FFmpeg源代碼結構圖 - 解碼

近期研究了一下FFmpeg的內部的源代碼。之前對於FFmpeg的研究主要在它的應用層面上，因此製作的很多示例程序都是調用的FFmpeg的API。但是一直感覺這樣對FFmpeg的理解還是比較淺，所以打算剖析一下它的源代碼，理一下它內部結構的“脈絡”。但是有一個很難辦的問題：FFmpeg自帶的三個工程：ffplay， ffmpeg， ffprobe的代碼量非常的大，其中包含了成百上千的API；而這些API背後又包含了大量的FFmpeg內部函數。如此一來，幾乎是不可能理清他們之間的關係的。經過一番思考之後，打算選擇FFmpeg編碼和解碼過程中的最核心的API進行分析。在編碼或者解碼的過程中，核心的API數量不多，一共大約10個左右，這樣一來就可以剖析其內部的源代碼了。

FFmpeg解碼過程核心的API可以參考：《最簡單的基於FFmpeg+SDL的視頻播放器》
編碼過程核心的API可以參考：《最簡單的基於FFmpeg的視頻編碼器》

FFmpeg源代碼結構圖-解碼

首先呈現分析出來的FFmpeg源代碼結構圖。這張圖的尺寸非常的大，尺寸大約有4000x4000，有點像一張地圖（因此最好選擇“查看更清晰的圖片”之後，右鍵保存圖片到本機之後再查看）。它表明了FFmpeg在解碼一個視頻的時候的函數調用流程。爲了保證結構清晰，其中僅列出了最關鍵的函數，剔除了其它不是特別重要的函數。

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下面解釋一下圖中關鍵標記的含義。

函數背景色

函數在圖中以方框的形式表現出來。不同的背景色標誌了該函數不同的作用：

粉紅色背景函數：FFmpeg的API函數。
白色背景的函數：FFmpeg的內部函數。
黃色背景的函數：URLProtocol結構體中的函數，包含處理協議（Protocol）的功能。
綠色背景的函數：AVInputFormat結構體中的函數，包含處理封裝格式（Format）的功能。
藍色背景的函數：AVCodec結構體中的函數，包含了編解碼器（Codec）的功能。

PS：URLProtocol，AVInputFormat，AVCodec在FFmpeg開始運行並且註冊完組件之後，都會分別被連接成一個個的鏈表。因此實際上是有很多的URLProtocol，AVInputFormat，AVCodec的。圖中畫出瞭解碼一個輸入協議是“文件”（其實就是打開一個文件。“文件”也被當做是一種廣義的協議），封裝格式爲FLV，視頻編碼格式是H.264的數據的函數調用關係。

區域

整個架構圖可以分爲以下幾個區域：

左邊區域——架構函數區域：這些函數並不針對某一特定的視頻格式。
右上方黃色區域——協議處理函數區域：不同的協議（RTP，RTMP，FILE）會調用不同的協議處理函數。
右邊中間綠色區域——封裝格式處理函數區域：不同的封裝格式（MKV，FLV，MPEGTS，AVI）會調用不同的封裝格式處理函數。
右邊下方藍色區域——編解碼函數區域：不同的編碼標準（HEVC，H.264，MPEG2）會調用不同的編解碼函數。

箭頭線

爲了把調用關係表示的更明顯，圖中的箭頭線也使用了不同的顏色：

黑色箭頭線：標誌了函數之間的調用關係。

紅色的箭頭線：標誌瞭解碼的流程。

其他顏色的箭頭線：標誌了函數之間的調用關係。其中：

調用URLProtocol結構體中的函數用黃色箭頭線標識；

調用AVInputFormat結構體中的函數用綠色箭頭線標識；

調用AVCodec結構體中的函數用藍色箭頭線標識。

函數所在的文件

每個函數旁邊標識了它所在的文件的路徑。

此外，還有一點需要注意的是，一些API函數內部也調用了另一些API函數。也就是說，API函數並不一定全部都調用FFmpeg的內部函數，他也有可能調用其他的API函數。例如從圖中可以看出來，avformat_close_input()調用了avformat_free_context()和avio_close()。這些在內部代碼中被調用的API函數也標記爲粉紅色。

函數調用關係

下面簡單列出幾個區域中函數之間的調用關係（函數之間的調用關係使用縮進的方式表現出來）。詳細的函數分析可以參考相關的《FFmpeg源代碼分析》系列文章。

左邊區域（FFmpeg架構函數）

1. av_register_all()【函數簡單分析】

1) avcodec_register_all()

(a) REGISTER_HWACCEL()

(b) REGISTER_ENCODER()

(c) REGISTER_DECODER()

(d) REGISTER_PARSER()

(e) REGISTER_BSF()

2) REGISTER_MUXER()

3) REGISTER_DEMUXER()

4) REGISTER_PROTOCOL()

2. avformat_alloc_context()【函數簡單分析】

1) av_malloc(sizeof(AVFormatContext))

2) avformat_get_context_defaults()

(a) av_opt_set_defaults()

3. avformat_open_input()【函數簡單分析】

1) init_input()

(a) avio_open2()【函數簡單分析】

a) ffurl_open()

i. ffurl_alloc()

l url_find_protocol()

l url_alloc_for_protocol()

ii. ffurl_connect()

URLProtocol->url_open()

b) ffio_fdopen()

i. av_malloc(buffer_size)

ii. avio_alloc_context()

l av_mallocz(sizeof(AVIOContext))

l ffio_init_context()

(b) av_probe_input_buffer2()

a) avio_read()

i. AVInputFormat->read_packet()

b) av_probe_input_format2()

c) av_probe_input_format3()

i. av_iformat_next()

ii. av_match_name()

iii. av_match_ext()

iv. AVInputFormat->read_probe()

2) AVInputFormat->read_header()

4. avformat_find_stream_info()【函數簡單分析】

1) find_decoder()

(a) avcodec_find_decoder()

2) avcodec_open2()

3) read_frame_internal()

4) try_decode_frame()

(a) avcodec_decode_video2()

5) avcodec_close()

6) estimate_timings()

(a) estimate_timings_from_pts()

(b) estimate_timings_from_bit_rate()

(c) update_stream_timings()

5. avcodec_find_decoder()【函數簡單分析】

1) find_encdec()

6. avcodec_open2()【函數簡單分析】

1) AVCodec->init()

7. av_read_frame()【函數簡單分析】

1) read_from_packet_buffer()

2) read_frame_internal()

(a) ff_read_packet()

a) AVInputFormat->read_packet()

(b) parse_packet()

a) av_parser_parse2()

8. avcodec_decode_video2()【函數簡單分析】

1) av_packet_split_side_data()

2) AVCodec-> decode()

3) av_frame_set_pkt_pos()

4) av_frame_set_best_effort_timestamp()

9. avcodec_close()【函數簡單分析】

1) AVCodec->close()

10. avformat_close_input()【函數簡單分析】

1) AVInputFormat->read_close()

2) avformat_free_context()

(a) ff_free_stream()

3) avio_close()

(a) avio_flush()

a) flush_buffer()

(b) ffurl_close()

a) ffurl_closep()

URLProtocol->url_close()

右上區域（URLProtocol協議處理函數）

URLProtocol結構體包含如下協議處理函數指針：

url_open()：打開
url_read()：讀取
url_write()：寫入
url_seek()：調整進度
url_close()：關閉

【例子】不同的協議對應着上述接口有不同的實現函數，舉幾個例子：

File協議（即文件）對應的URLProtocol結構體ff_file_protocol：

url_open() -> file_open() -> open()
url_read() -> file_read() -> read()
url_write() -> file_write() -> write()
url_seek() -> file_seek() -> lseek()
url_close() -> file_close() -> close()

RTMP協議（libRTMP）對應的URLProtocol結構體ff_librtmp_protocol：

url_open() -> rtmp_open() -> RTMP_Init(), RTMP_SetupURL(), RTMP_Connect(), RTMP_ConnectStream()
url_read() -> rtmp_read() -> RTMP_Read()
url_write() -> rtmp_write() -> RTMP_Write()
url_seek() -> rtmp_read_seek() -> RTMP_SendSeek()
url_close() -> rtmp_close() -> RTMP_Close()

UDP協議對應的URLProtocol結構體ff_udp_protocol：

url_open() -> udp_open()
url_read() -> udp_read()
url_write() -> udp_write()
url_seek() -> udp_close()
url_close() -> udp_close()

右中區域（AVInputFormat封裝格式處理函數）

AVInputFormat包含如下封裝格式處理函數指針：

read_probe()：檢查格式
read_header()：讀取文件頭
read_packet()：讀取一幀數據
read_seek()：調整進度
read_close()：關閉

【例子】不同的封裝格式對應着上述接口有不同的實現函數，舉幾個例子：

FLV封裝格式對應的AVInputFormat結構體ff_flv_demuxer：

read_probe() -> flv_probe() –> probe()
read_header() -> flv_read_header() -> create_stream() -> avformat_new_stream()
read_packet() -> flv_read_packet()
read_seek() -> flv_read_seek()
read_close() -> flv_read_close()

MKV封裝格式對應的AVInputFormat結構體ff_matroska_demuxer：

read_probe() -> matroska_probe()
read_header() -> matroska_read_header()
read_packet() -> matroska_read_packet()
read_seek() -> matroska_read_seek()
read_close() -> matroska_read_close()

MPEG2TS封裝格式對應的AVInputFormat結構體ff_mpegts_demuxer：

read_probe() -> mpegts_probe()
read_header() -> mpegts_read_header()
read_packet() -> mpegts_read_packet()
read_close() -> mpegts_read_close()

AVI封裝格式對應的AVInputFormat結構體ff_avi_demuxer：

read_probe() -> avi_probe()
read_header() -> avi_read_header()
read_packet() -> avi_read_packet()
read_seek() -> avi_read_seek()
read_close() -> avi_read_close()

右下區域（AVCodec編解碼函數）

AVCodec包含如下編解碼函數指針：

init()：初始化
decode()：解碼一幀數據
close()：關閉

【例子】不同的編解碼器對應着上述接口有不同的實現函數，舉幾個例子：

HEVC解碼對應的AVCodec結構體ff_hevc_decoder：

init() -> hevc_decode_init()
decode() -> hevc_decode_frame() -> decode_nal_units()
close() -> hevc_decode_free()

H.264解碼對應的AVCodec結構體ff_h264_decoder：

init() -> ff_h264_decode_init()
decode() -> h264_decode_frame() -> decode_nal_units()
close() -> h264_decode_end()

VP8解碼（libVPX）對應的AVCodec結構體ff_libvpx_vp8_decoder：

init() -> vpx_init() -> vpx_codec_dec_init()
decode() -> vp8_decode() -> vpx_codec_decode(), vpx_codec_get_frame()
close() -> vp8_free() -> vpx_codec_destroy()

MPEG2解碼對應的AVCodec結構體ff_mpeg2video_decoder：

init() -> mpeg_decode_init()
decode() -> mpeg_decode_frame()
close() -> mpeg_decode_end()

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