Gstreamer学习笔记（4）：pad定义、连接、流动

转载 于 2019-08-05 19:10:16 发布 · 2.1k 阅读 · 11 ·
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#pad #sink #src #pull #push

本文深入剖析GStreamer中Pad的定义、连接机制及数据传递原理。Pad作为Element的接口，负责数据类型限制与传输。文章详述Pad的创建、连接流程及数据传输模式（Push与Pull），并介绍如何在不同状态下选择传输模式。

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pad相当于element的接口，各个element就是通过pad连接进行传输数据，同时pad会通过caps限制特定的数据类型通过，只有当两个pad的caps数据类型一致时才可以建立连接。那么pad在element又是怎么创建以及使用的呢，下面一起来分析一下。

一、pad定义

在理解pad的定义之前，我们先来看看，pad都有那些信息。

Pad Templates:
  SINK template: 'sink'                    ------>sink pad：数据流入
    Availability: Always                   ------>pad时效性：永久型
    Capabilities:                          ------>pad支持的caps
      video/quicktime
      video/mj2
      audio/x-m4a
      application/x-3gp

  SRC template: 'video_%u'                 ------>src pad：数据流出
    Availability: Sometimes                ------>pad时效性：随机型
    Capabilities:
      ANY

  SRC template: 'audio_%u'
    Availability: Sometimes
    Capabilities:
      ANY

  SRC template: 'subtitle_%u'
    Availability: Sometimes
    Capabilities:
      ANY

从上面可以看到，每个pad，都会有以下属性：padname、direction、presence、caps。

  • padname：pad名称
  • direction：pad的输入输出方向，有src和sink两种
  • presence：pad的时效性，有永久型GST_PAD_ALWAYS、随机型GST_PAD_SOMETIMES、请求型GST_PAD_REQUEST，请求型的仅在gst_element_request_pad()调用，随机型的则是会根据不同的输入数据使用不同的pad
  • caps：pad支持的功能

那么，一般情况我们是如何定义一个pad呢，我们以qtdemux的sink pad为例进行说明。在qtdemux.c可以看到以下定义：

 static GstStaticPadTemplate gst_qtdemux_sink_template =
    GST_STATIC_PAD_TEMPLATE ("sink",
    GST_PAD_SINK,
    GST_PAD_ALWAYS,
    GST_STATIC_CAPS ("video/quicktime; video/mj2; audio/x-m4a; "
        "application/x-3gp")
    );

通过上面我们定义了一个静态的pad模板，而GST_STATIC_PAD_TEMPLATE宏展开只是简单的花括号{}。那么，在这里定义了pad模板，哪里使用，与element绑定呢？往下看。

在qtdemux的class_init()函数中，可以看到以下代码：

static void
gst_qtdemux_class_init (GstQTDemuxClass * klass)
{
    gobject_class = (GObjectClass *) klass;
    ...
    /* 就是在这里完成相应的pad添加 */
    gst_element_class_add_static_pad_template (gstelement_class,
      &gst_qtdemux_sink_template);
    ...
 }

其实在gst_element_class_add_static_pad_template()函数中，也是通过调用gst_element_class_add_pad_template()完成相应的pad添加。pad具体的添加流程，又是怎样的呢，在GstElementClass中，有一个GList *padtemplates，所以，在gst_element_class_add_pad_template()函数中就是简单的将pad添加到padtemplates，这样就完成了elementClass的pad添加。

同时，在element的实例初始化函数init中，也会通过gst_element_add_pad()函数添加pad到element。

static void
gst_qtdemux_init (GstQTDemux * qtdemux)
{
  ...
  gst_element_add_pad (GST_ELEMENT_CAST (qtdemux), qtdemux->sinkpad);
  ...
}

在gst_element_add_pad()函数中，将会检查pad的name是否已经在该element存在，如何没有，将会把pad的parent设置为该element，同时根据pad的direction类型添加到element->srcpads或者element->sinkpads，最终都会保存到element->pads。

二、pad连接

在上面我们已经说过，pad相当与element的接口，那么element间的连接，实质上就是pad间的连接，caps适配，那么这个连接流程又是怎样的呢，让我们来一起探讨一下。

在应用程序中，可以通过gboolean gst_element_link (GstElement * src, GstElement * dest)函数完成element连接，最终会调用到gst_element_link_pads_full (src, srcpadname, dest, destpadname, GST_PAD_LINK_CHECK_DEFAULT)。那么，下面我们来分析一下gst_element_link_pads_full()函数。

因为gst_element_link_pads_full()函数代码量有点大，就不上代码，分析一下关键函数调用。

gboolean
gst_element_link_pads_full (GstElement * src, const gchar * srcpadname,
    GstElement * dest, const gchar * destpadname, GstPadLinkCheck flags)
{
  /* 一般的，srcpadname为NULL，所以会获取src的所有pads，这个就是在实例初始化时添加的，
 1. 如果srcpadname不为空，则会根据相应的pad name获取pad */
  srcpads = GST_ELEMENT_PADS (src);
  srcpad = srcpads ? GST_PAD_CAST (srcpads->data) : NULL;
  ...
  /* 同理的，dest进行相应的操作 */
  destpads = GST_ELEMENT_PADS (dest);
  destpad = destpads ? GST_PAD_CAST (destpads->data) : NULL;
  ...
  /* 接下来将会检查src pads中，是否有pad是还没有连接的，没有连接的，将会与dest的pads进行逐一适配，
 2. 如果循环src的发现都没有，又将会循环dest的pad，进行相同的操作，
 3. 最终都没有合适的pad相连，将会查看，是否存在请求型pad，再进行尝试连接 */
  do {
    ...
    if ((GST_PAD_DIRECTION (srcpad) == GST_PAD_SRC) &&
        (GST_PAD_PEER (srcpad) == NULL)) {
      /* 获取可以相连的pad */
      temp = gst_element_get_compatible_pad (dest, srcpad, NULL);
      ...
      /* 进行pad连接操作 */
      if (temp && pad_link_maybe_ghosting (srcpad, temp, flags)) {
        ...
      }
      ...
    }
    ...
  }while (srcpads);
  ...
}

在gst_element_get_compatible_pad(GstElement * element, GstPad * pad, GstCaps * caps)中，主要完成以下操作：

  1. 将会通过gst_element_iterate_sink_pads(element)或者gst_element_iterate_src_pads (element)函数element相应的pad；

  2. 通过temp = gst_pad_query_caps (pad, NULL)得到pad的所有caps；

  3. 同样的，通过temp = gst_pad_query_caps (current, NULL)得到element pad的所有caps；

  4. 通过compatible = gst_caps_can_intersect (temp, intersection)检查，pad的caps与element pad caps数据类型是否一致；

  5. 如果第4步返回的是一致，则从element中找到了可以与pad连接的element pad，返回element pad；

  6. 如果循环之后都没有找到，将会尝试请求型的pad，最终都没有将会返回NULL。

在调用gst_element_get_compatible_pad()函数之后，得到dest中可以与srcpad相连的destpad，接下来将会通过pad_link_maybe_ghosting (srcpad, temp, flags)函数进行pad连接，详细操作如下：

  1. 先通过prepare_link_maybe_ghosting()函数检查pad的element是否存在同一个parent，需要存在同一个parent才可以进行下一步连接，也正是这个函数限制了，element需要在同一个pipeline才可以link；

  2. 通过gst_pad_link_full (src, sink, flags)link src pad和sink pad；

    a. 通过parent发送GST_STRUCTURE_CHANGE_TYPE_PAD_LINK消息，这里发送的消息，bin（pipelin）将会接收到该消息；gst_element_post_message (parent, gst_message_new_structure_change (GST_OBJECT_CAST (sinkpad), GST_STRUCTURE_CHANGE_TYPE_PAD_LINK, parent, TRUE));

    b. 通过检查pad可用之后，将会通过GST_PAD_PEER设置srcpad和sinkpad，此时相当于已经link；

    c. 通过schedule_events (srcpad, sinkpad)函数检查srcpad、sinkpad是否有不一样的event，sink不存在的event都需要做好标记received = FALSE；

    d. 通过g_signal_emit()函数发送gst_pad_signals[PAD_LINKED]信号，完成连接，这里发送的信号，又是在实例初始化时，设置各自的pad的接收设置，部分pad并没有设置接收函数，采用默认的，也将是接收就释放；

    e. 最后通过gst_pad_send_event (srcpad, gst_event_new_reconfigure ())发送相应的event，srcpad发送的事件，将会在srcpad的event_function处理，这个函数看看相应的element有没有重载，如果没有，基本上就是接收到事件就进行事件释放；

在gst_pad_link_full()函数完成pad link之后，回到gst_element_link_pads_full()函数，在完成link之后，其实就是释放之前申请的object，返回link成功，至此，element link完成。上面介绍的，是通过dest element连接srcpad，如果这一步没有成功的link，又将会进行src element连接destpad，如果以上两步都没有完成相应的element link，则是按照之前说的，尝试通过请求型的pad进行连接，由于过程都类似，就不再进行分析。

三、element间数据传递

上面已经说了，element间的数据的传输都是通过pad的，那么，究竟是如何进行数据传递的呢，下面我们来看看。

pad具有两种模式，分别是PUSH和PULL。PUSH模式，就是由上游element控制传输数据的大小与速度，将数据推送到下游element，所以下游的element一般都会设置一个缓冲区来接收数据，PUSH模式一般是通过gst_pad_push (GstPad * pad, GstBuffer * buffer)函数完成数据传递的操作；而PULL模式呢，它就是由下游的element告诉上游element需要的数据量，PULL模式通过gst_pad_pull_range (GstPad * pad, guint64 offset, guint size, GstBuffer ** buffer)函数完成数据的获取。但是实际究竟是如何完成的呢，继续看代码。

PUSH

在element处理完数据之后，需要将数据传递给下游，那么，就是通过gst_pad_push()函数完成这个操作，看看它的具体实现，而gst_pad_push()函数也是通过调用gst_pad_push_data (pad, GST_PAD_PROBE_TYPE_BUFFER | GST_PAD_PROBE_TYPE_PUSH, buffer)函数完成操作的。

在gst_pad_push_data()函数中，在检查pad的状态、模式是否正确之后，通过宏定义GST_PAD_PEER取得pad的下游element sink pad，然后调用gst_pad_chain_data_unchecked (peer, type, data)，最后，将会在该函数中，将数据push到下游。

static inline GstFlowReturn
gst_pad_chain_data_unchecked (GstPad * pad, GstPadProbeType type, void *data)
{
  ...
  {
    GstPadChainFunction chainfunc;

    /* 通过宏GST_PAD_CHAINFUNC获取chainfunc */
    if (G_UNLIKELY ((chainfunc = GST_PAD_CHAINFUNC (pad)) == NULL))
      goto no_function;

    /* 调用chainfunc函数 */
    ret = chainfunc (pad, parent, GST_BUFFER_CAST (data));
  }
  ...
}

具体的是怎么传输数据的呢，GST_PAD_CHAINFUNC获取到的是什么函数呢，需要注意的，该函数的pad是peer喔，也就是说，这个是下游的sink pad，通过GST_PAD_CHAINFUNC获取到的，就是下游element在类实例初始化init函数通过宏gst_pad_set_chain_function设置的GstPadChainFunction。看到这里，不知道大家明白了没，PUSH模式，实质就是在上游element的src pad中，通过GST_PAD_PEER获取到下游element的sink pad，然后调用下游sink pad的chain函数，这样来达到数据传递，简单来说就是函数指针链表，从上往下逐个调用，直至最后，调用之后再逐个返回，push数据完成。

PULL

pull模式比较少用，一般都是demux element会使用pull模式，方便处理数据。pull模式是通过gst_pad_pull_range()函数完成的，与push模式的有点类似，在gst_pad_pull_range()函数中，通过宏GST_PAD_PEER获取上游element的sink pad，然后调用gst_pad_get_range_unchecked()函数，在该函数中再通过以下的方式进行获取数据。

static GstFlowReturn
gst_pad_get_range_unchecked (GstPad * pad, guint64 offset, guint size,
    GstBuffer ** buffer)
{
  GstPadGetRangeFunction getrangefunc;
  ...
  if (G_UNLIKELY ((getrangefunc = GST_PAD_GETRANGEFUNC (pad)) == NULL))
   goto no_function;

  ret = getrangefunc (pad, parent, offset, size, &res_buf);
  ...
}

同样的，通过宏GST_PAD_GETRANGEFUNC获取到的函数，是通过宏gst_pad_set_getrange_function设置的getrangefunc函数，该函数也是在上游element类实例初始化init函数调用宏gst_pad_set_getrange_function设置的，有些element的init函数可能没有设置，但是可以看看它的父类有没有进行相应的设置。通过这样的函数调用，完成了pull模式数据获取。

决定使用模式的关键

通过上面的简单介绍，我们了解element的push和pull模式，但是，又是怎样决定使用什么模式的呢，我们继续看代码。

在看代码之前，首先大概的介绍一下，gstreamer element的四种状态，分别是 GST_STATE_NULL（默认状态）、GST_STATE_READY（准备状态）、GST_STATE_PAUSED（暂停状态）和GST_STATE_PLAYING（运行状态） 。默认状态就是初始状态，没有占用任何资源；在准备状态的时候，element就会得到它所需要的所有资源；然后在暂停状态的时候，element已经可以对数据进行处理，只不过它暂停了而已，这个时候可以设置快进等；而运行状态与暂停状态相比，只是多了时钟开始运行，数据流动。同时需要注意的是，一般情况，在element从READY到PAUSED时，将会进行pad的激活操作，也就是在这里，将会选择使用哪种模式进行数据流通，下面以qtdemux为例，进行简单的介绍。

首先，一般的在每个element class_init函数中，都会有这样的一个函数调用（如果没有，查看继承的父类有没有），如下：

static void
gst_qtdemux_class_init (GstQTDemuxClass * klass)
{
  ...
  gstelement_class->change_state = GST_DEBUG_FUNCPTR (gst_qtdemux_change_state);
  ...
}

函数指针change_state赋值的是什么函数呢，其实它赋值的就是element状态转换设置函数。当bin（pipeline）进行状态转换时，将会对bin中的element逐个调用change_state函数，改变element的状态。而在大多数的element的change_state函数都将会调用父类的change_state函数，这里，将以父类为GstElement的进行选择模式的简单介绍，其他的，也类似，有兴趣的可以阅读代码跟踪流程。

首先，在qtdemux的change_state函数将会以这样的一种方式调用到父类的change_state函数。

static GstStateChangeReturn
gst_qtdemux_change_state (GstElement * element, GstStateChange transition)
{
  ...
  result = GST_ELEMENT_CLASS (parent_class)->change_state (element, transition);
  ...
}

然后在父类的change_state函数（同样的，在父类的class_init函数赋值），大概如下：

static GstStateChangeReturn
gst_element_change_state_func (GstElement * element, GstStateChange transition)
{
  ...
  switch (transition) {
    case GST_STATE_CHANGE_READY_TO_PAUSED:
      if (!gst_element_pads_activate (element, TRUE)) {
        result = GST_STATE_CHANGE_FAILURE;
      }
      break;
    ... 
  }
}

从上面可以看到，element从READY到PAUSED，将会调用gst_element_pads_activate()函数激活element pad。

static gboolean
gst_element_pads_activate (GstElement * element, gboolean active)
{
  GstIterator *iter;
  gboolean res;

  ...

  iter = gst_element_iterate_src_pads (element);
  res =
      iterator_activate_fold_with_resync (iter,
      (GstIteratorFoldFunction) activate_pads, &active);
  gst_iterator_free (iter);
  if (G_UNLIKELY (!res))
    goto src_failed;

  iter = gst_element_iterate_sink_pads (element);
  res =
      iterator_activate_fold_with_resync (iter,
      (GstIteratorFoldFunction) activate_pads, &active);
  gst_iterator_free (iter);
  if (G_UNLIKELY (!res))
    goto sink_failed;

  ...
  }
}

从gst_element_pads_activate()函数的实现我们可以看到，将会先通过activate_pads()函数逐个激活src pads，再激活sink pads，那么，activate_pads()函数又是如何激活pad的呢，我们继续往下看。

实际在activate_pads()函数中又是通过gst_pad_set_active (pad, *active)函数完成激活操作的，在gst_pad_set_active()函数又将会以(GST_PAD_ACTIVATEFUNC (pad)) (pad, parent)的方式调用pad的激活函数。GST_PAD_ACTIVATEFUNC获取到的函数，是element在实例初始化init函数中，通过下面的方式赋值的：

gst_pad_set_activate_function (qtdemux->sinkpad, qtdemux_sink_activate);

至此，将会通过GST_PAD_ACTIVATEFUNC调用到qtdemux的pad激活函数qtdemux_sink_activate (GstPad * sinkpad, GstObject * parent)。以qtdemux的sink pad为例，进行PUSH和PULL模式选择流程分析。sink pad，接收上游element的接口pad，使用什么模式，不是单个pad就可以决定的，需要和它的PEER pad协商才知道，最终使用什么模式。

static gboolean
qtdemux_sink_activate (GstPad * sinkpad, GstObject * parent)
{
  GstQuery *query;
  gboolean pull_mode;

  query = gst_query_new_scheduling ();

  /* 将会查询pad的相关函数实现信息 */
  if (!gst_pad_peer_query (sinkpad, query)) {
    gst_query_unref (query);
    goto activate_push;
  }

  /* 根据返回的信息，选择模式 */
  pull_mode = gst_query_has_scheduling_mode_with_flags (query,
      GST_PAD_MODE_PULL, GST_SCHEDULING_FLAG_SEEKABLE);
  gst_query_unref (query);

  /* 应用模式 */
  if (!pull_mode)
    goto activate_push;

  GST_DEBUG_OBJECT (sinkpad, "activating pull");
  return gst_pad_activate_mode (sinkpad, GST_PAD_MODE_PULL, TRUE);

activate_push:
  {
    GST_DEBUG_OBJECT (sinkpad, "activating push");
    return gst_pad_activate_mode (sinkpad, GST_PAD_MODE_PUSH, TRUE);
  }
}

在gst_pad_peer_query (sinkpad, query)函数中，将会通过宏GST_PAD_PEER取得sink pad的相连pad之后，再调用gst_pad_query (peerpad, query)，而在该函数中，也将会通过GST_PAD_QUERYFUNC获取src pad的查询函数并调用。pad的查询函数在element的init函数中将会以宏gst_pad_set_query_function赋值，但是一般的，有些element并没有实现这个赋值操作，这个时候可以查看父类有没有进行这个操作。在GST_PAD_QUERYFUNC函数中，src pad将会检查自己的get_range是否支持，如果支持，将会在query增加GST_PAD_MODE_PULL模式，GST_PAD_MODE_PUSH模式也相应的检查置位。

回到qtdemux_sink_activate()函数，得到pad支持的模式之后，将会通过gst_query_has_scheduling_mode_with_flags()函数检查，是否支持PULL模式，如果支持，则跳到gst_pad_activate_mode (sinkpad, GST_PAD_MODE_PULL, TRUE)进行处理，相应的，如果不支持，则运行PUSH模式。最后到gst_pad_activate_mode()函数，也将会通过GST_PAD_ACTIVATEMODEFUNC (pad) (pad, parent, mode, active)函数完成pad的真正激活操作，宏GST_PAD_ACTIVATEMODEFUNC指向的函数，也都是在实例的init函数完成相应的赋值操作的，赋值是通过宏定义gst_pad_set_activatemode_function完成。在相应的activatemode_function中，将会根据push或者pull模式设置相应的标志位或者通过gst_pad_start_task()函数运行循环函数。至此，pad模式选择已经完成，同时进行了数据流通的相应的准备操作。

四、总结

简单的说，一般sink pad都是永久型的，而element的src pad，则大多是随机型的，因为element本身知道它可以处理什么类型的数据，所以sinkpad是永久型的，而输出的数据，则是需要通过解析输入数据之后才知道输出，所以是随机型的。而element link，简单理解就是element的pad保存与之相连的pad信息，然后在传输数据的时候，通过之前link保存的信息而调用到下游element sinkpad，从而完成数据传递与信息交互。

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