换为 targetTimestamp。这是避免帧率切换时动画跳变的唯一正确做法。入口 API：CADisplayLink.targetTimestamp。
为自定义动画添加帧率降级逻辑。当 timeRemaining < minimumWorkTime 时减少工作量或跳过帧，保证不丢帧。入口 API：CACurrentMediaTime() + displayLink.targetTimestamp。
在 iPad 应用中检测 ProMotion 可用性。用 CADisplayLink.duration 获取实际帧间隔，不要用 UIScreen.maximumFramesPerSecond（它始终返回 120）。入口 API：CADisplayLink.duration。
为游戏添加用户可调节的 FPS 上限。用 presentAfterMinimumDuration 固定帧率，降低 GPU 功耗和发热。入口 API：MTLDrawable.present(afterMinimumDuration:)。

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为什么用 targetTimestamp 而不是 timestamp

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