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Android 13 - Media框架(11)- MediaCodec(一)

来自网友在路上 144844提问 提问时间:2023-10-21 15:54:13阅读次数: 44

最佳答案 问答题库448位专家为你答疑解惑

MediaCodec 是 Android 平台上音视频编解码的标准接口,无论是使用软解还是硬解都要通过调用 MediaCodec来完成,是学习 Android 音视频不可跳过的重要部分。MediaCodec 部分的代码有几千行,光是头文件就有几百行,对于我这样的新手来说,简直就劝退了,又或者是硬着头皮往下看,一行一行阅读,看到里面的各种状态各种变量,很容易就晕了。我们这一篇笔记旨在从设计思路的角度了解 MediaCodec,不仅仅是粘贴代码流程,力求更好地帮助理解 MediaCodec 的原理。
ps:由于本人水平有限,MediaCodec 中的部分内容也没有理解,如果有错误还恳请指正。

1、准备工作

MediaCodec 中有一些类我们暂时可以不用看,例如 ResourceManagerServiceProxy,大概是用于资源管理的,我们碰到可以跳过;还有一个类 Histogram,应该是做 decoder 性能统计用的,阅读过程中碰到同样跳过。

目前我只阅读了 ACodec,所以文中设计 CCodec 的部分暂时跳过,另外关于 ACodec 我们只要了解有什么接口就行,不必深入了解它的内部实现。

MediaCodec 使用异步消息处理机制(AMessage/ALooper/AHandler),不是很了解的同学可以阅读之前的文章 Android 13 - Media框架 - 异步消息机制。

观察 MediaCodec 对外开放的接口可以发现,很多接口使用的是消息的同步处理方法,例如 configure、setCallback、queueInputBuffer、dequeueInputBuffer 等等都是调用的 AMessage 的 postAndAwaitResponse 方法,为什么这里不直接在函数体中实现功能,非要使用消息同步消息机制处理呢?原因我们在之前的笔记中已经提到过了,异步消息处理机制可以帮我们实现线程同步,避免异常状态的出现。ACodec 会频繁向 MediaCodec 上抛消息,如果接口调用过程中有一些事件发送,很容易就出现异常了,使用异步消息机制将上层命令和底层回调放到同一个线程中处理,就会井井有条了。

可能有人还会问,为什么MediaCodec 部分对外接口不用异步处理呢?有些接口不太适宜异步调用,比如上面提到的queueInputBuffer 等,设计为异步的会增加外层的设计难度;其他的我也不是很了解,但是我觉得 MediaCodec 的外层 NuPlayerDecoder 已经使用了异步处理,如果 MediaCodec 也使用异步,异步套异步的情况下需要考虑的状态反而会变的更多,可能会得不偿失。

接下来我们就正式去看 MediaCodec 的实现。

2、MediaCodec的创建

    static sp<MediaCodec> CreateByType(const sp<ALooper> &looper, const AString &mime, bool encoder, status_t *err = NULL,pid_t pid = kNoPid, uid_t uid = kNoUid);static sp<MediaCodec> CreateByType(const sp<ALooper> &looper, const AString &mime, bool encoder, status_t *err,pid_t pid, uid_t uid, sp<AMessage> format);static sp<MediaCodec> CreateByComponentName(const sp<ALooper> &looper, const AString &name, status_t *err = NULL,pid_t pid = kNoPid, uid_t uid = kNoUid);

MediaCodec 隐藏了自己的构造函数,对外提供了三个静态函数用于创建自身实例,ps:这算不算建造者模式?。

  • CreateByType 会根据媒体类型(mime type)来选择合适的编解码组件(component),使用时需要指定创建解码器(decoder)还是编码器(encoder);要注意的是第二个CreateByType会传递 format 参数,这里传递的参数并不会用于 configure,仅仅用于编解码组件的选择;
  • CreateByComponentName 是由使用者指定要创建的编解码组件;

这三个方法最终会调用 MediaCodec 构造函数,并且调用 init 方法将 component name 传递给 MediaCodec。

MediaCodec 构造函数主要用于初始化成员变量,需要重点关注的是两个成员 mGetCodecBasemGetCodecInfo,这是两个函数指针:

  • mGetCodecBase:根据 component name 创建对应的 CodecBase 对象(ACodec/CCodec);
  • mGetCodecInfo:获取 component 所支援的媒体类型信息(MediaCodecInfo);

如果我们没有指定这两个函数,MediaCodec 为我们提供了默认实现,我们这里暂时先不了解。init 方法主要完成了 MediaCodec 的初始化工作,内容如下:

status_t MediaCodec::init(const AString &name) {// save init parameters for resetmInitName = name;mCodecInfo.clear();bool secureCodec = false;const char *owner = "";if (!name.startsWith("android.filter.")) {// 1、根据 component 获取 codecInfoerr = mGetCodecInfo(name, &mCodecInfo);// 2、这里会做 double checkif (err != OK) {mCodec = NULL;  // remove the codec.return err;}if (mCodecInfo == nullptr) {ALOGE("Getting codec info with name '%s' failed", name.c_str());return NAME_NOT_FOUND;}// 3、判断选择的是否是 secure componentsecureCodec = name.endsWith(".secure");Vector<AString> mediaTypes;// 4、获取当前的 codecInfo 中的 mediatype,判断创建的是什么组件mCodecInfo->getSupportedMediaTypes(&mediaTypes);for (size_t i = 0; i < mediaTypes.size(); ++i) {if (mediaTypes[i].startsWith("video/")) {mDomain = DOMAIN_VIDEO;break;} else if (mediaTypes[i].startsWith("audio/")) {mDomain = DOMAIN_AUDIO;break;} else if (mediaTypes[i].startsWith("image/")) {mDomain = DOMAIN_IMAGE;break;}}// 5、获取 component 隶属的架构owner = mCodecInfo->getOwnerName();}// 6、根据架构名和组件名创建CodecBasemCodec = mGetCodecBase(name, owner);// 7、如果是 video,则需要使用单独的 Looperif (mDomain == DOMAIN_VIDEO) {// video codec needs dedicated looperif (mCodecLooper == NULL) {status_t err = OK;mCodecLooper = new ALooper;mCodecLooper->setName("CodecLooper");err = mCodecLooper->start(false, false, ANDROID_PRIORITY_AUDIO);}mCodecLooper->registerHandler(mCodec);} else {mLooper->registerHandler(mCodec);}mLooper->registerHandler(this);// 8、创建 CodecCallback 和 BufferCallbackmCodec->setCallback(std::unique_ptr<CodecBase::CodecCallback>(new CodecCallback(new AMessage(kWhatCodecNotify, this))));mBufferChannel = mCodec->getBufferChannel();mBufferChannel->setCallback(std::unique_ptr<CodecBase::BufferCallback>(new BufferCallback(new AMessage(kWhatCodecNotify, this))));// 9、涉及到 CodecBase 状态的调用,用消息处理sp<AMessage> msg = new AMessage(kWhatInit, this);if (mCodecInfo) {msg->setObject("codecInfo", mCodecInfo);}msg->setString("name", name);sp<AMessage> response;err = PostAndAwaitResponse(msg, &response);return err;
}
  1. 根据传入参数 component name 获取对应的 codec Info,再反向获取 component 所支持的 mime type;可能会有人问,我上面明明已经传入 mime type了,为什么这里还要费力再反向获取呢?我觉得这是为了 CreateByComponentName 服务的,有的时候我们指定了组件名称,但是 MediaCodec 并不知道它是 audio 组件还是 video 组件,也不知道该组件系统是否支持,所以这里做了一次判断,这个步骤对于 CreateByType 是多余的,因为调用 init 之前已经通过 MediaCodecList 获取了支持当前 mime 的组件明;
  2. 获取 component 隶属的架构,MediaCodec 当前串接有两个编解码框架,一个是老的 ACodec/OMX 架构,另一个是新的 CCodec 架构,owner name 就是用来区分 component 是哪个架构下的,之后会根据这个 name 创建对应的 CCodec;
  3. 调用 mGetCodecBase 函数,利用 owner name 和 component name 创建 CodecBase 对象,我们暂时只看 ACodec
  4. 将 AHandler 注册到 ALooper 中,注意的是 Video Codec 将独享一个 looper,而 MediaCodec、Audio Codec 会共享上层传递的 looper;
  5. 给 ACodec 和 BufferChannel 注册回调消息;
  6. 发送消息,到 looper 线程中处理 kWhatInit 方法,调用 ACodec 的 initiateAllocateComponent 方法,这里我们要注意的是,发送消息调用的方法是 PostAndAwaitResponse,它内部封装的是 AMessage.postAndAwaitResponse,是阻塞处理消息

接下来我们一起来看 kWhatInit 是如何处理的:

        case kWhatInit:{// 1、检查状态if (mState != UNINITIALIZED) {PostReplyWithError(msg, INVALID_OPERATION);break;}// 2、判断是否正在等待某个方法返回if (mReplyID) {// 如果是就将消息先加入到容器中等待处理mDeferredMessages.push_back(msg);break;}sp<AReplyToken> replyID;CHECK(msg->senderAwaitsResponse(&replyID));mReplyID = replyID;// 3、设置新状态setState(INITIALIZING);sp<RefBase> codecInfo;(void)msg->findObject("codecInfo", &codecInfo);AString name;CHECK(msg->findString("name", &name));sp<AMessage> format = new AMessage;if (codecInfo) {format->setObject("codecInfo", codecInfo);}format->setString("componentName", name);// 4、调用 CodecBase 方法mCodec->initiateAllocateComponent(format);break;}
  1. 检查当前 MediaCodec 状态;我觉得 MediaCodec 的状态有两种作用,一个是检查当前的函数是否在合法状态下调用,另一个是当有事件需要处理时,根据当前的状态做出不同的反应,例如 callback 到达时根据当前状态做不同处理。
  2. MediaCodec 会有一些中间状态,例如这里的 INITIALIZING,表示正在处理 init 的过程中。这里有个DeferredMessages用于存储即将延时处理的消息,这个情况什么时候会出现?比如说我们当前正在处理上层调用的 flush 方法,调用 ACodec 的异步方法后会等待消息返回,这期间收到了 BufferChannel 发过来的消息,消息会进入到 looper 线程处理,但是我们要先等待 ACodec flush 处理完成,再去处理 BufferChannel 的消息,因为 flush 之后所有的 buffer 将被刷新。我觉得 DeferredMessages 是用来处理消息优先级的,如果当前有上层函数调用(命令),将会优先等待这些消息处理完成。
  3. 调用 setState 设置当前状态,我们要了解的是出了设置状态外,里面还会重置 flag 等内容,flag 具体有什么作用我们后面再看
  4. 调用 CodecBase 的 initiateAllocateComponent 方法,从这里我们大致可以了解到,创建 Component 只需要传递 component name 一个参数即可。

从这里我们可知道,调用 initiateAllocateComponent 传入的 format 参数中必须要有两个内容:

  • codecInfo:组件所对应的 codecInfo,如果为 NULL,说明在 MediaCodecList 中没有找到组件对应的信息,这个组件是系统所不支援的;
  • componentName:组件名称,ACodec 会根据该组件创建 omx 组件。

关于 secure component 和 普通 component 的一些内容:我们平时创建的组件以普通组件为主,如果想要创建 secure 组件,一般是调用 CreateByComponentName 直接指定组件名,使用 CreateByType 似乎并不能指定创建 secure 还是 non-secure 组件。

ACodec 创建组件之后会调用 Callback 结束 MediaCodec 阻塞状态,具体有那些callback 参考 CodecBase::CodecCallback,这里调用的是 onComponentAllocated

在看 onMessageReceived 方法时,我们要知道 AMessage.what 用于区分是什么模块发来的消息,AMessage 中的字段 what 用于区分是模块发来的具体消息内容。

                case kWhatComponentAllocated:{if (mState == RELEASING || mState == UNINITIALIZED) {// In case a kWhatError or kWhatRelease message came in and replied,// we log a warning and ignore.ALOGW("allocate interrupted by error or release, current state %d/%s",mState, stateString(mState).c_str());break;}// 检查当前状态并且设置新的状态,设置flagCHECK_EQ(mState, INITIALIZING);setState(INITIALIZED);mFlags |= kFlagIsComponentAllocated;// 检查创建的组件名称CHECK(msg->findString("componentName", &mComponentName));const char *owner = mCodecInfo ? mCodecInfo->getOwnerName() : "";if (mComponentName.startsWith("OMX.google.")&& strncmp(owner, "default", 8) == 0) {mFlags |= kFlagUsesSoftwareRenderer;} else {mFlags &= ~kFlagUsesSoftwareRenderer;}mOwnerName = owner;if (mComponentName.endsWith(".secure")) {mFlags |= kFlagIsSecure;mediametrics_setInt32(mMetricsHandle, kCodecSecure, 1);} else {mFlags &= ~kFlagIsSecure;mediametrics_setInt32(mMetricsHandle, kCodecSecure, 0);}// 结束阻塞并且处理被延迟的消息postPendingRepliesAndDeferredMessages("kWhatComponentAllocated");break;}

kWhatComponentAllocated 的处理比较简单,主要是更新状态,更新 MediaCodec flags,结束阻塞调用并处理被推迟的消息。

void MediaCodec::postPendingRepliesAndDeferredMessages(std::string origin, status_t err /* = OK */) {sp<AMessage> response{new AMessage};if (err != OK) {response->setInt32("err", err);}postPendingRepliesAndDeferredMessages(origin, response);
}void MediaCodec::postPendingRepliesAndDeferredMessages(std::string origin, const sp<AMessage> &response) {LOG_ALWAYS_FATAL_IF(!mReplyID,"postPendingRepliesAndDeferredMessages: mReplyID == null, from %s following %s",origin.c_str(),mLastReplyOrigin.c_str());mLastReplyOrigin = origin;// 返回阻塞调用结果response->postReply(mReplyID);mReplyID.clear();ALOGV_IF(!mDeferredMessages.empty(),"posting %zu deferred messages", mDeferredMessages.size());// 将所有推迟的消息重新 post 出去处理for (sp<AMessage> msg : mDeferredMessages) {msg->post();}mDeferredMessages.clear();
}

3、configure

MediaCodec 提供了2个版本的 configure 方法:

    status_t configure(const sp<AMessage> &format,const sp<Surface> &nativeWindow,const sp<ICrypto> &crypto,uint32_t flags);status_t configure(const sp<AMessage> &format,const sp<Surface> &nativeWindow,const sp<ICrypto> &crypto,const sp<IDescrambler> &descrambler,uint32_t flags);
  • format:需要编码/解码数据的格式信息;
  • nativeWindow:用于显示的窗口(surface),如果在configure时没有设定,也可以调用setSurface方法来设定;如果起播时没有设置窗口,后续也可以再调用 setSurface 方法来设置显示窗口;
  • crypto、descrambler:用于处理加密视频和解扰播放的参数;
  • flags:目前有两个flag,CONFIGURE_FLAG_ENCODE(用于标记当前codec用于编码还是解码) 和 CONFIGURE_FLAG_USE_BLOCK_MODEL(目前还不太了解有什么用)。

先抛出一个问题,传递给 configure 方法的参数中需要包含什么信息呢?什么是必要的,什么是可选的?接下来我们就一起来看 configure 实现,我们将会暂时忽略 mediametrics 相关的内容。

status_t MediaCodec::configure(const sp<AMessage> &format,const sp<Surface> &surface,const sp<ICrypto> &crypto,const sp<IDescrambler> &descrambler,uint32_t flags) {sp<AMessage> msg = new AMessage(kWhatConfigure, this);...if (mIsVideo) {format->findString("log-session-id", &mLogSessionId);format->findInt32("width", &mVideoWidth);format->findInt32("height", &mVideoHeight);if (mVideoWidth < 0 || mVideoHeight < 0 ||(uint64_t)mVideoWidth * mVideoHeight > (uint64_t)INT32_MAX / 4) {ALOGE("Invalid size(s), width=%d, height=%d", mVideoWidth, mVideoHeight);return BAD_VALUE;}} else {if (nextMetricsHandle != 0) {int32_t channelCount;if (format->findInt32(KEY_CHANNEL_COUNT, &channelCount)) {}int32_t sampleRate;if (format->findInt32(KEY_SAMPLE_RATE, &sampleRate)) {}}}......msg->setMessage("format", format);msg->setInt32("flags", flags);msg->setObject("surface", surface);if (crypto != NULL || descrambler != NULL) {if (crypto != NULL) {msg->setPointer("crypto", crypto.get());} else {msg->setPointer("descrambler", descrambler.get());}} ......
}

可以看到,如果是用于解码video,那么必须要设置画面的宽高信息(可以先随意设置,但至少要有),如果没有那么 MediaCodec 会直接报错;audio可能需要channel count 和 sample rate信息,但是没有这里也不会报错。

        case kWhatConfigure:{if (mState != INITIALIZED) {PostReplyWithError(msg, INVALID_OPERATION);break;}if (mReplyID) {mDeferredMessages.push_back(msg);break;}sp<AReplyToken> replyID;CHECK(msg->senderAwaitsResponse(&replyID));// 查找 msg 中的 surfacesp<RefBase> obj;CHECK(msg->findObject("surface", &obj));// 查找 msg 中的 formatsp<AMessage> format;CHECK(msg->findMessage("format", &format));// 结束播放时不保留最后一帧int32_t push;if (msg->findInt32("push-blank-buffers-on-shutdown", &push) && push != 0) {mFlags |= kFlagPushBlankBuffersOnShutdown;}// 配置 surfaceif (obj != NULL) {if (!format->findInt32(KEY_ALLOW_FRAME_DROP, &mAllowFrameDroppingBySurface)) {// allow frame dropping by surface by defaultmAllowFrameDroppingBySurface = true;}format->setObject("native-window", obj);status_t err = handleSetSurface(static_cast<Surface *>(obj.get()));if (err != OK) {PostReplyWithError(replyID, err);break;}} else {// we are not using surface so this variable is not used, but initialize sensibly anywaymAllowFrameDroppingBySurface = false;handleSetSurface(NULL);}uint32_t flags;CHECK(msg->findInt32("flags", (int32_t *)&flags));// 根据 flag 判断是否要使用 block mode,block mode似乎只能在异步模式下使用,看起来是 C2 使用的if (flags & CONFIGURE_FLAG_USE_BLOCK_MODEL) {if (!(mFlags & kFlagIsAsync)) {PostReplyWithError(replyID, INVALID_OPERATION);break;}mFlags |= kFlagUseBlockModel;}mReplyID = replyID;setState(CONFIGURING);void *crypto;if (!msg->findPointer("crypto", &crypto)) {crypto = NULL;}// 解密/解扰工作由 bufferchannel 完成mCrypto = static_cast<ICrypto *>(crypto);mBufferChannel->setCrypto(mCrypto);void *descrambler;if (!msg->findPointer("descrambler", &descrambler)) {descrambler = NULL;}mDescrambler = static_cast<IDescrambler *>(descrambler);mBufferChannel->setDescrambler(mDescrambler);// 如果 flag 是 encoder,那么需要在 format 中做设定format->setInt32("flags", flags);if (flags & CONFIGURE_FLAG_ENCODE) {format->setInt32("encoder", true);mFlags |= kFlagIsEncoder;}// 提取 format 中的 csd 信息extractCSD(format);// 判断是否为 tunnel modeint32_t tunneled;if (format->findInt32("feature-tunneled-playback", &tunneled) && tunneled != 0) {ALOGI("Configuring TUNNELED video playback.");mTunneled = true;} else {mTunneled = false;}// 后台播放?int32_t background = 0;if (format->findInt32("android._background-mode", &background) && background) {androidSetThreadPriority(gettid(), ANDROID_PRIORITY_BACKGROUND);}mCodec->initiateConfigureComponent(format);break;}

这里来记录下部分 format 和 flag 的作用:

  • push-blank-buffers-on-shutdown:结束播放时不保留最后一帧;
  • CONFIGURE_FLAG_USE_BLOCK_MODEL:CCodec 使用;
  • CONFIGURE_FLAG_ENCODE:标记是 encoder 还是 decoder,如果没有默认是 decoder,在 format 中添加 encoder 信息;
  • feature-tunneled-playback:配置 tunnel mode;
  • android._background-mode:可能是用于后台播放;

除了以上提到的信息外,configure 还需要什么 format 信息呢?具体要看 CodecBase 中的 configure 是如何写的,以 ACodec 为例子,mime 也是 format 的必要信息,如果没有就会报错了,这部分我们后面看到 ACodec 时再来了解。

这里贴一个input format示例,format 由 Extractor parse出来,但不是所有信息都用于 configure:在这里插入图片描述
CodecBase 处理完成之后会调用 callback 返回结果:

void CodecCallback::onComponentConfigured(const sp<AMessage> &inputFormat, const sp<AMessage> &outputFormat) {sp<AMessage> notify(mNotify->dup());notify->setInt32("what", kWhatComponentConfigured);notify->setMessage("input-format", inputFormat);notify->setMessage("output-format", outputFormat);notify->post();
}

onComponentConfigured 有两个参数,inputFormat 是设置给 component 的格式(输入数据的信息), outputFormat 是 component 回传的格式(输出数据的格式)。

                case kWhatComponentConfigured:{if (mState == RELEASING || mState == UNINITIALIZED || mState == INITIALIZED) {// In case a kWhatError or kWhatRelease message came in and replied,// we log a warning and ignore.ALOGW("configure interrupted by error or release, current state %d/%s",mState, stateString(mState).c_str());break;}CHECK_EQ(mState, CONFIGURING);// reset input surface flagmHaveInputSurface = false;CHECK(msg->findMessage("input-format", &mInputFormat));CHECK(msg->findMessage("output-format", &mOutputFormat));// limit to confirming the opt-in behavior to minimize any behavioral changeif (mSurface != nullptr && !mAllowFrameDroppingBySurface) {// signal frame dropping mode in the input format as this may also be// meaningful and confusing for an encoder in a transcoder scenariomInputFormat->setInt32(KEY_ALLOW_FRAME_DROP, mAllowFrameDroppingBySurface);}sp<AMessage> interestingFormat =(mFlags & kFlagIsEncoder) ? mOutputFormat : mInputFormat;ALOGV("[%s] configured as input format: %s, output format: %s",mComponentName.c_str(),mInputFormat->debugString(4).c_str(),mOutputFormat->debugString(4).c_str());int32_t usingSwRenderer;if (mOutputFormat->findInt32("using-sw-renderer", &usingSwRenderer)&& usingSwRenderer) {mFlags |= kFlagUsesSoftwareRenderer;}setState(CONFIGURED);postPendingRepliesAndDeferredMessages("kWhatComponentConfigured");......break;}

对于 kWhatComponentConfigured 的处理这里就不做过多了解,这里只看下 using-sw-renderer,如果输出格式中带有这个信息,那么将会使用软件渲染 SoftwareRenderer,这里渲染的意思应该是对输出数据进行处理,例如剪裁、旋转、颜色空间转换 ColorConverter 等。

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