之前參與的萬能視頻播放器項目采用了多媒體GStreamer開源框架，在最上層業務層通過連接各個插件形成一個pipeline來完成相應的業務需求。但之前沒接觸過GStreamer框架，所以從項目的前期預研開始，就從GStreamer最基本的概念開始熟悉，逐步解決項目中遇到的多個問題。本文根據此次項目實踐，對GStreamer多媒體框架做一個相對全面的總結。

1、GStreamer簡介

GStreamer是GNOME桌面環境下用來創建流媒體應用的多媒體框架，其基本設計思想來自于俄勒岡(Oregon)研究生學院有關視頻管道的創意，同時也借鑒了DirectShow的設計思想。

GStreamer是用c語言實現的，使用了面向對象的思維。GStreamer框架是基于插件和管道的，所有的插件都能夠被鏈接到任意的已經定義的數據流管道中，數據通過管道機制進行統一交換。GStreamer的很多優點來源于其框架的模塊化，使得新的插件能夠無縫合并。

GStreamer能夠處理任意類型的數據流，其目標是要簡化音/視頻應用程序的開發，其最顯著的用途是在構建音視頻播放器、編輯音視頻文件、音視頻格式轉換和流媒體服務上，GStreamer已經能夠被用來處理像 MP3、Ogg、MPEG1、MPEG2、AVI、Quicktime 等多種格式的多媒體數據。

GStreamer核心庫函數是一個處理插件、數據流和媒體操作的框架。另外，其還提供了一套API，用于程序員使用其它插件來編寫他所需要的應用程序時使用。但是，由于追求模塊化和高效率，使得GStreamer在整個框架上變的復雜，也同時因為復雜度的提高，使得開發一個新的應用程序顯得不是那么的簡單。

2、GStreamer基本概念

2.1、元件（Element）

元件是GStreamer的核心，是具有一定功能的基本單元，可將其描述為一個具有特定屬性的黑盒子。其在代碼里面的類型是GstElement，可以理解為Gstreamer里面的基類。Gstreamer默認安裝了很多有用的元件，按照功能上的差異，element分為以下幾類：

（1）source element 數據源元件，只有輸出端，用來產生供管道消費的數據，例如，音頻捕捉單元，它從聲卡讀取原始音頻數據，供其它模塊用；

（2）filter(/filter-like) element 中間元件，包括過濾器、轉換器、復用器、解復用器、編解碼器等，其既有輸入端又有輸出端，從輸入端獲得相應數據，經過處理之后傳遞給輸出端，有的element可能有一個source pad多個sink pads（demux），有的可能有多個source pads一個sink pad（mux），有的有一個source pad一個sink pad，例如，音頻編碼單元，它從外界獲得音頻數據之后，根據壓縮算法編碼后，給其它模塊使用；

（3）sink elements 接收器元件，只有輸入端，僅有消費數據的能力，是整條媒體管道的終端，例如，音頻回放單元，負責將接收到的數據寫到聲卡上；

2.2、箱柜（Bin）

由多個基本單元組成的一個高級的功能單元，是裝載元件的容器，可以通過改變一個Bin的狀態來改變其內部所有元件的狀態，Bin可以發送總線消息(bus message)給其子集元件。

Bin和pipeline的區別就是pipeline肯定是bin，但bin不一定是pipeline，bin就像一個盒子，里面放了什么東西，功能具體是怎么實現的，用戶可以不關心，bin是元件的集合，而pipeline更強調應用的可執行性。

2.3、管道（Pipeline）

最高等級的Bin，是一種允許對所包含的元件進行安排（scheduling）的普通容器。頂層（toplevel）箱柜必須為一個管道，因此每個GStreamer應用程序都至少需要一個管道。當應用程序啟動后，管道會自動運行在后臺線程中，下面是一個典型的pipeline示例：

2.4、襯墊（Pad）

不同Elements之間的鏈接點，數據流在元件之間流動就是依靠Pads。Pads有處理特殊數據的能力，也就是其支持特定媒體類型的能力，一個Pads能夠限制數據流類型的通過，鏈接成功的條件是，兩個Pads允許通過的數據類型一致時才能建立（數據類型協商）。

Pads按照數據導向，可分為source pads(element的輸出)，sink pads(element 的輸入)，按照時效性可分為，永久型(always)、隨機型(sometimes)、請求型(on request)，三種時效性的意義顧名思義: 永久型的襯墊一直會存在，隨機型的襯墊只在某種特定的條件下才存在(會隨機消失的襯墊也屬于隨機型)，請求型的襯墊只在應用程序明確發出請求時才出現。

Pads通過GstCaps對象進行描述，一個GstCaps對象包括一個或者多個GstStructure對象，一個GstStructure描述一種媒體類型，其結構中只包含功能集中規定的固定值。

2.5、能力集（Caps）

Pad的屬性描述，例如：

? SRC template: 'src'
? ? Availability: Always
? ? Capabilities:
? ? ? audio/x-raw-float
? ? ? ? ? ? ? ? ? ?rate: [ 8000, 50000 ]
? ? ? ? ? ? ? ?channels: [ 1, 2 ]
? ? ? ? ? ? ?endianness: 1234
? ? ? ? ? ? ? ? ? width: 32
? ? ? ? ? buffer-frames: 0
? SINK template: 'sink'
? ? Availability: Always
? ? Capabilities:
? ? ? audio/x-vorbis

2.6、幽靈pad（ghost pad）

bin本身沒有pad，所以就沒有辦法把兩個bin鏈接起來。但可以用bin中的一個元件的pad構造一個代理pad，這樣bin就有一個代理pad了。這個pad實際指向被代理的那個單元的pad，示例如下：

2.7、Bus

Bus采用自己的線程機制，負責pipeline線程和應用程序程序之間的通信。每個pipeline缺省創建一個Bus，應用程序在總線上設置一個類似于對象的信號處理的消息處理器，當主循環運行的時候，總線將會輪詢這個消息處理器是否有新的消息，當消息被采集到后，總線將呼叫相應的回調函數來完成相關操作。

應用程序有兩種方法使用Bus，第一種是使用 GLib/Gtk+ main loop及gst_bus_add_watch () or gst_bus_add_signal_watch()事件回調函數機制，第二種是程序通過gst_bus_peek () /gst_bus_poll ()主動檢查Bus中的消息；

2.8、緩沖區（Buffer）

管道的數據流由一組緩沖區和事件組成，緩沖區包括實際的管道數據，事件包括控制信息，如尋找信息和流的終止信號。所有這些數據流在運行的時候自動的流過管道。

緩沖區包含了你創建的管道里的數據流，通常一個源元件會創建一個新的緩沖區，同時元件還將會把緩沖區的數據傳遞給下一個元件。一個緩沖區主要由以下一個組成：

（1）指向某塊內存的指針；

（2）內存的大小；

（3）緩沖區的時間戳；

（4）一個引用計數，指出了緩沖區所使用的元件數。沒有元件可引用的時候，這個引用將用于銷毀緩沖區。

buffer的創建有2種方式，一種是由當前的element自己創建，然后把這個buffer傳遞給下一個element；另外一種方式就是dwonstream-allocated buffers，就是由下一個element來創建要求大小的buffer，并提供buffer操作函數，當前element通過調用buffer操作函數將數據寫入這個buffer中完成buffer數據傳遞。其區別在于buffer的創建是在數據傳輸的源端element創建還是在數據接收端element來創建。

2.9、插件（Plugin）

元件必須封裝在插件中才能被使用，一個插件是一塊可以加載的代碼，通常被稱為共享對象文件（shared object file）或動態鏈接庫（dynamically linked library），一個插件中可以包含一個或若干element。

3、GStreamer基本架構

GStreamer core、Plugins以及依賴的第三方開源庫的架構關系，如下圖所示，

Gstreamer的組成結構如下圖所示：

4、GStreamer通信機制

Gstreamer的通信機制示意圖及解釋如下：

4.1、Message

pipeline用來主動向外報告自己的運行狀態。這些Message被發送到一個消息隊列，也就是pipeline的Bus，應用程序可以從Bus中獲取Message，并作出自定義的反應。Message是GST提供的，屬于異步操作；

4.2、Event

pipeline中插件之間進行通信的機制，分為下行事件，上行事件和雙向事件。也可以由應用程序直接向某一個插件發送事件，但起作用的前提是：該插件定義了該事件的響應操作。 通過事件可以控制整個pipeline的運行狀態。

下行事件是由source插件向sink插件方向傳輸，例如，

GST_EVENT_EOS （流的終止信號）

GST_EVENT_NEWSEGMENT

上行事件是由sink插件向source插件方向傳輸，用于改變管道中數據流的狀態，例如：

GST_EVENT_QOS

GST_EVENT_SEEK（查找）

雙向事件，例如：

GST_EVENT_FLUSH_START

GST_EVENT_FLUSH_STOP

4.3、Signal

應用程序控制某一插件的運行狀態，signal可以看做Glib對象的一個屬性，是由Gobject系統提供的，屬于同步操作，與linux中的系統信號有差別。通過信號可以讓某個插件做一些對插件本身變量的操作，比如增加或者刪除一些維護信息等等。

4.4、Probe

應用程序可以通過探針Probe來探測某個插件的pad中流過的數據，比如：在audioconert 插件的src pad 加一個探針，每當有buf到達時，就調用callback_have_data()，這里這個函數只是打印一下buf的大小，統計一下buf流過的個數；

//main
GstPad *m_pad_concert_src = gst_element_get_static_pad(m_gst_convert, "src");   
gst_pad_add_buffer_probe(m_pad_concert_src, G_CALLBACK(callback_have_data), NULL);
gst_object_unref(m_pad_concert_src);
 
/*******Callback handler when probe date received***********/
static gboolean callback_have_data(GstPad *padsrc, GstBuffer *buffer, gpointer data)
{
    gint    iBufSize = 0;
    gchar*     pBuffer = NULL;
    iBufSize = GST_BUFFER_SIZE(buffer);
    pBuffer = (gchar*)GST_BUFFER_DATA(buffer);
    static gint numBuf = 0;
    g_print("\rBUF %d  Size=%d   ", numBuf++, iBufSize);
    return TRUE;
}

4.5、Quary

應用程序可以查詢pipline當前的運行狀態，比如：以下代碼用來查詢當前播放的位置，和總的播放時間。

GstFormat m_format = GST_FORMAT_TIME;
gint64 m_position , m_length;
if( gst_element_query_position(pipeline, &m_format,&m_position) &&
  gst_element_query_duration(pipeline, &m_format, &m_length))
{
        g_print("Current: %"GST_TIME_FORMAT"   Total: %" GST_TIME_FORMAT "\r", 
            GST_TIME_ARGS(m_position),GST_TIME_ARGS(m_length));
}

5、GStreamer元件狀態

一個元件在被創建后，它不會執行任何操作，通過改變元件的狀態，才能使它做某些事情。元件有四種狀態，每種狀態都有其特定的意義，具體如下：

GST_STATE_NULL 默認狀態：沒有分配任何資源，沒有載入插件，不能處理數據；

GST_STATE_READY 預備狀態：分配或載入所有與流無關的資源(非硬件資源)，所有數據流的位置信息應該自動置0，如果數據流先前被打開過，它應該被關閉，并且其位置信息、特性信息應該被重新置為初始狀態；

GST_STATE_PAUSED 暫停狀態：準備好全部資源，接受數據流，只是sink element暫停，收到數據不處理，只是block；

GST_STATE_PLAYING 播放狀態：準備好全部資源，接受并處理數據流；其實這個狀態除了當前運行時鐘外，其它與PAUSED狀態一樣，可以通過gst_element_set_state()來改變一個元件的狀態，當元件處于GST_STATE_PLAYING狀態，管道會開始自動處理數據。

6、GStreamer中的幾個關鍵概念

6.1、識別流的MIME類型

元件通過caps來描述其能處理的媒體格式，元件之間交互數據流通過caps協商，caps是一個mime類型或者一些特性集的組合。

一個加載進系統的元件必須提供其源襯墊和接收襯墊支持的mime類型。通過Gstreamer注冊中心可以知道目前注冊的不同的元件，以及他們所期望得到的與他們能夠產生的媒體類型，下圖顯示了管道中每個Pads所處理的MIME類型。

6.2、媒體流類型檢測（typefind）

通常當加載一個新的媒體流時，媒體的類型并不明了。這意味著選擇一條管道來對媒體流進行解碼之前，首先需要檢測媒體流的類型。 GStreamer 使用了類型檢測 (typefinding) 來達到此目的。類型檢測是構建管道所必經的步驟。

首先它會一直讀取數據流，在此期間，它會把數據提供給所有的實現了類型檢測器 (typefinder) 的插件，當其中任何一個類型檢測器識別出數據流，這個類型檢測器元件將會發送一個信號，并開始像一個關卡 (passthrough)模塊一樣工作。如果數據流的類型沒有被任何類型檢測器識別出來，管道會發送一個錯誤信息，并終止所有正在處理該數據流的動作。一旦類型檢測元件找到一個類型，應用程序將會使用該元件作為管道的一部分來解碼媒體流。

6.3、數據探測

探測是襯墊監聽器的形象比喻，從技術上，探針僅僅是一個可以依附于襯墊的回調信號。這些信號默認是沒有被發射(fired)的(不然的話會降低性能)，但是可以通過附加探針調用gst_pad_add_data_probe() 或類似的函數被激活，這些函數附加了信號處理器，并激活實際信號的發射。

同樣地，你可以用 gst_pad_remove_data_probe () 或相關函數來刪除信號處理器，也可以只是監聽時間或緩沖區。 探針在管道的線程context運行，所以回調不應該阻塞，而且通常不能有異常的阻塞，否則會降低管道的性能，如果出現這樣的缺陷，會導致死鎖甚至崩潰。

6.4、插件加載流程

如下圖所示，基于插件的程序，其工作原理本質上都是通過讀取動態庫實現的，只需要每個動態庫中實現某一個特定的接口就可以了，比如XX_init等，這里就是plugin_init。里面會有個像注冊表一樣的數據結構會存儲所有的插件的信息。

7、GStreamer開發示例-MP3文件播放器

利用GStreamer框架提供的組件，來實現一個簡單的MP3播放器。數據源元件負責從磁盤上讀取數據，過濾器元件負責對數據進行解碼，而接受器元件則負責將解碼后的數據寫入聲卡，示例代碼和注釋如下：

#include <gst/gst.h>
#include <glib.h>
//定義消息處理函數,
static gboolean bus_call(GstBus *bus,GstMessage *msg,gpointer data)
{
    GMainLoop *loop = (GMainLoop *) data;//主循環的指針，接受EOS消息時退出
    switch (GST_MESSAGE_TYPE(msg))
    {
        case GST_MESSAGE_EOS:
            g_print("End of stream\n");
            g_main_loop_quit(loop);
            break;
        case GST_MESSAGE_ERROR:
        {
            gchar *debug;
            GError *error;
            gst_message_parse_error(msg,&error,&debug);
            g_free(debug);
            g_printerr("ERROR:%s\n",error->message);
            g_error_free(error);
            g_main_loop_quit(loop);
            break;
        }
        default:
             break;
    }
    return TRUE;
}
int main(int argc,char *argv[])
{
    GMainLoop *loop;
    GstElement *pipeline,*source,*decoder,*sink;//定義組件
    GstBus *bus;
    gst_init(&argc,&argv); //初始化gstreamer
    loop = g_main_loop_new(NULL,FALSE);//創建主循環，在執行 g_main_loop_run后正式開始循環
    if(argc != 2)
    {
        g_printerr("Usage:%s <mp3 filename>\n",argv[0]);
        return -1;
    }
    //創建管道和元件
    pipeline = gst_pipeline_new("audio-player"); //管道用來容納元件
    source = gst_element_factory_make("filesrc","file-source");//數據源元件
    decoder = gst_element_factory_make("mad","mad-decoder");//過濾器元件
    sink = gst_element_factory_make("autoaudiosink","audio-output");//接收器元件
    if(!pipeline||!source||!decoder||!sink){
        g_printerr("One element could not be created.Exiting.\n");
        return -1;
    }
    //設置 source的location 參數，即文件地址.
    g_object_set(G_OBJECT(source),"location",argv[1],NULL);
    //得到管道的消息總線
    bus = gst_pipeline_get_bus(GST_PIPELINE(pipeline));
    //添加消息監視器
    gst_bus_add_watch(bus,bus_call,loop);
    gst_object_unref(bus);
    //把元件添加到管道中。管道是一個特殊的組件，可以更好的讓數據流動
    gst_bin_add_many(GST_BIN(pipeline),source,decoder,sink,NULL);
    //通過襯墊依次連接元件
    gst_element_link_many(source,decoder,sink,NULL);
    //啟動管道，開始播放
    gst_element_set_state(pipeline,GST_STATE_PLAYING);
    g_print("Running\n");
    //開始循環
    g_main_loop_run(loop);
    g_print("Returned,stopping playback\n");
    //終止管道，釋放資源
    gst_element_set_state(pipeline,GST_STATE_NULL);
    gst_object_unref(GST_OBJECT(pipeline));
    return 0;
}

編譯運行

gcc-Wall$(pkg-config--cflags--libsgstreamer-0.10)-gtest2.c-otest2

./test2/home/phinecos/test.mp3

8、最后

本文總結了多媒體框架GStreamer一些基本概念及流程，希望能給使用GStreamer開源庫的朋友提供一個借鑒或參考。