對X264/FFMPEG架構探討---感覺不錯

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3. FFMPEG架構分析

FFMPEG是目前被應用最廣泛的編解碼軟件庫，支持多種流行的編解碼器，它是C語言實現的，不僅被集成到各種PC軟件，也經常被移植到多種嵌入式設備中。使用面向對象的辦法來設想這樣一個編解碼庫，首先讓人想到的是構造各種編解碼器的類，然后對于它們的抽象基類確定運行數據流的規則，根據算法轉換輸入輸出對象。

在實際的代碼，將這些編解碼器分成encoder/decoder，muxer/demuxer和device三種對象，分別對應于編解碼，輸入輸出格式和設備。在main函數的開始，就是初始化這三類對象。在avcodec_register_all中，很多編解碼器被注冊，包括視頻的H.264解碼器和X264編碼器等，

REGISTER_DECODER (H264, h264);
REGISTER_ENCODER (LIBX264, libx264);

找到相關的宏代碼如下

#define REGISTER_ENCODER(X,x) { /
????????? extern AVCodec x##_encoder; /
????????? if(CONFIG_##X##_ENCODER)? avcodec_register(&x##_encoder); }
#define REGISTER_DECODER(X,x) { /
????????? extern AVCodec x##_decoder; /
????????? if(CONFIG_##X##_DECODER)? avcodec_register(&x##_decoder); }

這樣就實際在代碼中根據CONFIG_##X##_ENCODER這樣的編譯選項來注冊libx264_encoder和h264_decoder，注冊的過程發生在avcodec_register(AVCodec *codec)函數中，實際上就是向全局鏈表first_avcodec中加入libx264_encoder、h264_decoder特定的編解碼器，輸入參數AVCodec是一個結構體，可以理解為編解碼器的基類，其中不僅包含了名稱，id等屬性，而且包含了如下函數指針，讓每個具體的編解碼器擴展類實現。

??? int (*init)(AVCodecContext *);
??? int (*encode)(AVCodecContext *, uint8_t *buf, int buf_size, void *data);
??? int (*close)(AVCodecContext *);
??? int (*decode)(AVCodecContext *, void *outdata, int *outdata_size,
????????????????? const uint8_t *buf, int buf_size);
?? ?void (*flush)(AVCodecContext *);

繼續追蹤libx264，也就是X264的靜態編碼庫，它在FFMPEG編譯的時候被引入作為H.264編碼器。在libx264.c中有如下代碼

AVCodec libx264_encoder = {
??? .name = "libx264",
??? .type = CODEC_TYPE_VIDEO,
??? .id = CODEC_ID_H264,
??? .priv_data_size = sizeof(X264Context),
??? .init = X264_init,
??? .encode = X264_frame,
??? .close = X264_close,
??? .capabilities = CODEC_CAP_DELAY,
??? .pix_fmts = (enum PixelFormat[]) { PIX_FMT_YUV420P, PIX_FMT_NONE },
??? .long_name = NULL_IF_CONFIG_SMALL("libx264 H.264 / AVC / MPEG-4 AVC / MPEG-4 part 10"),
};

這里具體對來自AVCodec得屬性和方法賦值。其中
??? .init = X264_init,
??? .encode = X264_frame,
??? .close = X264_close,
將函數指針指向了具體函數，這三個函數將使用libx264靜態庫中提供的API，也就是X264的主要接口函數進行具體實現。pix_fmts定義了所支持的輸入格式，這里4：2：0
PIX_FMT_YUV420P,?? ///< planar YUV 4:2:0, 12bpp, (1 Cr & Cb sample per 2x2 Y samples)

上面看到的X264Context封裝了X264所需要的上下文管理數據，
typedef struct X264Context {
??? x264_param_t params;
??? x264_t *enc;
??? x264_picture_t pic;
??? AVFrame out_pic;
} X264Context;
它屬于結構體AVCodecContext的void *priv_data變量，定義了每種編解碼器私有的上下文屬性，AVCodecContext也類似上下文基類一樣，還提供其他表示屏幕解析率、量化范圍等的上下文屬性和rtp_callback等函數指針供編解碼使用。

回到main函數，可以看到完成了各類編解碼器，輸入輸出格式和設備注冊以后，將進行上下文初始化和編解碼參數讀入，然后調用av_encode（）函數進行具體的編解碼工作。根據該函數的注釋一路查看其過程：

1. 輸入輸出流初始化。
2. 根據輸入輸出流確定需要的編解碼器，并初始化。
3. 寫輸出文件的各部分

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重點關注一下step2和3，看看怎么利用前面分析的編解碼器基類來實現多態。大概查看一下這段代碼的關系，發現在FFMPEG里，可以用類圖來表示大概的編解碼器組合。

可以參考【3】來了解這些結構的含義（見附錄）。在這里會調用一系列來自utils.c的函數，這里的avcodec_open（）函數，在打開編解碼器都會調用到，它將運行如下代碼：
??? avctx->codec = codec;
??? avctx->codec_id = codec->id;
??? avctx->frame_number = 0;
??? if(avctx->codec->init){
??????? ret = avctx->codec->init(avctx);
進行具體適配的編解碼器初始化，而這里的avctx->codec->init(avctx)就是調用AVCodec中函數指針定義的具體初始化函數，例如X264_init。

在avcodec_encode_video（）和avcodec_encode_audio（）被output_packet（）調用進行音視頻編碼，將同樣利用函數指針avctx->codec->encode（）調用適配編碼器的編碼函數，如X264_frame進行具體工作。

從上面的分析，我們可以看到FFMPEG怎么利用面向對象來抽象編解碼器行為，通過組合和繼承關系具體化每個編解碼器實體。設想要在FFMPEG中加入新的解碼器H265，要做的事情如下：
1. 在config編譯配置中加入CONFIG_H265_DECODER
2. 利用宏注冊H265解碼器
3. 定義AVCodec 265_decoder變量，初始化屬性和函數指針
4. 利用解碼器API具體化265_decoder的init等函數指針

完成以上步驟，就可以把新的解碼器放入FFMPEG，外部的匹配和運行規則由基類的多態實現了。

4. X264架構分析

X264是一款從2004年有法國大學生發起的開源H.264編碼器，對PC進行匯編級代碼優化，舍棄了片組和多參考幀等性能效率比不高的功能來提高編碼效率，它被FFMPEG作為引入的.264編碼庫，也被移植到很多DSP嵌入平臺。前面第三節已經對FFMPEG中的X264進行舉例分析，這里將繼續結合X264框架加深相關內容的了解。

查看代碼前，還是思考一下對于一款具體的編碼器，怎么面向對象分析呢？對熵編碼部分對不同算法的抽象，還有幀內或幀間編碼各種估計算法的抽象，都可以作為類來構建。

在X264中，我們看到的對外API和上下文變量都聲明在X264.h中，API函數中，關于輔助功能的函數在common.c中定義
void x264_picture_alloc( x264_picture_t *pic, int i_csp, int i_width, int i_height );
void x264_picture_clean( x264_picture_t *pic );
int x264_nal_encode( void *, int *, int b_annexeb, x264_nal_t *nal );
而編碼功能函數定義在encoder.c
x264_t *x264_encoder_open?? ( x264_param_t * );
int???? x264_encoder_reconfig( x264_t *, x264_param_t * );
int???? x264_encoder_headers( x264_t *, x264_nal_t **, int * );
int???? x264_encoder_encode ( x264_t *, x264_nal_t **, int *, x264_picture_t *, x264_picture_t * );
void??? x264_encoder_close? ( x264_t * );
在x264.c文件中，有程序的main函數，可以看作做API使用的例子，它也是通過調用X264.h中的API和上下文變量來實現實際功能。

X264最重要的記錄上下文數據的結構體x264_t定義在common.h中，它包含了從線程控制變量到具體的SPS、PPS、量化矩陣、cabac上下文等所有的H.264編碼相關變量。其中包含如下的結構體
??? x264_predict_t????? predict_16x16[4+3];
??? x264_predict_t????? predict_8x8c[4+3];
??? x264_predict8x8_t?? predict_8x8[9+3];
??? x264_predict_t????? predict_4x4[9+3];
??? x264_predict_8x8_filter_t predict_8x8_filter;

??? x264_pixel_function_t pixf;
??? x264_mc_functions_t?? mc;
??? x264_dct_function_t?? dctf;
??? x264_zigzag_function_t zigzagf;
??? x264_quant_function_t quantf;
??? x264_deblock_function_t loopf;
跟蹤查看可以看到它們或是一個函數指針，或是由函數指針組成的結構，這樣的用法很想面向對象中的interface接口聲明。這些函數指針將在x264_encoder_open（）函數中被初始化，這里的初始化首先根據CPU的不同提供不同的函數實現代碼段，很多與可能是匯編實現，以提高代碼運行效率。其次把功能相似的函數集中管理，例如類似intra16的4種和intra4的九種預測函數都被用函數指針數組管理起來。

x264_encoder_encode（）是負責編碼的主要函數，而其內包含的x264_slice_write（）負責片層一下的具體編碼，包括了幀內和幀間宏塊編碼。在這里，cabac和cavlc的行為是根據h->param.b_cabac來區別的，分別運行x264_macroblock_write_cabac（）和x264_macroblock_write_cavlc（）來寫碼流，在這一部分，功能函數按文件定義歸類，基本按照編碼流程圖運行，看起來更像面向過程的寫法，在已經初始化了具體的函數指針，程序就一直按編碼過程的邏輯實現。如果從整體架構來看，x264利用這種類似接口的形式實現了弱耦合和可重用，利用x264_t這個貫穿始終的上下文，實現信息封裝和多態。

本文大概分析了FFMPEG/X264的代碼架構，重點探討用C語言來實現面向對象編碼，雖不至于強行向C++靠攏，但是也各有實現特色，保證實用性。值得規劃C語言軟件項目所借鑒。?

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【參考文獻】

1.“用例子說明面向對象和面向過程的區別”
2.?liyuming1978，“liyuming1978的專欄”
3. “FFMpeg框架代碼閱讀”

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附錄：節選自【3】

3. 當前muxer/demuxer的匹配
在FFmpeg的文件轉換過程中，首先要做的就是根據傳入文件和傳出文件的后綴名[FIXME]匹配
合適的demuxer和muxer。匹配上的demuxer和muxer都保存在如下所示，定義在ffmpeg.c里的
全局變量file_iformat和file_oformat中：
? ? static AVInputFormat *file_iformat;
? ? static AVOutputFormat *file_oformat;

3.1 demuxer匹配
在libavformat/utils.c中的static AVInputFormat *av_probe_input_format2(
AVProbeData *pd, int is_opened, int *score_max)函數用途是根據傳入的probe data數據
，依次調用每個demuxer的read_probe接口，來進行該demuxer是否和傳入的文件內容匹配的
判斷。其調用順序如下：
void parse_options(int argc, char **argv, const OptionDef *options,?
? ? ? ? ? void (* parse_arg_function)(const char *));
? ? static void opt_input_file(const char *filename)
? ? ? ? int av_open_input_file(…… )
? ? ? ? ? ? AVInputFormat *av_probe_input_format(AVProbeData *pd,?
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? int is_opened)
? ? ? ? ? ? ? ? static AVInputFormat *av_probe_input_format2(……)
opt_input_file函數是在保存在const OptionDef options[]數組中，用于
void parse_options(int argc, char **argv, const OptionDef *options)中解析argv里的
“-i” 參數，也就是輸入文件名時調用的。

3.2 muxer匹配
與demuxer的匹配不同，muxer的匹配是調用guess_format函數，根據main() 函數的argv里的
輸出文件后綴名來進行的。
void parse_options(int argc, char **argv, const OptionDef *options,?
? ? ? ? ? void (* parse_arg_function)(const char *));
? ? void parse_arg_file(const char *filename)
? ? ? ? static void opt_output_file(const char *filename)
? ? ? ? ? ? AVOutputFormat *guess_format(const char *short_name,?
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? const char *filename,
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? const char *mime_type)

3.3 當前encoder/decoder的匹配
在main()函數中除了解析傳入參數并初始化demuxer與muxer的parse_options( )函數以外，
其他的功能都是在av_encode( )函數里完成的。
在libavcodec/utils.c中有如下二個函數:
? ? AVCodec *avcodec_find_encoder(enum CodecID id)
? ? AVCodec *avcodec_find_decoder(enum CodecID id)
他們的功能就是根據傳入的CodecID，找到匹配的encoder和decoder。

在av_encode( )函數的開頭，首先初始化各個AVInputStream和AVOutputStream，然后分別調
用上述二個函數，并將匹配上的encoder與decoder分別保存在:
AVInputStream->AVStream *st->AVCodecContext *codec->struct AVCodec *codec與
AVOutputStream->AVStream *st->AVCodecContext *codec->struct AVCodec *codec變量。

4. 其他主要數據結構
4.1 AVFormatContext
AVFormatContext是FFMpeg格式轉換過程中實現輸入和輸出功能、保存相關數據的主要結構。
每一個輸入和輸出文件，都在如下定義的指針數組全局變量中有對應的實體。
? ? static AVFormatContext *output_files[MAX_FILES];
? ? static AVFormatContext *input_files[MAX_FILES];
對于輸入和輸出，因為共用的是同一個結構體，所以需要分別對該結構中如下定義的iformat
或oformat成員賦值。
? ? struct AVInputFormat *iformat;
? ? struct AVOutputFormat *oformat;
對一個AVFormatContext來說，這二個成員不能同時有值，即一個AVFormatContext不能同時
含有demuxer和muxer。在main( )函數開頭的parse_options( )函數中找到了匹配的muxer和
demuxer之后，根據傳入的argv參數，初始化每個輸入和輸出的AVFormatContext結構，并保
存在相應的output_files和input_files指針數組中。在av_encode( )函數中，output_files
和input_files是作為函數參數傳入后，在其他地方就沒有用到了。

4.2 AVCodecContext
保存AVCodec指針和與codec相關數據，如video的width、height，audio的sample rate等。
AVCodecContext中的codec_type，codec_id二個變量對于encoder/decoder的匹配來說，最為
重要。
? ? enum CodecType codec_type;? ? /* see CODEC_TYPE_xxx */
? ? enum CodecID codec_id;? ? ? ? /* see CODEC_ID_xxx */

如上所示，codec_type保存的是CODEC_TYPE_VIDEO，CODEC_TYPE_AUDIO等媒體類型，
codec_id保存的是CODEC_ID_FLV1，CODEC_ID_VP6F等編碼方式。

以支持flv格式為例，在前述的av_open_input_file(…… ) 函數中，匹配到正確的
AVInputFormat demuxer后，通過av_open_input_stream( )函數中調用AVInputFormat的
read_header接口來執行flvdec.c中的flv_read_header( )函數。在flv_read_header( )函數
內，根據文件頭中的數據，創建相應的視頻或音頻AVStream，并設置AVStream中
AVCodecContext的正確的codec_type值。codec_id值是在解碼過程中flv_read_packet( )函
數執行時根據每一個packet頭中的數據來設置的。

4.3 AVStream
AVStream結構保存與數據流相關的編解碼器，數據段等信息。比較重要的有如下二個成員：
? ? AVCodecContext *codec; /**< codec context */
? ? void *priv_data;
其中codec指針保存的就是上節所述的encoder或decoder結構。priv_data指針保存的是和具
體編解碼流相關的數據，如下代碼所示，在ASF的解碼過程中，priv_data保存的就是
ASFStream結構的數據。
? ? AVStream *st;
? ? ASFStream *asf_st;??
? ? … …
? ? st->priv_data = asf_st;

4.4 AVInputStream/ AVOutputStream
根據輸入和輸出流的不同，前述的AVStream結構都是封裝在AVInputStream和AVOutputStream
結構中，在av_encode( )函數中使用。AVInputStream中還保存的有與時間有關的信息。
AVOutputStream中還保存有與音視頻同步等相關的信息。

4.5 AVPacket
AVPacket結構定義如下，其是用于保存讀取的packet數據。
typedef struct AVPacket {
? ? int64_t pts;? ? ? ? ? ? ///< presentation time stamp in time_base units
? ? int64_t dts;? ? ? ? ? ? ///< decompression time stamp in time_base units
? ? uint8_t *data;
? ? int? size;
? ? int? stream_index;
? ? int? flags;
? ? int? duration;? ? ? ? ///< presentation duration in time_base units (0 if not available)
? ? void (*destruct)(struct AVPacket *);
? ? void *priv;
? ? int64_t pos;? ? ? ? ? ///< byte position in stream, -1 if unknown
} AVPacket;

在av_encode()函數中，調用AVInputFormat的
(*read_packet)(struct AVFormatContext *, AVPacket *pkt)接口，讀取輸入文件的一幀數
據保存在當前輸入AVFormatContext的AVPacket成員中。

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