DirectShow开发快速入门之二 -- 数据流的流动

Directshow数据流动概述
　　Filter之间的数据是通过Sample来传送的。Sample是一个COM组件，拥有自己的一段数据缓冲buffer，这个com组件暴露了IMediaSample接口。这个sample一般都有一个叫做内存分配器（alloctor）的com对象来创建管理，这个对象具有IMemAllocator接口。如下图所示：

图1 
　　两个Filter之间的连接都要指定一个allocator，有时也有几个Filter连接同用一个allocator。每一个allocator都要创建一个media sample池，并且给每一个sample分配一个内存buffer。每当一个Filter需要一个buffer来填充数据，它就通过allocator的函数IMemAllocator::GetBuffer.来获得一个sample。如果分配器allocator正好有空闲的sample，GetBuffer立即返回一个指向该sample的指针。如果没有空闲的sample，该方法就阻塞，直到有一个sample可用为止。当该函数返回一个sample时，Filter就将数据填充到buffer里，设置好标识，然后就将sample传递给下一个Filter。
　　当一个Render Filter接收到一个sample时，它就检查该sample的时间戳，直到Fliter Graph的参考时钟表明该数据可用播放，Filter就开始播放该数据。当数据播放完毕，Filter释放sample，直到所有的Filter都释放对该sample的引用，该sample的引用计数为0时，这个sample才返回到sample池。

图2 
　　有时也许数据流的上游对buffer的填充比播放要快，即使这样，render Filter也要按照时间戳播放数据，这样sample池中的sample数量就少，从而填充的速度减慢。
　　下面描述了在流中只有一个allocator的情景，实际上，在每条数据流中总是有好几个allocator，当一个sample被释放的时候，也许此时有好几个allocator都在等着该sample，这就有新的问题了，也许有的alloctor永远都不能被分配sample，陷入互锁状态。下面的图就演示了这种情形，Decoder有数据需要压缩，因此它在等待Renderer释放sample，但是，Parser也在请求sample，它在等待decoder释放sample。

图3 
　　传输（Transports）
　　为了在过滤器图表中传送媒体数据，DirectShow过滤器需要支持一些协议，称之为传输协议（transport）。相连的过滤器必须支持同样的传输协议，否则不能交换媒体数据。
　　大多数的DirectShow过滤器把媒体数据保存在主存储器中，并通过引脚把数据提交给其它的过滤器，这种传输称为局部存储器传输（local memory transport）。虽然局部存储器传输在DirectShow中最常用，但并不是所有的过滤器都使用它。例如，有些过滤器通过硬件传送媒体数据，引脚只是用来提交控制信息，如IOverlay接口。
　　DirectShow为局部存储器传输定义了两种机制：推模式（push model）和拉模式（pull model）。在推模式中，源过滤器生成数据并提交给下一级过滤器。下一级过滤器被动的接收数据，完成处理后再传送给再下一级过滤器。在拉模式中，源过滤器与一个Render过滤器相连。Render过滤器向源过滤器请求数据后，源过滤器才传送数据以响应请求。推模式使用的是IMemInputPin接口，拉模式使用IAsyncReader接口，推模式比拉模式要更常用。
Samples和Allocators
　　当一个pin向另一个pin传递数据的时候，它并不是直接将内存块的指针传递下一个pin，实际上，它将传递一个管理内存的com对象的指针给下一个pin。这个com对象称为media sample。暴露了IMediaSample接口。接收pin通过调用IMediaSample的方法来对内存进行操作，比如方法IMediaSample::GetSize, IMediaSample::GetActualDataLength以及IMediaSample::GetPointer。
　　Sample一般都是从源filter开始，通过输出pin传递到下一个filter的输入pin，一路传递下去一直到render filter。在拉模式中，输出pin通过调用输入pin上的IMemInputPin::Receive方法传递sample，输入pin或者在Receive函数同步处理数据，或者另外采用一个工作线程异步出来的方式。如果在Recive方法中需要等待资源的话，也可以阻塞。
　　另外一个com对象，叫做allocator，用来创建和管理sample的。暴露了IMemAllocator接口。当一个filter需要一个空的buffer的时候，就可以调用IMemAllocator::GetBuffer，该方法返回一个指向sample的指针。每一个pin连接都共享一个allocator，当两个pin连接的时候，他们会决定由哪个filter来提供allocator，通过pin还可以设置allocator的属性，例如，buffer的数量和大小。
　　下面的图表显示了allocator，sample和filter之间的关系。
 

图4 
　　Media sample引用计数
　　Allocator创建了一个sample池。因此 ，当某个Filter调用GetBuffer函数时，一些sample被使用，其他空闲的sample可以响应。Allocator通过引用计数来跟踪samples。Filter调用Getbuffer返回的sample的引用计数是1。当sample的引用计数为0时，sample就返回内存池，成为空闲的sample，可以再次响应Getbuffer的调用。如果所有的sample都处于繁忙状态，Getbuffer就会阻塞，直到有一个sample空闲。
　　例如，假设一个输入pin接到一个sample，如果它在Receive方法里同步的处理这个sample，没有增加该sample的引用计数，等到Receive返回后，输出pin就释放这个sample，引用计数为0，sample就返回到内存池中。如果输入pin的线程还要处理该sample，引用计数增加1，成为2，输出pin返回，释放，计数成1。
　　当一个输入pin接收一个sample时，它可以将数据复制到另一个sample中，也可以将这个sample传递到下一个Filter。一个sample可以流遍整个filter graph。不过引用计数要保持大于0。 当一个输出pin调用了Release以后，就不应该再次使用该sample，因为也许下游还有filter正在使用该sample。输出pin必须调用GetBuffer获取新的sample。
　　这种机制减少 了内存分配的，因为buffer可以重用。也防止了数据没有被处理的sample被重新写入。
　　当一个Filter创建一个allocator的时候，allocator还没有保留任何的内存，如果这个时候有人Getbuffer，就会失败。只有当数据流开始的时候，输出pin调用IMemAllocator::Commit，提交allocator，现在才能分配内存。
　　当数据流停止的时候，pin就调用IMemAllocator::Decommit,来销毁allocator。在allocator再次committ之前，所有调用GetBuffer方法都会失败。当然，如果有一个GetBuffer阻塞调用在等待sample的时候，遇到Decommit方法，会立即返回一个错误码。
　　Filter的状态
　　Filter有三种状态，停止，暂停，运行。
　　过滤器图表管理器 控制着Filter的所有状态的转换。当应用程序调用IMediaControl::Run, IMediaControl::Pause, or IMediaControl::Stop时， 过滤器图表管理器就调用Filter相应的IMediaFilter方法。停止，运行状态的切换总是要经过暂停，因此，当一个应用程序对一个停止的Graph 调用RUN命令时，过滤器图表管理器 在run之前首先要暂停。
　　对于大多数的filter来说，running和paused状态是一样的。看下面的Graph Source > Transform > Renderer
　　当一个Filter停止时，它拒绝发送给它的任何samples，源filter关闭他们的stream线程，其他filter也关闭他们创建的其他线程，pin decommit他们的内存分配器。
　　过滤器图表管理器按照逆流的方向来切换Filter的状态，从Renderer Filter到源filter，这种方式可以防止死锁。最关键的状态切换是暂停和停止之间。
　　从停止到暂停，当filter暂停时，它就做好了接收sample的准备，源filter是最后一个切换到暂停的。它开始创建streaming线程，发送sample，因为下游的filter的状态都已经切换到暂停了，所以，所有的filter都可以接收sample。只有当所有的flter都接收到sample，过滤器图表管理器才算完成了状态的切换
　　从暂停到停止。当一个filter停止时，它要释放它拥有的所有的samples。当图表管理器试图停掉上游的一个filter时，这个filter不会阻塞在Getbuffer和receive方法里，它会立即响应stop命令。上游的filter也许在执行stop命令前还会讲少量的sample传递下去，但是下游的filter会拒绝的，因为他们已经停止了。