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音视频开发-FFplay视频播放流程

2022-02-22    海哥科技宅
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背景说明

FFmpeg是一个开源，免费，跨平台的视频和音频流方案，它提供了一套完整的录制、转换以及流化音视频的解决方案。而ffplay是有ffmpeg官方提供的一个基于ffmpeg的简单播放器。学习ffplay对于播放器流程、ffmpeg的调用等等是一个非常好的例子。本文就是对ffplay的一个基本的流程剖析，很多细节内容还需要继续钻研。

注：本文师基于ffmpeg-2.0版本进行分析，具体代码行还请对号入座，谢谢！

主框架流程

下图是一个使用“gcc+eygpt+graphviz+手工调整”生成的一个ffplay函数基本调用关系图，其中只保留了视频部分，去除了音频处理、字幕处理以及一些细节处理部分。

音视频开发-FFplay视频播放流程

 

注：图中的数字表示了播放中的一次基本调用流程，X?序号表示退出流程。

从上图中我们可以了解到以下几种信息：

下面将对三个线程分别加以详细描述。

read_thread线程

从read_thread开始说起而不是从main线程，主要原因是考虑按照视频数据转换的方式比较好理解。

read_thread的创建是在main-->stream_open函数中：

is->read_tid = SDL_CreateThread(read_thread, is);

read_thread线程主要分为三部分：

初始化部分

主要包括SDL_mutex信号量创建、创建avformat上下文、打开输入文件、解析码流信息、查找音视频数据流并打开对应的数据流。

创建wait_mutex互斥量

SDL_mutex *wait_mutex = SDL_CreateMutex();

该互斥量主要用于在对(VideoState *)is->continue_read_thread操作时加保护，如2887行和2925行：

//代码段一

/* if the queue are full, no need to read more */

if (infinite_buffer<1 &&

      ……) {undefined

    /* wait 10 ms */

    SDL_LockMutex(wait_mutex);

    SDL_CondWaitTimeout(is->continue_read_thread, wait_mutex, 10);  <-- line 2887

    SDL_UnlockMutex(wait_mutex);

    continue;

}

 

//代码段二

ret = av_read_frame(ic, pkt);

if (ret < 0) {undefined

    if (ret == AVERROR_EOF || url_feof(ic->pb))

        eof = 1;

    if (ic->pb && ic->pb->error)

        break;

    SDL_LockMutex(wait_mutex);

    SDL_CondWaitTimeout(is->continue_read_thread, wait_mutex, 10);  <-- line 2925

    SDL_UnlockMutex(wait_mutex);

    continue;

}

而continue_read_thread从其名字上来看，是一个控制read_thread线程是否继续阻塞的信号量，上面两次阻塞的地方分别是：packet队列已满，需要等待一会(即超时10ms)或者收到信号重新循环；读数据失败，但是并不是IO错误(ic->pb->error)，如读取网络实时数据时取不到数据，此时也需要等待或者收到信号重新循环。

注：seek操作时(L1216)和音频队列为空(L2327)时，会发送continue_read_thread信号。

AVFormatContext创建

(AVFormatContext *)ic = avformat_alloc_context();

此处创建的avformat上下文，类似于一个句柄，后续所有avformat相关的函数调用第一个参数都是该上下文指针，如avformat_open_input、avformat_find_stream_info以及一些和av相关的函数接口第一个参数也是该指针，如av_find_best_stream、av_read_frame等等。

打开输入文件

err = avformat_open_input(&ic, is->filename, is->iformat, &format_opts);

创建好avformat上下文后，就打开is->filename指定的文件(或流)，其中第三个和第四个参数可以传NULL，由ffmpeg自动侦测待输入流的文件格式，也可以通过is->iformat手动指定，format_opts参数表示设置的特殊属性。

通过调用avformat_open_input函数，我们可以得到输入流的一个基本信息。我们可以通过调用av_dump_format(ic, 0, is->filename, 0);来输出解析后的码流信息，可以得到如下数据：

Input #0, mpegts, from '/home/nfer/bak/cw880-latency.ts':0B f=0/0  

  Duration: N/A, bitrate: N/A

  Program 1

    Stream #0:0[0x68]:Video:h264 ([27][0][0][0] / 0x001B), 90k tbn

    Stream #0:1[0x67]:Audio:aac([15][0][0][0] / 0x000F), 0 channels

即，可以解析出

² 封装格式是mpegts，包含两路数据流

² 流1的PID是0x68，类型是视频，编码格式是H264

² 流2的PID是0x67，类型是音频，编码格式是AAC

但是只有这些信息可定无法解码，比如视频的宽高比、图像编码格式(YUV or RGB …)、音频采样率、音频声道数量等等，以及Duration、bitrate等信息。这些信息都需要通过其他函数来解析。

解析码流信息

err = avformat_find_stream_info(ic, opts);

因为avformat_open_input函数只能解析出一些基本的码流信息，不足以满足解码的要求，因此我们调用avformat_find_stream_info函数来尽量的解析出所有的和输入流相关的信息。

解析码流的内部实现我们不在此处讨论，先看一看调用后该函数后解析出来的信息(同样采用av_dump_format来输出)：

Input #0, mpegts, from '/home/nfer/bak/cw880-latency.ts':0B f=0/0  

  Duration: 00:02:53.73, start: 2051.276989, bitrate: 1983 kb/s

  Program 1

    Stream #0:0[0x68]: Video: h264 (Baseline) ([27][0][0][0] / 0x001B), yuv420p, 1280x720, 30 tbr, 90k tbn, 180k tbc

    Stream #0:1[0x67]: Audio: aac ([15][0][0][0] / 0x000F), 48000 Hz, stereo, fltp,72 kb/s

对比上一步获取的信息，我们可以看到新解析出来的信息：

² 码流信息；节目时长00:02:53.73，开始播放时间2051.276989，码率1983 kb/s

² 视频信息：色彩空间YUV420p，分辨率1280x720，帧率30，文件层的时间精度90k，视频层的时间精度180K

² 音频信息：采样率48000，立体声stereo，音频采样格式fltp(float, planar)，音频比特率72 kb/s

需要注意的是，该函数是一个阻塞操作，即默认情况下会在该函数中阻塞5s。具体的实现是在avformat_open_input函数中有一个for(;;) 循环，其中的一个break条件如下：

if (t >= ic->max_analyze_duration) {undefined

    av_log(ic, AV_LOG_VERBOSE, "max_analyze_duration %d reached at %"PRId64" microsecondsn", ic->max_analyze_duration, t);

    break;

}

而ic->max_analyze_duration的默认值定义在options_table.h文件中，即默认的参数表：

{"analyzeduration", "specify how many microseconds are analyzed to probe the input", OFFSET(max_analyze_duration), AV_OPT_TYPE_INT, {.i64 = 5*AV_TIME_BASE }, 0, INT_MAX, D},

 

#define AV_TIME_BASE            1000000            <--file: avutil.h, line: 229

如果觉得这个默认的5s阻塞时间太长，或者甚至觉得完全没有必要，即我们可以手动的设置各种解码的参数，那么可以通过下面的方法将ic->max_analyze_duration的值修改为1s：

ic = avformat_alloc_context();

ic->interrupt_callback.callback = decode_interrupt_cb;

ic->interrupt_callback.opaque = is;

//add by Nfer

ic->max_analyze_duration =1*1000*1000;

av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "ic->max_analyze_duration %d.n", ic->max_analyze_duration);

err = avformat_open_input(&ic, is->filename, is->iformat, &ffp->format_opts);

注：红色部分为添加的代码

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音视频开发-FFplay视频播放流程

 

查找音视频数据流

if (!video_disable)

    st_index[AVMEDIA_TYPE_VIDEO] =

        av_find_best_stream(ic, AVMEDIA_TYPE_VIDEO,

                            wanted_stream[AVMEDIA_TYPE_VIDEO], -1, NULL, 0);

av_find_best_stream函数主要就做了一件事：找符合条件的数据流。其简单实现可以参考ffmpeg-tutorial项目中tutorial01.c的代码：

// Find the first video stream

videoStream=-1;

for(i=0; i<pFormatCtx->nb_streams; i++)

  if(pFormatCtx->streams[i]->codec->codec_type==AVMEDIA_TYPE_VIDEO) {undefined

    videoStream=i;

    break;

  }

if(videoStream==-1)

  return -1; // Didn't find a video stream

注：ffmpeg-tutorial项目是对Stephen Dranger写的7个ffmpeg tutorial做的一个update。

打开对应的数据流

if (st_index[AVMEDIA_TYPE_VIDEO] >= 0) {undefined

    ret = stream_component_open(is, st_index[AVMEDIA_TYPE_VIDEO]);

}

通过最开始的主框架流程图，我们可以大概的看到stream_component_open函数中最主要的动作就是调用packet_queue_start和创建video_thread线程。当然在这之前还有一些处理，其中包括：

查找解码器

 avctx = ic->streams[stream_index]->codec;

    codec = avcodec_find_decoder(avctx->codec_id);

如果启动ffplay时通过vcodec参数指定了解码器名称，那么在通过codec_id查找到解码器后，再使用forced_codec_name查找解码
avcodec_find_decoder_by_name。但是注意，如果通过解码器名称查找后会覆盖之前通过codec_id查找到解码器，即如果在参数中指定了错误的解码器会导致无法正常播放的。

设置解码参数

opts = filter_codec_opts(codec_opts, avctx->codec_id, ic, ic->streams[stream_index], codec);

if (!av_dict_get(opts, "threads", NULL, 0))

    av_dict_set(&opts, "threads", "auto", 0);

if (avctx->lowres)

    av_dict_set(&opts, "lowres", av_asprintf("%d", avctx->lowres), AV_DICT_DONT_STRDUP_VAL);

if (avctx->codec_type == AVMEDIA_TYPE_VIDEO || avctx->codec_type == AVMEDIA_TYPE_AUDIO)

    av_dict_set(&opts, "refcounted_frames", "1", 0);

打开解码器

 if (avcodec_open2(avctx, codec, &opts) < 0)

    return -1;

启动packet队列

packet_queue_start(&is->videoq);

启动packet队列时,会向队列中先放置一个flush_pkt,其中详细缘由后面再讲。

创建video_thread线程

is->video_stream = stream_index;

is->video_st = ic->streams[stream_index];

is->video_tid = SDL_CreateThread(video_thread, is);

is->queue_attachments_req = 1;

注：上述分析过程中没有考虑音频和字幕处理的部分，后续有机会再详解。

循环读取数据部分

该部分是一个for (;;)循环，循环中主要包括pause和resume操作处理、seek操作处理、packet队列写入失败处理、读数据结束处理、然后是读数据并写入到对应的音视频队列中。

for循环跳出条件

有两处是break处理的：

//代码段一

if (is->abort_request)

    break;                                <-- Line 2814

 

//代码段二

ret = av_read_frame(ic, pkt);

if (ret < 0) {undefined

    if (ic->pb && ic->pb->error)

        break;                            <-- Line 2923

}

其中条件一是调用do_exit --> stream_close中将is->abort_request置为1的，代码中有多个地方是判断该条件进行exit处理的；条件二很清晰，就是当遇到读数据失败并且是IO错误时，会退出。

pause和resume操作处理

if (is->paused != is->last_paused) {undefined

    is->last_paused = is->paused;

    if (is->paused)

        is->read_pause_return = av_read_pause(ic);

    else

        av_read_play(ic);

}

在ffplay中暂停和恢复的按键操作时p键(SDLK_p)和space键(SDLK_SPACE)，会调用toggle_pause--> stream_toggle_pause来修改is->paused标记变量，然后在read_thread线程中通过对is->paused标记变量的判断进行pause和resum(play)的处理。

seek操作处理

if (is->seek_req) {undefined

    ret = avformat_seek_file(is->ic, -1, seek_min, seek_target, seek_max, is->seek_flags);

         if (is->video_stream >= 0) {undefined

                   packet_queue_flush(&is->videoq);

                   packet_queue_put(&is->videoq, &flush_pkt);

         }

         is->seek_req = 0;

}

注：上述代码有所删减，只保留了和视频相关的部分

同上面pause和resume的处理，is->seek_req是在按键操作(SDLK_PAGEUP、SDLK_PAGEDOWN、SDLK_LEFT、SDLK_RIGHT、SDLK_UP和SDLK_DOWN)时，调用stream_seek函数来修改is->seek_req标记变量，然后在read_thread线程中根据is->seek_req标记变量来进行处理。

具体处理除了调用ffmpeg的avformat_seek_file接口外，还向packet队列中放置了一个flush_pkt，这个在video_thread中的处理中会解决seek操作的花屏效果。

packet队列写入失败处理

/* if the queue are full, no need to read more */

if (infinite_buffer<1 &&

      (is->audioq.size + is->videoq.size + is->subtitleq.size > MAX_QUEUE_SIZE

    || (   (is->audioq   .nb_packets > MIN_FRAMES || is->audio_stream < 0 || is->audioq.abort_request)

        && (is->videoq   .nb_packets > MIN_FRAMES || is->video_stream < 0 || is->videoq.abort_request

            || (is->video_st->disposition & AV_DISPOSITION_ATTACHED_PIC))

        && (is->subtitleq.nb_packets > MIN_FRAMES || is->subtitle_stream < 0 || is->subtitleq.abort_request)))) {undefined

    /* wait 10 ms */

    SDL_LockMutex(wait_mutex);

    SDL_CondWaitTimeout(is->continue_read_thread, wait_mutex, 10);

    SDL_UnlockMutex(wait_mutex);

    continue;

}

此处的各种判断条件不详细解释，重点是在播放器处理中，写数据失败时需要wait and continue的处理。

读数据结束处理

if (eof) {undefined

    if (is->video_stream >= 0) {undefined

        av_init_packet(pkt);

        pkt->data = NULL;

        pkt->size = 0;

        pkt->stream_index = is->video_stream;

        packet_queue_put(&is->videoq, pkt);

    }

    SDL_Delay(10);

    if (is->audioq.size + is->videoq.size + is->subtitleq.size == 0) {undefined

        if (loop != 1 && (!loop || --loop)) {undefined

            stream_seek(is, start_time != AV_NOPTS_VALUE ? start_time : 0, 0, 0);

        } else if (autoexit) {undefined

            ret = AVERROR_EOF;

            goto fail;

        }

    }

    eof=0;

    continue;

}

当遇到eof，即end of file时，做一下几个步骤：

注意，在读数据eof时，读数据部分还有些滞后，即if (is->audioq.size + is->videoq.size + is->subtitleq.size== 0)判断不一定为true，引起在判断前先delay了10ms(SDL_Delay(10);)；但是仍然不一定为true，因此需要continue。当然下一步av_read_frame失败也会返回AVERROR_EOF，eof会重新赋值为1。即，eof退出会wait到真正的播放完毕。

读数据并写入到对应的音视频队列

ret = av_read_frame(ic, pkt);

if (pkt->stream_index == is->video_stream && pkt_in_play_range

           && !(is->video_st->disposition & AV_DISPOSITION_ATTACHED_PIC)) {undefined

    packet_queue_put(&is->videoq, pkt);

}

注：上述代码有所删减，只保留了和视频相关的部分

此处的处理实际上比较简单，就是av_read_frame和packet_queue_put，不详解。

反初始化部分

主要包括退出前的等待、关闭音视频流、关闭avformat、给主线程发送FF_QUIT_EVENT消息以及销毁SDL_mutex信号量。

退出前的等待

/* wait until the end */

while (!is->abort_request) {undefined

    SDL_Delay(100);

}

因为之前for循环跳出条件中说明了只有两种情况下才会break出来，其一就是is->abort_request为true，其二直接就goto到fail了，因此两种情况下该while循环都不会判断为true，直接略过。具体代码原因不明。

关闭音视频流

if (is->video_stream >= 0)

    stream_component_close(is, is->video_stream);

注：上述代码有所删减，只保留了和视频相关的部分

其中stream_component_close关闭视频流做了以下处理：

给主线程发送FF_QUIT_EVENT

if (ret != 0) {undefined

    SDL_Event event;

    event.type = FF_QUIT_EVENT;

    event.user.data1 = is;

    SDL_PushEvent(&event);

}

在主线程会接收到FF_QUIT_EVENT消息，从而会调用do_exit函数来做退出处理。

销毁SDL_mutex信号量

SDL_DestroyMutex(wait_mutex);

read_thread基本就分析到这里，下面描述以下video_thread。

video_thread线程

从主框架流程中可以看出，video_thread线程是在read_thread--> stream_component_open中创建的，负责从packet队列中读取packet并解码为picture，然后存储到picture队列中供主线程读取并刷新显示。

video_thread的创建是在read_thread --> stream_component_open函数中：

is->video_tid = SDL_CreateThread(video_thread, is);

read_thread线程同样分为三部分：

初始化部分

该线程的初始化就是创建了AVFrame和AVFilterGraph，其中AVFilterGraph还是和编译宏包含，如果没有打开CONFIG_AVFILTER可以直接省略。

is->video_tid = SDL_CreateThread(video_thread, is);

… …

AVFrame *frame = av_frame_alloc();

#if CONFIG_AVFILTER

    AVFilterGraph *graph = avfilter_graph_alloc();

#endif

循环解码部分

主要包括pause和resume操作处理、读取packet处理、AVFILTER处理、然后是将picture写入视频队列中以及每次解码后的清理动作。

pause和resume操作处理

video_thread中的关于pause和resume的处理比较简单，就是如果是pause状态就delay(线程sleep)：

while (is->paused && !is->videoq.abort_request)

    SDL_Delay(10);

读取packet处理

avcodec_get_frame_defaults(frame);

av_free_packet(&pkt);

ret = get_video_frame(is, frame, &pkt, &serial);

//关于frame的一些处理

av_frame_unref(frame);

从上述代码中可以看出，一个frame(和packet)的完整生命流程。

在ffmpeg-tutorial项目中tutorial01.c中的例子是使用avcodec_alloc_frame()来申请并设置default value的操作，但是在这里就分成了两步：av_frame_alloc()然后
avcodec_get_frame_defaults(frame)。

av_free_packet实际上清空上一次get_video_frame中获取的packet数据，函数本身是有异常处理的，所以连续调用两次av_free_packet是没有问题的。

get_video_frame函数中主要部分是packet_queue_get然后avcodec_decode_video2，即从packet队列中读取数据然后进行解码，具体内容有机会另开文章进行讲解。

AVFILTER处理

AVFILTER处理是一个比较模块化很高的处理部分，大致流程包括以下几步：

  1. 释放旧的AVFilterGraph并创建一个新的：avfilter_graph_free()和avfilter_graph_alloc()
  2. 配置video filters：configure_video_filters
  3. 向buffersrc中添加frame：av_buffersrc_add_frame
  4. 情况原有的frame和packet：av_frame_unref、avcodec_get_frame_defaults和av_free_packet
  5. 从buffersink中读取处理后的frame：av_buffersink_get_frame_flags

简单的理解就是：

音视频开发-FFplay视频播放流程

 

将picture写入视频队列

如果需要avfilter处理，那么处理完后或者不需要avfilter处理，解码完成后的frame会调用queue_picture写入到picture队列中。具体细节不详解。

解码后的清理动作

使用完packet后，必须从frame中释放出来：av_frame_unref。如api说明：Unreference allthe buffers referenced by frame and reset the frame fields.

for循环跳出条件

有以下几种情况下会break出for循环：

即正常情况下，有两种退出模式：

  1. 正常播放完成后退出，此时会通过get_video_frame读数据失败退出
  2. 如果是按ESCAPE和Q键退出，会直接退出，则不会等到，直接在queue_picture函数失败

反初始化部分

反初始化部分比较简单，就是先通知avcodec进行flush数据，然后依次释放AVFilterGraph、AVPacket和AVFrame。

video_thread讲解的比较粗糙，主要原因还是由于个人了解的知识有所欠缺，后续有机会会补上。

主线程

主流程用于视频图像显示和刷新，实际上还主线程是一个事件驱动的，就是一个wait_event然后switch处理，然后继续for循环。

refresh_loop_wait_event处理

该函数会从event队列中读取出event，SDL_PumpEvents、SDL_PeepEvents。同时会调用video_refresh来进行视频刷新和显示。此处会有大量和SDL API相关的操作，由于个人能力有限暂不分析。

event的switch处理

该event的处理分为以下几类：

总结

由于时间有限，文章有些虎头蛇尾，还请各位谅解。

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