Live555源码解析(1) - Main 寻根问祖，留其筋骨

开始分析MediaServer源码前，结合官方文档说明，对各文件夹源码总结如下：

• groupsock
  静态库，封装了network interfaces和sockets。举例而言，Groupsock类中封装了一个收发组播数据包的socket。

• liveMedia
  静态库，定义了一系列类簇，根类为Medium，这些类支持了多种媒体类型和编解码器。

• WindowsAudioInputDevice
  静态库，实现了liveMedia中的AudioInputDevice虚基类，可为Windows程序提供从输入设备中读取PCM audio samples的功能。

• UsageEnvironment
  静态库，内部主要有如下几个虚基类：

  • TaskScheduler

    为DelayedTask、socket后台操作处理、事件event提供调度支持

  • HashTable

    定义通用hash表的接口，供其他代码使用

  • UsageEnvironment

    集成TaskScheduler、groupsock、liveMedia等模块功能，添加Result、Error消息机制，从而提供使用环境。

• BasicUsageEnvironment
  静态库，由于UsageEnvironment中仅给出虚基类定义，为了能够真正地运行，所以从UsageEnvironment继承并实现了BasicUsageEnvironment类。它用于实现易用的命令行程序，其中，Read events和delayed operations通过select()循环进行支持。

• mediaServer
  可执行文件，通过逻辑集成上述库所提供的的功能，提供串流服务。

MediaServer

MeidaServer运行效果如图所示：

面对一个庞大的项目工程，想要分析源码，必须先找出有效突破口，本文中将从live555MediaServer.cpp 中main()函数开始切割工程。

1. main()

main()函数并不复杂，下面列出整理后的源码：

int main(int argc, char **argv)
{
    // 准备使用环境
    TaskScheduler* scheduler = BasicTaskScheduler::createNew();
    UsageEnvironment* env = BasicUsageEnvironment::createNew(*scheduler);
    
    // RTSP Server授权控制，默认关闭. 如需开启，按如下步骤：
    // 1. define ACCESS_CONTROL
    // 2. authDB->addUserRecord("xxxx", "xxxx");
    UserAuthenticationDatabase* authDB = NULL;
#ifdef ACCESS_CONTROL
    authDB = new UserAuthenticationDatabase;
    authDB->addUserRecord("username1", "password1");
#endif  
    
    // 创建RTSPServer，默认使用554端口，如已被占用或其他错误，则尝试使用8554端口
    RTSPServer* rtspServer;
    portNumBits rtspServerPortNum = 554;
    rtspServer = DynamicRTSPServer::createNew(*env, rtspServerPortNum, authDB);
    if(rtspServer == NULL)
    {
        rtspServerPortNum = 8554;
        rtspServer = DynamicRTSPServer::createNew(*env, rtspServerPortNum, authDB);
    }
    if(rtspServer == NULL)
    {
        *env << "Failed to create RTSP server: " << env->getResultMsg() <<"\n";
        exit(1);
    }
    
    // 打印版本信息、rtspURL前缀、及其他说明信息
    *env << ...
    
    //@1.1 尝试建立一个HTTP server，用于提供 RTSP-over-HTTP通道，尝试端口为80， 8000， 8080
    if(rtspServer->setUpTunnelingOverHTTP(80) || rtspServer->setUpTunnelingOverHTTP(8000)
        || rtspServer->setUpTunnelingOverHTTP(8080))
    {
        *env << "(We use port " << rtspServer->httpServerPortNum() << " for optional RTSP-over-HTTP tunneling, or for HTTP live streaming (for indexed Transport Stream files only).)\n";
    } 
    else
    {
        *env << "(RTSP-over-HTTP tunneling is not available.)\n";
    }
    
    //@2 开启事件循环
    env->taskScheduler().doEventLoop();
    return 0;
}

@1.1 建立HTTP server

所谓Tunneling，实质上分为三个步骤：

• 将源数据（无论什么格式）抽象为简单数据
• 发送端使用目标协议对数据进行包裹，此处为HTTP
• 接收端参照协议对数据解包，重新获得源数据

为什么要进行HTTP Tunneling?

因为部分客户端可能为iPhones或iPads，而这些设备仅支持Apple家的HLS(HTTP Live Streaming)机制的串流。具体信息可参阅官方文档中Streaming to iPhones and iPads一节。

@1.2 开启事件循环

时间循环的开启实质上是通过UsageEnvironment的TaskScheduler中doEventLoop()函数完成的，这是整个Server活过来的key，因此必然需要进一步跟踪进去。

2. env->taskScheduler().doEventLoop()

void BasicTaskScheduler0::doEventLoop(char volatile* watchVariable)
{
    while(1){
        //@2.1 wathcVariable
        if(watchVariable != NULL && *watchVariable != 0) break;
        //@2.2 SingleStep()
        SingleStep();
    }
}

@2.1 watchVariable

当且仅当watchVariable有值时提前break。查找doEventLoop()调用处，发现除main()中该值为NULL外，其他地方都给出了变量用于控制执行。

调用者分别有：

• live555MediaServer -> main()
• DynamicRTSPServer
• AC3AudioStreamFramer
• DVVideoStreamFramer
• H264VideoFileServerMediaSubsession
• H265VideoFileServerMediaSubsession
• MP3StreamState
• MPEG1or2FileServerDemux
• MPEG4VideoFileServerMediaSubsession
• SIPClient

@2.2 SingleStep

查找得到该函数实现部分位于BasicTaskScheduler中。此处不免有些困惑，为何不直接放在类BasicTaskScheduler0中？

为了解开这个困惑，此处先粗略整理如下继承、功能关系（后续会具体分析）：

• 虚基类TaskScheduler

  含DelayedTask、socket operations background handling以及直接的EventTrigger三类事件处理接口。

• BasicTaskScheduler0 : public TaskScheduler

  主要实现doEventLoop()函数及DelayedTask、EventTrigger部分

• BasicTaskScheduler : public BasicTaskScheduler0

  主要实现SingleStep()函数及background handling部分

3. SingleStep()

void BasicTaskScheduler::SingleStep(unsigned maxDelayTime)
{
    fd_set readSet = fReadSet;
    fd_set writeSet = fWriteSet;
    fd_set exceptionSet = fExceptionSet
    
    DelayInterval const& timeToDelay = fDelayQueue.timeToNextAlarm();
    struct timeval tv_timeToDelay;
    tv_timeToDelay.tv_sec = timeToDelay.seconds();
    tv_timeToDelay.tv_usec = timeToDelay.useconds();
    // .tv_sec过大（<= 11.5days）会引发select()失败，所以先规范tv_timeToDelay值域
    ...
    
    //@3.1 select
    int selectResult = select(fMaxNumSockets, &readSet, &writeSet, &exceptionSet, &tv_timeToDelay);
    if(selectResult <0)
    {
        if( GetLastError() != EINTR ) // 异常错误，视为严重故障；打印错误信息后退出
        {           
            print_Set_info();
            abort();                
        }
    }
    else //if(selectResult <0)
    {
        //@3.2 HandlerIterator, HandlerDescriptor, HandlerSet
        HandlerIterator iter(*fHandlers);
        HandlerDescriptor* handler;
        
        //@3.3 fLastHandledSocketNum
        if(fLastHandledSocketNum >= 0)
        {   
            // 如已处理过socket读写，则找到前次socket读写的下一个链表节点
            while((handler = iter.next()) != NULL)
                if(handler->socketNum == fLastHandledSocketNum) break;
            
            if(handler == NULL)  // 未找到，重置相关值
            {               
                fLastHandlerSocketNum = -1;
                iter.reset();
            }
        }
        while((handler = iter.next()) != NULL)
        {
            // 找到链表中合法节点，开始处理
            int sock = handler->socketNum;
            int resultConditionSet = 0;
            if(FD_ISSET(sock, &readSet) && FD_ISSET(sock, &fReadSet))
                resultConditionSet |= SOCKET_READABLE;
            if(FD_ISSET(sock, &writeSet) && FD_ISSET(sock, &fWriteSet) 
                resultConditionSet |= SOCKET_WRITEABLE;
            if(FD_ISSET(sock, &exceptionSet) && FD_ISSET(sock, &fExceptionSet)
                resultConditionSet |= SOCKET_EXCEPTION;
            if((resultConditionSet&handler->conditionSet) != 0 && handler->handlerProc != NULL)
            {
                // 保存当前处理节点socketNum
                fLastHandledSocketNum = sock;
                (*handler->handlerProc)(handler->clientData, resultConditionSet);
                break;
            }
        } // while((handler = iter.next()) != NULL)
        
        if(handler == NULL && fLastHandledSocketNum >= 0)
        {
            // 上一次处理的socketNum不为0，且未在当前链表中找到，但只要链表本身不为空，就必须处理socket读写
            int sock = handler->socketNum;
            int resultConditionSet = 0;
            if(FD_ISSET(sock, &readSet) && FD_ISSET(sock, &fReadSet)) resultConditionSet |= SOCKET_READABLE;
            if(FD_ISSET(sock, &writeSet) && FD_ISSET(sock, &fWriteSet) resultConditionSet |= SOCKET_WRITEABLE;
            if(FD_ISSET(sock, &exceptionSet) && FD_ISSET(sock, &fExceptionSet) resultConditionSet |= SOCKET_EXCEPTION;
            if((resultConditionSet&handler->conditionSet) != 0 && handler->handlerProc != NULL)
            {
                fLastHandledSocketNum = sock;
                (*handler->handlerProc)(handler->clientData, resultConditionSet);
                break;
            }
            if(handler == NULL) fLastHandledSocketNum = -1;
        }
        
        //@3.4 fTriggersAwaitingHandling && fLastUsedTriggerMask
        if(fTriggersAwaitingHandling != 0)
        {
            if(fTriggersAwaitingHandling == fLastUsedTriggerMask)
            {
                fTriggersAwaitingHandling &= ~fLastUsedTriggerMask;
                if(fTriggeredEventHandlers[fLastUsedTriggerNum] != NULL)
                {
                    (*fTriggeredEventHandlers[fLastUsedTriggerNum])(fTriggeredEventClientDtas[fLastUsedTriggerNum]);
                }
            }
            else
            {
                unsigned i = fLastUsedTriggerNum;
                EventTriggerId mask = fLastUsedTriggerMask;
                
                do{
                    i = (i+1)%MAX_NUM_EVENT_TRIGGERS;
                    mask >>= 1;
                    if(mask == 0) mask = 0x80000000;
                    
                    if((fTriggersAwaitingHandling&mask) != 0)
                    {
                        fTriggersAwaitingHandling &= ~mask;
                        if(fTriggeredEventHandlers[i] != NULL)
                        {
                            (*fTriggeredEventHandlers[i])(fTriggeredEventClientDatas[i]);
                        }
                        
                        fLastUsedTriggerMask = mask;
                        fLastUsedTriggerNum = i;
                        break;
                    }
                } while(i != fLastUsedTriggerNum);
            }
        }
    }   
    //@3.5 hadnleAlarm
    fDelayQueue.hadnleAlarm();
}   

@3.1 select

select(或pselect)允许进程监控多个文件描述符(fd)，阻塞直到至少一个fd处于I/O操作ready状态为止。通常fd会在可进行进行块读取或高效写操作时，切换为ready状态。

当select成功时，会返回参数中三个set(read/write/exception)之一的fd，如返回值为0，表示超时前并未出发任何fd。
如果返回值为-1，表示函数出错，可进一步获取文件错误代码（Window使用WSAGetLastError, Linux中直接使用errno值）并进行判断分析：

• EBADF set参数中存在无效fd
• EINTR 中断信号
• EINVALnfds参数为负数，或timeout时长无效
• ENOMEM内部表格分配内存失败

更进一步的select说明，将在后续单独说明后给出链接。

@3.2 HandlerIterator, HandlerDescriptor, HandlerSet

千言万语不如一张图。下图中列出三者关系，颜色与说明相对应。

那么问题来了，该双向链表是怎么产生的？也就是说谁，何时，在哪里调用了HandlerSet::assignHandler()函数？
通过查找assignHandler，发现唯一调用入口为BasicTaskScheduler::setBackgroundHandling。进一步的，调用setBackgroundHandling()函数的有如下位置：

GenericMediaServer::ClientConnection::ClientConnection()	READABLE|EXCEPTION	incomingRequstHandler
SocketDescriptor::registerRTPInterface()	READABLE|EXCEPTION	tcpReadHandler
RTSP::RTSPClient()	READABLE|EXCEPTION	incomingDataHandler
RTSPClient::openConnection()	READABLE|EXCEPTION	incomingDataHandler
RTSPClient::openConnection()	READABLE|EXCEPTION	incomingDataHandler
RTSPClient::connectToServer()	WRITABLE|EXCEPTION	connectionHandler
RTSPClient::handleAlternativeRequestByte1()	READABLE|EXCEPTION	incomingDataHandler
RTSPClient::connectionHandler1()	READABLE|EXCEPTION	incomingDataHandler
RTSPServer::RTSPClientConnection::handleAlternativeRequestByte1()	READABLE|EXCEPTION	incomingRequestHandler
RTSPServer::RTSPClientConnection::changeClientInputSocket()	READABLE|EXCEPTION	incomingRequstHandler
TCPStreamSink::processBuffer()	WRITABLE	socketWritableHandler

大致分析可得出如下结论：

• 事件来源主要为创建RTSP实例，RTSPClient、RTSPServer间交互，以及TCPSink进行Buffer处理
• 事件Handler对应为Request处理，连接建立、接收数据处理，以及TCP读写

事件部分本篇就到此为止，后续将更进一步展开分析。

@3.3 fLastHandledSocketNum

fLastHandledSocketNum只有两种取值可能：

• -1 ：HandlerSet为空时，因此默认值也为-1
• 已成功处理过得Handler socketNum值
  具体执行过程，已在上述源码中添加注释。

@3.4 fTriggersAwaitingHandling && fLastUsedTriggerMask

由于event handler会修改可读socket set，因此我们在处理完socket后才开始检查Event情况。
fTriggersAwaitingHandling和fLastUsedTriggerMask都是以32bit值进行实现的，也就是说，使用时，他们的每一个bit都具有意义。

默认情况下，fTriggersAwaitingHandling值为0，fLastUsedTriggerMask为1。而源码中可以看到，如fTriggersAwaitingHandling为0值时，是不会启动event trigger机制的。因此首先要找到，fTriggersAwaitingHandling值会首先在哪里被修改。结果如下：

• BasicTaskScheduler0::deleteEventTrigger() fTriggersAwaitingHandling &= ~eventTriggerId
• BasicTaskScheduler0::triggerEvent() fTriggersAwaitingHandling |= eventTriggerId;

即Event处理机制启动前，必须先triggerEvent进行添加，且在处理前未deleteEventTrigger才可以生效。
fLastUsedTriggerMask的功效和fLastHandledSocketNum类似，都只是为了更快的定位到开始点，并进行循环查找。

@3.5 hadnleAlarm

void DelayQueue::handleAlarm()
{
    // @3.5.1 synchronize
    if(head()->fDeltaTimeRemaining != DELAY_ZERO) synchronize();    
    if(head()->fDelatTimeRemaining == DELAY_ZERO) 
    {
        DelayQueueEntry *toRemove = head();
        removeEntry(toRemove);
        toRemove->handleTimeout();
    }
}

@3.5.1 synchronize

检查到DeltaTimeRemaining不为0时，需要进行同步。这里需要补充下定时器的概念。

定时器实现
计算机中存在两种时钟，分别为：

• 硬件时钟，电池供电，也称为RTC，在系统关机时起作用
• 系统时钟，基于RTC根据CPU中断计时，电脑运行时有效

两者频率并不严格相同，细节部分这里不具体讨论，这里只要知道系统时钟的前提是CPU中断即可。

假设开启了一个计时器，比如Sleep(5000),然而CPU每个时钟周期并非以ms为单位，如2.4GHz的CPU，时钟周期为(1/2.4G)s，因此每个时钟周期或中断产生（具体机制视CPU而定），会检查剩余时间是否为0甚至小于0。时钟周期的差异会引发计时器的误差，也因为如此，计时器都是有精度的，并非都能实现所需精度。

回到源码，这里的DelayedTask也是使用了类似的定时器机制，每次同步仅仅是跟当前时间作比较，并更新timeSinceLastSync。当timeSinceLastSync >= fDeltaTimeRemaining时，判定为定时器timeout，并执行对应TaskFunc()。

总结

至此，MediaServer大的轮廓已经分析完毕，主要相关的动线有三条：

• Socket I/O
• Event
• DelayedTask

只要牢牢抓住这三条动线，结合相关入口、出口，就可以将MediaServer源码的血肉充实起来。本篇中如有疑虑或错误指出，还请大家指出。同样可以提出想要着重了解的内容，后续更新会选择性加入其中。