音视频开发之旅（50)-边缓存边播放之缓存分片(1)

一、什么是缓存分片

我们在上一篇介绍AndroidVideoCache时，知道它会一直下载数据直到完全下载。这会带来流量的浪费。比如一个5MB的视频，码率是2Mb/s，共有5Mx8/2=20秒。如果带宽是5MB/s，一个5M的视频1秒钟就下载完了，但是用户也许只看到了2秒钟因为不感兴趣划走了，这样就造成了两个弊端流量的浪费和LRU缓存策略的漏洞。
这个问题我们可以通过限速以及缓存LRU策略的调整来进行优化。

同时还存在另外一个问题, 如果采用断点续传的方案设置每次请求的range，如果AndroidVideoCache在拖动超过当前当前缓存的位置加上总长度的20%就不缓存了。
request.rangeOffset <= cacheAvailable + sourceLength * 0.2f

我们画图来分析下这个逻辑，看下如果缓存会存在什么问题。

为什么要这样设计呐？如果想要在超过该区域后想要能够继续缓存该怎么办呐？
我们来思考下seek后改如何进行数据的获取。
有如下三种方案：

1.继续沿着cached_position顺序缓存下去
2.只要当前拖动的进度条超过cached_position，那就不继续缓存，后续的数据完全是网络请求。
3.拖动的进度条即使超过了cached_position，从新的位置开始发起Range 请求
三种方式的优劣比较一下：
方案一：继续沿着cached_position顺序缓存下去，我拖动进度条的位置和cached_position相隔很> 远，如果采用这种方案拖动进度条之后播放会很慢，所以方案一被毙掉了。
方案二：方案二的做法也是可以的，拖动进度条之后也不会卡，但是也有问题，就是无法做法真正的边下边播，只能顺序下载。目前网络上热门的开源项目https://github.com/danikula/AndroidVideoCache 就是采用的这种方案
方案三：解决拖动之后卡顿，也解决了只能顺序下载的问题。目前是最优的解决方案
引用自：头条都在用的边下边播方案

能够想到有如下两种方式：

物理文件空洞的方式，进行缓存分片，无数据的部分被填充为0，有数据的部分记录start和end点填充数据。—》这个方案会占用更多的空间(不和系统对文件的空洞方案不同)和内存；该方案要维护一个缓存分片信息文件，用于记录缓存的分片的start和end信息。
逻辑文件空洞的方式，进行缓存分片，把缓存文件分片成N个文件，如果某些文件没有数据就不创建，有数据的记录开始和结束点，如果相邻的两个文件start和end能够对接上，进行merge合并。该方案也可以采用缓存分片信息文件的方案，但是也可以直接从文件夹和文件的命名上进行区分。

二、为什么要缓存分片

通过上面一小节我们了解了AndroidVideoCache在Seek后不缓存的场景和原因，以及缓存分片的概念。这一小节我们来分析下为什么要用缓存分片

缓存分片有如下好处：

把大的文件拆分成小的文件进行单独缓存，这样带来的好处是存储空间按需分配

图片来自：十亿级视频播放技术优化揭秘王辉终稿2.key

为后面的seek缓存的实现奠定了基础，
可以提升缓存的命中率
降低由于seek过多余部分数据造成播放延迟
如果使用P2P策略节省了流量，每个小的分片可以作为一个单独的种源，提升P2P命中率

三、如何实现

要实现缓存分片，主要要解决如下两个问题

缓存分片文件的存储和合并等管理
缓存分片文件信息的管理

下面我们来分析下一个实现缓存分片的开源项目 JeffVideoCache
这个开源项目不仅实现了MP4的缓存分片，还增加了对m3u8的支持，在架构设计上相比较AndroidVideoCache也有很大的改变。
其中MP4的缓存采用了物理文件空洞的方式；而M3U8采用的是逻辑文件空洞的方式。

定一个VideoRange 数据结构, 用于记录分片的位置信息

public class VideoRange {
    private long mStart;   //分片的起始位置
    private long mEnd;     //分片的结束位置
}

LinkedHashMap mVideoRangeMap; //已经缓存的video range结构，维护了一个VideoRange列表，key是VideoRange的开始位置，value是VideoRange的对象。
如果两个VideoRange之间有部分重合，通过merge合成一个新的VideoRange。

这一篇我们来分析该开源项目针对MP4的物理文件空洞缓存分片的方案，下一篇我们再分析针对M3U8逻辑文件空洞缓存分片的方案。

下面我们从代码看下主流程

3.1 LocalProxyVideoControl#startRequestVideoInfo
添加缓存listener,有开始缓存、缓存进度更新、缓存失败、缓存成功的回调，触发缓存分片信息, 接下来去获取缓存分片信息文件，缓存分片信息中记录了改了文件的每个分片的start和end信息。

//LocalProxyVideoControl#startRequestVideoInfo   
 
public void startRequestVideoInfo(String videoUrl, Map headers, Map extraParams) {
        //待请求的url
        mVideoUrl = videoUrl;
        //添加缓存listener,有开始缓存、缓存进度更新、缓存失败、缓存成功的回调
        VideoProxyCacheManager.getInstance().addCacheListener(videoUrl, mListener);
        VideoProxyCacheManager.getInstance().setPlayingUrlMd5(ProxyCacheUtils.computeMD5(videoUrl));
        //重点分析startRequestVideoInfo
        VideoProxyCacheManager.getInstance().startRequestVideoInfo(videoUrl, headers, extraParams);
    }


 public void startRequestVideoInfo(String videoUrl, Map headers, Map extraParams) {

...
//拿到缓存分片信息后，开始触发ranged逻辑
startNonM3U8Task(videoCacheInfo, headers);
...
}

3.2 startNonM3U8Task: 开始缓存MP4分片任务

//VideoProxyCacheManager#startNonM3U8Task   

    private void startNonM3U8Task(VideoCacheInfo cacheInfo, Map headers) {
        VideoCacheTask cacheTask = mCacheTaskMap.get(cacheInfo.getVideoUrl());
        if (cacheTask == null) {
            //创建mp4缓存任务
            cacheTask = new Mp4CacheTask(cacheInfo, headers);
            //加入到map中，
            mCacheTaskMap.put(cacheInfo.getVideoUrl(), cacheTask);
        }
        startVideoCacheTask(cacheTask, cacheInfo);
    }

private void startVideoCacheTask(VideoCacheTask cacheTask, VideoCacheInfo cacheInfo) {
...
     //开始缓存任务
        cacheTask.startCacheTask();
...
}

3.3 开启线程进行缓存

//Mp4CacheTask#startCacheTask      
public void startCacheTask() {
        //如果文件缓存完(整个文件，而不是单个缓存分片文件),直接通知完成
        if (mCacheInfo.isCompleted()) {
            notifyOnTaskCompleted();
            return;
        }
        notifyOnTaskStart();
        LogUtils.i(TAG, "startCacheTask");
        //获取缓存分片的对象（start 、end）
        VideoRange requestRange = getRequestRange(0L);
        //启动线程(线程池方式)进行缓存（下载）
        startVideoCacheThread(requestRange);
    }

    private void startVideoCacheThread(VideoRange requestRange) {
        mRequestRange = requestRange;
        //saveDir 是videocacheinfo存储的目录
        mVideoCacheThread = new Mp4VideoCacheThread(mVideoUrl, mHeaders, requestRange, mTotalSize, mSaveDir.getAbsolutePath(), mCacheThreadListener);
        //通过线程池来执行
   VideoProxyThreadUtils.submitRunnableTask(mVideoCacheThread);
    }

3.4 下面我们看下Mp4VideoCacheThread的实现

public class Mp4VideoCacheThread implements Runnable {

   ...

    private VideoRange mRequestRange;//当前请求的video range
                     
    private boolean mIsRunning = true; //是否增长运行，该任务可以pause

    private String mMd5; //缓存文件的md5
    ...


    public void run() {
        //该缓存任务可以pause，如果没有在running直接返回
        if (!mIsRunning) {
            return;
        }
        //支持OKHttp和HttpUrlConnection两种方式进行网络请求
        if (ProxyCacheUtils.getConfig().useOkHttp()) {
            downloadVideoByOkHttp();
        } else {
            //使用HttpUrlConnection
            downloadVideo();
        }
    }
}

3.5 我们来分析HttpUrlConnection的方式进行网络请求
可以看到这里采用了物理文件空洞的方案，有数据的进行填充。至于缓存缓存信息文件（记录所有的start和end信息）在notifyOnCacheRangeCompleted等中进行更新

  /**
     * 通过HttpUrlConnection下载缓存片段
     */
    private void downloadVideo() {
        File videoFile;
        try {
            //mSaveDir是存储缓存片段的文件夹，该文件夹下有videocacheinfo和各个缓存片段；
            videoFile = new File(mSaveDir, mMd5 + StorageUtils.NON_M3U8_SUFFIX);
            if (!videoFile.exists()) {
                videoFile.createNewFile();
            }
        } catch (Exception e) {
            notifyOnCacheFailed(new VideoCacheException("Cannot create video file, exception="+e));
            return;
        }

        long requestStart = mRequestRange.getStart();
        long requestEnd = mRequestRange.getEnd();
        mHeaders.put("Range", "bytes=" + requestStart + "-" + requestEnd);
        HttpURLConnection connection = null;
        InputStream inputStream = null;
        RandomAccessFile randomAccessFile = null;

        try {
            //这里采用了物理文件空洞的方案。有数据的进行填充，并通过缓存信息文件记录所有的start和end信息
            randomAccessFile = new RandomAccessFile(videoFile.getAbsolutePath(), "rw");
            randomAccessFile.seek(requestStart);
            //这里为什么要把requestStart赋值给cachedSize？？这里的命名不好改为cachedOffset更合适
            long cachedOffset = requestStart;
            LogUtils.i(TAG, "Start request : " + mRequestRange + ", CurrentCachedSize="+cachedOffset);
            connection = HttpUtils.getConnection(mVideoUrl, mHeaders);
            inputStream = connection.getInputStream();
            LogUtils.i(TAG, "Receive response");

            byte[] buffer = new byte[StorageUtils.DEFAULT_BUFFER_SIZE];
            int readLength;
            while(mIsRunning && (readLength = inputStream.read(buffer)) != -1) {
                if (cachedOffset >= requestEnd) {
                    cachedOffset = requestEnd;
                }
                if (cachedOffset + readLength > requestEnd) {
                    long read = requestEnd - cachedOffset;
                    randomAccessFile.write(buffer, 0, (int)read);
                    cachedOffset = requestEnd;
                } else {
                    randomAccessFile.write(buffer, 0, readLength);
                    cachedOffset += readLength;
                }

                //更新缓存进度
                notifyOnCacheProgress(cachedOffset);

                if (cachedOffset >= requestEnd) {
                    //缓存好了一段,通知回调
                    notifyOnCacheRangeCompleted();
                }
            }
            mIsRunning = false;
        } catch (Exception e) {
            notifyOnCacheFailed(e);
        } finally {
            mIsRunning = false;
            ProxyCacheUtils.close(inputStream);
            ProxyCacheUtils.close(randomAccessFile);
            HttpUtils.closeConnection(connection);
        }
    }

3.6 通知更新缓存分片信息

//Mp4CacheTask#notifyOnCacheRangeCompleted  
   /**
     * @param startPosition ：上一个缓存分片的 end
     */  
 private void notifyOnCacheRangeCompleted(long startPosition) {
        //这时候已经缓存好了一段分片,可以更新一下video range数据结构了
        updateVideoRangeInfo();
        if (mCacheInfo.isCompleted()) {
            notifyOnTaskCompleted();
        } else {
            if (startPosition == mTotalSize) {
                //说明已经缓存好,但是整视频中间还有一些洞,但是不影响,可以忽略
            } else {
                //开启下一段视频分片的缓存
                VideoRange requestRange = getRequestRange(startPosition);
                //是否开启下一缓存分片的下载。
                // 这里可以再精准的控制下，按需下载
                startVideoCacheThread(requestRange);
            }
        }
    }

3.7 更新缓存分片信息
这个方法比较关键，针对缓存分片信息进行整合，重叠的部分进行合并，重新生成videoRange列表。更新后把其更新到文件中

//Mp4CacheTask#updateVideoRangeInfo

private synchronized void updateVideoRangeInfo() {
        if (mVideoRangeMap.size() > 0) {
            long finalStart = -1;
            long finalEnd = -1;

            long requestStart = mRequestRange.getStart();
            long requestEnd = mRequestRange.getEnd();

            for(Map.Entry entry : mVideoRangeMap.entrySet()) {
                VideoRange videoRange = entry.getValue();
                long startResult = VideoRangeUtils.determineVideoRangeByPosition(videoRange, requestStart);
                long endResult = VideoRangeUtils.determineVideoRangeByPosition(videoRange, requestEnd);

                if (finalStart == -1) {
                    if (startResult == 1) {
                        //如果requestStart小于遍历的一个片段的start位置，取requestStart
                        finalStart = requestStart;
                    } else if (startResult == 2) {
                        //如果requestStart在遍历的一个片段的start和end中，取该片段的start
                        finalStart = videoRange.getStart();
                    } else {
                        //如果超出继续遍历其他片段，进行对比
                        //先别急着赋值,还要看下一个videoRange
                    }
                }
                if (finalEnd == -1) {
                    if (endResult == 1) {
                        finalEnd = requestEnd;
                    } else if (endResult == 2) {
                        finalEnd = videoRange.getEnd();
                    } else {
                        //先别急着赋值,还要看下一个videoRange
                    }
                }
                //该循环的目的是确定finalStart和finalEnd，用于确定VideoRange
                if (finalStart != -1 && finalEnd != -1) {
                    break;
                }
            }
            if (finalStart == -1) {
                finalStart = requestStart;
            }
            if (finalEnd == -1) {
                finalEnd = requestEnd;
            }

            VideoRange finalVideoRange = new VideoRange(finalStart, finalEnd);
            LogUtils.i(TAG, "updateVideoRangeInfo--->finalVideoRange: " + finalVideoRange);

            LinkedHashMap tempVideoRangeMap = new LinkedHashMap<>();
            for(Map.Entry entry : mVideoRangeMap.entrySet()) {
                VideoRange videoRange = entry.getValue();
                if (VideoRangeUtils.containsVideoRange(finalVideoRange, videoRange)) {
                    //如果finalVideoRange包含videoRange
                    tempVideoRangeMap.put(finalVideoRange.getStart(), finalVideoRange);
                } else if (VideoRangeUtils.compareVideoRange(finalVideoRange, videoRange) == 1) {
                    //如果两个没有交集,且finalVideoRange的end 小于videoRange的start，则map先加入finalVideoRange再加入videoRange
                    tempVideoRangeMap.put(finalVideoRange.getStart(), finalVideoRange);
                    tempVideoRangeMap.put(videoRange.getStart(), videoRange);
                } else if (VideoRangeUtils.compareVideoRange(finalVideoRange, videoRange) == 2) {
                    //如果两个没有交集,且finalVideoRange的start 大于videoRange的end，则map先加入videoRange再加入finalVideoRange
                    tempVideoRangeMap.put(videoRange.getStart(), videoRange);
                    tempVideoRangeMap.put(finalVideoRange.getStart(), finalVideoRange);
                }
            }
            mVideoRangeMap.clear();
            mVideoRangeMap.putAll(tempVideoRangeMap);
        } else {
            LogUtils.i(TAG, "updateVideoRangeInfo--->mRequestRange : " + mRequestRange);
            mVideoRangeMap.put(mRequestRange.getStart(), mRequestRange);
        }

        LinkedHashMap tempSegMap = new LinkedHashMap<>();
        //进行了merge？
        for(Map.Entry entry : mVideoRangeMap.entrySet()) {
            VideoRange videoRange = entry.getValue();
            LogUtils.i(TAG, "updateVideoRangeInfo--->Result videoRange : " + videoRange);
            tempSegMap.put(videoRange.getStart(), videoRange.getEnd());
        }
        //最小化锁的作用范围
        synchronized (mSegMapLock) {
            mVideoSegMap.clear();
            mVideoSegMap.putAll(tempSegMap);
        }
        mCacheInfo.setVideoSegMap(mVideoSegMap);

        // 当mVideoRangeMap只有一个片段，并且该ranged是完整的这个那个缓存文件（不是某个子片段），则标记为completed
        if (mVideoRangeMap.size() == 1) {
            VideoRange videoRange = mVideoRangeMap.get(0L);
            LogUtils.i(TAG, "updateVideoRangeInfo---> videoRange : " + videoRange);
            if (videoRange != null && videoRange.equals(new VideoRange(0, mTotalSize))) {
                LogUtils.i(TAG, "updateVideoRangeInfo--->Set completed");
                mCacheInfo.setIsCompleted(true);
            }
        }

        //子线程中，更新缓存信息文件
        saveVideoInfo();
    }

 public static void saveVideoCacheInfo(VideoCacheInfo info, File dir) {
        File file = new File(dir, INFO_FILE);
        ObjectOutputStream fos = null;
        try {
            synchronized (sInfoFileLock) {
                fos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream(file));
                fos.writeObject(info);
            }
        } catch (Exception e) {

        } finally {
            ProxyCacheUtils.close(fos);
        }
    }

缓存分片物理文件空洞的方案分析分析到这里基本上就结束了，感谢JeffVideoCache作者的开源，
下一篇我们再来分析缓存分片采用的逻辑文件空洞的方案，欢迎交流

四、资料

JeffVideoCache
头条都在用的边下边播方案
重点推荐-QQ空间十亿级视频播放技术优化揭秘王辉终稿2.key

五、收获

从本篇的学习分析

了解缓存分片的是什么，为什么，以及如何实现
分析了缓存分片物理文件空洞方案的实现。

感谢你的阅读
下一篇我们我们来分析缓存分片逻辑文件空洞方案的实现，欢迎关注公众号“音视频开发之旅”，一起学习成长。
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