live555 由多个模块组成,其中 UsageEnvironment 、 BasicUsageEnvironment 和 groupsock 分别提供了事件循环,输入输出,基本的数据结构,以及网络 IO 等功能,它们可以看作 live555 的基础设施。对于 live555 的源码分析,就从这些基础设施,基本的数据结构开始。
HashTable
首先来看 HashTable,这是 live555 定义的一个范型关联容器。
UsageEnvironment 的 HashTable
UsageEnvironment 中的 HashTable 类定义了接口,该接口定义如下:
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尽管 HashTable 要定义为范型关联容器,然而它没有使用 C++ 的模板。HashTable 要求键为一个 C 风格的字符串,即 char const*,而值为一个 void*,以此可以表示各种不同类型的值。就像 C++ 标准库中的许多容器一眼,HashTable 内部还定义了一个迭代器类,用来遍历这个容器。
其它添加、移除、查找元素等操作,与其它的普通容器设计并没有太大的不同。
HashTable 类实现了公共的与具体存储结构无关的两个模板函数 RemoveNext() 和 getFirst(),这两个函数分别用于移除容器中的下一个元素并返回元素的值,及得到容器中的第一个元素,它们的实现如下:
这两个函数,都借助于容器的迭代器来实现。Iterator 类的 next(char const*& key) 接收一个传出参数,用于将键返回给调用者。
从接口定义的角度来看 live555 定义的 HashTable。它的 Iterator 类对象是由 Iterator 类的静态方法 create(HashTable const& hashTable) 创建的,但销毁创建的对象的职责却是在调用者这里,这大大破坏了 HashTable 接口的实现的灵活性,比如创建的对象因此而无法做缓存。
HashTable 类及其迭代器类 Iterator 各自定义了一个静态方法 create()。这里使用了桥接的方式,HashTable 的这个方法像一座桥一样,把 HashTable 接口与接口的实现联系了起来。这个类静态函数都在实现接口的类中定义。
HashTable 有两种类型,分别用两个整型值来标识,STRING_HASH_KEYS 和 ONE_WORD_HASH_KEYS。当然,依赖于在 create() 方法中是根据 HashTable 类型创建相同类的对象还是创建不同类的对象,可以将 create() 方法的设计理解为是桥接,或者工厂方法。
BasicUsageEnvironment 的 BasicHashTable
BasicUsageEnvironment 中的 BasicHashTable 提供了一个 HashTable 的实现。BasicHashTable 的定义如下:
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BasicHashTable 定义了一个类 TableEntry,用于表示键-值对。fNext 字段用于指向计算的键的哈希值冲突的不同的键-值对中的下一个。
来看 BasicHashTable 的创建:
BasicHashTable 用 TableEntry 指针的数组保存所有的键-值对。在该类对象创建时,一个小的 TableEntry 指针数组 fStaticBuckets 会随着对象的创建而创建,在 BasicHashTable 中元素比较少时,直接在这个数组中保存键值对,以此来优化当元素比较少的性能,降低内存分配的开销。
fBuckets 指向保存键-值对的 TableEntry 指针数组,在对象创建初期,它指向 fStaticBuckets,而在哈希桶扩容时,它指向新分配的 TableEntry 指针数组。对于容器中元素的访问,都通过
fBuckets 来完成。fNumBuckets 用于保存 TableEntry 指针数组的长度。fNumEntries 用于保存容器中键-值对的个数。fRebuildSize 为哈希桶扩容的阈值,即当 BasicHashTable 中保存的键值对超过该值时,哈希桶需要扩容。fDownShift 和 fMask 用于计算哈希值,并把哈希值映射到哈希桶容量范围内。
向 BasicHashTable 中插入元素
可以通过 Add(char const* key, void* value) 向 BasicHashTable 中插入元素,这个函数的定义如下:
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向 BasicHashTable 中插入元素的过车大致如下:
- 查找 BasicHashTable 中与要插入的键-值对的键匹配的元素
TableEntry。 - 若找到,把该元素的旧的值保存在
oldValue中。 - 若没有找到,则通过
insertNewEntry(index, key)创建一个TableEntry并加入到哈希桶中,oldValue被赋值为 NULL。 - 把要插入的键-值对的值保存进新创建或找到的
TableEntry中。 - 如果 BasicHashTable 中的元素个数超出
fRebuildSize的大小,则对哈希桶扩容。 - 返回元素的旧的值。
查找 BasicHashTable 中与要插入的键-值对的键匹配的元素 TableEntry 的过程如下:
lookupKey() 首先通过 hashIndexFromKey(key) 根据键值对的键计算哈希值,并把该值映射到哈希桶容量范围内,得到索引。然后根据得到的索引,查找与传入的键匹配的元素。
这里可以更加清晰地看到,不同类型的 HashTable 之间的区别主要在于对待键的方式不同。STRING_HASH_KEYS 型的 HashTable,其键为传入的字符串指针指向的字符串的内容,而
ONE_WORD_HASH_KEYS 型的 HashTable,其键则为传入的字符串指针本身。
计算最终的哈希值,并把该值映射到哈希桶容量范围内,得到索引的过程如下:
insertNewEntry(index, key) 创建一个 TableEntry 并加入到哈希桶中的过程如下:
可见插入的过程主要为,
- 创建 TableEntry 对象,并把它插入到键所对应的 TableEntry 指针数组中的 TableEntry 元素链的头部。
- 增加容器中元素个数的计数。
- 为 TableEntry 分配传入的键。
依据 HashTable 类型的不同,分配键的方式也不同。
- 对于 STRING_HASH_KEYS 型的
HashTable,需要将传入的字符串指针指向的字符串的内容复制一份,赋值给 TableEntry 的key。 - 对于 ONE_WORD_HASH_KEYS 型的
HashTable,需要将传入的字符串指针本身,赋值给 TableEntry 的key。 - 对于
fKeyType大于 0 的情况,需要将传入的字符串指针指向的字符串的内容的前 (sizeof(unsigned) fKeyType) 个字节复制一份,赋值给 TableEntry 的key。这种代码真是看得人胆颤心惊,万一传入的 key 字符串长度小于 (sizeof(unsigned) fKeyType) 个字节呢?。。。
对比 keyMatches() 和 assignKey() 函数的实现,不难发现,当 HashTable 类型 fKeyType 大于0,且不是 ONE_WORD_HASH_KEYS 时,要求作为哈希表中键值对的键的字符串的长度固定为 (sizeof(unsigned) * fKeyType) 个字节。
然后来看,BasicHashTable 中对哈希桶扩容的过程:
在这里就是,
- 为
fBuckets分配一块新的内存,容量为原来的4倍。 - 适当更新
fNumBuckets,fRebuildSize,fDownShift和fMask等。 - 将老的
fBuckets中的元素,依据元素的key和新的哈希桶的容量,搬到新的fBuckets中。 - 根据需要释放老的
fBuckets的内存。
在 BasicHashTable 中查找元素
然后来看在 BasicHashTable 中查找元素的过程:
这个过程主要是根据 key,通过 lookupKey() 查找到对应的元素 TableEntry,然后返回其 value。
移除 BasicHashTable 中的元素
来看移除 BasicHashTable 中的元素的过程:
移除 BasicHashTable 中的元素的过程,也是免不了要先找到元素在 BasicHashTable 中的 TableEntry 的,找到之后,通过 deleteEntry() 移除元素。
在 deleteEntry() 中,先把元素从 BasicHashTable 中移除出去,然后通过 deleteKey() 释放 key 占用的内存,随后释放 TableEntry 本身占用的内存。这里把 TableEntry 从 BasicHashTable 中移除出去采用了下面这种方法:
通过二级指针,遍历链表一趟,就将元素移除出去了。记得这是这中场景下 Linus 大神鼓励的一种写法。从链表中删除一个元素,用好几个临时变量,或者加许多判断的方法,都弱爆了。
通过 Iterator 遍历 BasicHashTable
可以使用 BasicHashTable 中定义的 Iterator 来遍历它。过程如下:
BasicHashTable 的 fBuckets 中的每个元素都保存一个 TableEntry 的链表。在这里会逐个链表地遍历。
live555 定义的 HashTable 的内容就是这些了。
UsageEnvironment
live555 中,UsageEnvironment 类扮演一个简单的控制器的角色。UsageEnvironment 模块中,UsageEnvironment 类的定义如下:
UsageEnvironment 类持有 TaskScheduler 的引用,并提供文本的输出操作,用于输出信息,其它还提供了获取 errno 的操作,在发生内部错误时的处理程序 internalError(),以及销毁自身的操作。UsageEnvironment 类本身实现了如下这几个函数:
这些函数都比较简单,这里不再赘述。
UsageEnvironment 是一个接口类,BasicUsageEnvironment 模块中,通过两个类 BasicUsageEnvironment 和 BasicUsageEnvironment0,提供了它的一个实现。BasicUsageEnvironment0 类提供了那组直接操作字符串的函数的实现,该类的定义如下:
这个类定义了一个缓冲区,大小为 RESULT_MSG_BUFFER_MAX。类的实现如下:
这组函数提供了把传入的字符串,加进缓冲区,以及把缓冲区中的内容输出到标准输出的功能。
BasicUsageEnvironment 类则提供了那组用于输出基本数据类型的操作符。这个类的定义如下:
定义比较简单。然后来看它的实现:
BasicUsageEnvironment 类还提供了一个静态的创建对象的函数 createNew() 用来创建 BasicUsageEnvironment 的对象。对于那些输出操作符的实现,都比较直接。
感觉 live555 这组 I/O 函数的实现并不是太好,C++ 标准库对这些接口都有着良好的实现,但 live555 似乎并没有要引入 C++ 标准库的打算。
TaskScheduler
TaskScheduler 是 live555 中的任务调度器,它实现了 live555 的事件循环。UsageEnvironment 模块中,TaskScheduler 类的定义如下:
TaskScheduler 的接口可以分为如下的几组:
- 调度定时器任务。这主要包括
scheduleDelayedTask()、unscheduleDelayedTask()和rescheduleDelayedTask()这几个函数,它们分别用于调度一个延迟任务,取消一个延迟任务,以及重新调度一个延迟任务。 - 后台调度 Socket I/O 处理操作。这主要包括
setBackgroundHandling()、disableBackgroundHandling()、moveSocketHandling()、turnOnBackgroundReadHandling()和turnOffBackgroundReadHandling()这样几个函数,它们用于设置、修改或取消 socket 上特定 I/O 事件的处理程序。 - 用户事件调度。这主要包括
createEventTrigger()、deleteEventTrigger()和triggerEvent()这样几个函数,它们用于创建、删除及触发一个用户自定义事件。 - 执行事件循环。这个由
doEventLoop()函数完成,这个函数通常也是应用程序的主循环。 - 内部错误处理程序。这个指
internalError()函数,用于在TaskScheduler发生内部错误时,执行一些处理。
TaskScheduler 类本身提供了几个简单函数的实现:
它们都简单而易于理解,这里不再赘述。
BasicUsageEnvironment 模块中同样提供了,TaskScheduler 接口的实现。与 UsageEnvironment 接口的情况类似,TaskScheduler 类的接口同样由两个类来实现,分别是 BasicTaskScheduler 和 BasicTaskScheduler0,其中
BasicTaskScheduler0 类实现我们前面提到的第 1 组,第 3 组接口,以及 doEventLoop() 的框架,而 BasicTaskScheduler 则用于实现第 2 组接口,并实现 doEventLoop() 的事件循环的循环体。
BasicTaskScheduler0 类定义如下:
BasicTaskScheduler0 类的成员函数,基本上就是继承自 TaskScheduler 类中,它要实现功能的那部分接口,但它新添加了一个虚函数 SingleStep() ,用于让其子类覆写,实现事件循环中的单次迭代。
BasicTaskScheduler0 类的成员变量则是清晰地分为三组:fDelayQueue 用于实现定时器操作;fHandlers 和 fLastHandledSocketNum 用于实现 Socket I/O 事件处理操作;fTriggersAwaitingHandling、fLastUsedTriggerMask、fTriggeredEventHandlers、fTriggeredEventClientDatas 和 fLastUsedTriggerNum 用于实现用户事件。
对于 fHandlers 和 fLastHandledSocketNum,感觉实际上没有必要在
BasicTaskScheduler0 类中定义。纵观 BasicTaskScheduler0 类的整个实现,除初始化这两个成员变量之外,不存在其它的访问操作。从这两个变量的职责来说,也不在 BasicTaskScheduler0 类的职责范围内。感觉这两个变量实际上放在 BasicTaskScheduler 类中更合适一点。
BasicTaskScheduler0 类对象创建及销毁过程如下:
在类对象创建的过程中,创建和/或初始化成员对象,对象销毁时,则销毁成员对象。
时间的表示
在 live555 的 BasicUsageEnvironment 模块中,用 Timeval 类来描述时间,并用 DelayInterval 来描述延迟时间。这两个类的定义如下:
DelayInterval 类基本上就是 Timeval 类的别名,而之所以重新定义这样一个类,大概主要是为了便于阅读维护吧。Timeval 类用标准库中保存时间的 struct timeval 结构保存时间值,但通过操作符重载,提供了一些方便操作时间值的操作符函数。以成员函数的方式定义的操作符函数的实现如下:
这些操作符函数的实现,都比较直观。
除了以成员操作符函数定义的这些操作符之外,还包括如下这些非成员函数的操作符:
它们的实现也都比较直观。
延迟任务的表示及组织
在 live555 的 BasicUsageEnvironment 模块中,用 DelayQueueEntry 类表示一个延迟任务。该类定义如下:
延迟任务通过 token 来标识,token 在对象创建时,借助于全局的 tokenCounter 产生。fDeltaTimeRemaining 用于表示延迟任务需要被执行的时间距当前时间的间隔。由 fNext 和 fPrev 不难猜到,在 BasicUsageEnvironment 模块中是以双向链表来组织延迟任务的。handleTimeout() 函数是延迟任务的主体,需要由具体的子类提供实现。
DelayQueueEntry 类的具体实现如下:
BasicUsageEnvironment 模块中实际使用 AlarmHandler 来描述延迟任务的,其定义如下:
BasicUsageEnvironment 模块需要用 DelayQueueEntry 类表示和组织延迟任务,而在接口层,也就是 TaskScheduler 中则是通过 TaskFunc 和用户数据指针来表示延迟任务。AlarmHandler 协助完成接口的结构到实现的结构的转换。
BasicUsageEnvironment 模块使用 DelayQueue 把 DelayQueueEntry 组织为双向链表,该类定义如下:
首先来看一下 DelayQueue 类对象构造和销毁的过程:
然后来看一下向链表中添加元素的过程:
通过这两个函数,可以更加清楚的看到,在 DelayQueue 中是怎么组织延迟任务的。DelayQueue 因为其本身是一个 DelayQueueEntry,实际上它是一个环形双向链表。它的 fNext 指向这个链表的逻辑上的头部元素,但它本身是这个链表的尾部元素。双向链表中每个元素的 fDeltaTimeRemaining 保存的是这个任务应该被调度执行的时间点,与它前面的那个任务应该被调度执行的时间点之间的差值,当该值为 0 时,也就表示这个任务需要被执行了。这样也就是说, DelayQueue 是一个双向环形的有序链表,顺序按照所需的执行时间排列。
removeEntry() 用于从双向链表中移除一个任务:
removeEntry(DelayQueueEntry* entry) 中,在 entry->fNext == NULL 成立时会直接返回,也是由于 DelayQueue 实际是一个双向环形链表的缘故。
DelayQueue 还提供了用于更新延迟任务执行时间的接口:
此外,timeToNextAlarm() 用于计算最近的一个任务执行的时间,而 handleAlarm() 则用于执行该任务。
延迟任务调度
看过了 live555 的 BasicUsageEnvironment 模块中时间的表示,以及延迟任务的表示及组织之后,再来看延迟任务的调度。
BasicTaskScheduler0 类通过 scheduleDelayedTask() 和 unscheduleDelayedTask() 函数实现定时器任务调度,它们分别用于调度一个延迟任务及取消一个延迟任务,它们的实现如下:
延迟任务调度也就是把延迟任务放进 DelayQueue 中,而取消延迟任务则是,把任务从 DelayQueue 中移除。
后面再来看延迟任务被执行的过程。
用户事件任务调度
用户事件任务调度接口,让调用者可以创建任务,并触发该任务在事件循环中执行。这组接口主要包括这样几个:createEventTrigger()、deleteEventTrigger() 和 triggerEvent(),它们分别用于创建任务,删除任务,及触发任务执行。
这些接口的实现如下:
BasicTaskScheduler0 的 fTriggeredEventHandlers 和 fTriggeredEventClientDatas 用于保存任务本身,它们分别保存任务主体函数,以及执行任务时传入的用户数据。它们都是数组,每个任务占用一个元素,相同索引处的元素属于同一个任务。数组的长度为 MAX_NUM_EVENT_TRIGGERS,即 32,也就是说最多可以创建的任务的个数为 32。
fTriggersAwaitingHandling 用于记录当前触发了哪些任务。每个任务的触发状态都对应于其中的一个位,当对应的位置 1 时,表示任务被触发,需要执行;反之则不需要执行。比如 fTriggeredEventHandlers 和 fTriggeredEventClientDatas 中索引 0 处的任务的触发状态,对应于 fTriggersAwaitingHandling 的最高位,索引 1 处的任务的触发状态,对应于次高位,依次类推。
创建任务,即是在 fTriggeredEventHandlers 和 fTriggeredEventClientDatas 中为任务找到一个空闲的位置,把任务的主体函数的指针保存起来,返回任务的索引在 fTriggersAwaitingHandling 中的对应位的掩码,作为任务的标识。fLastUsedTriggerNum 用于防止遍历 fTriggeredEventHandlers 查找时的无限循环。
删除任务即是移除任务相关的所有数据,包括复位 fTriggersAwaitingHandling 中的触发状态,以及 fTriggeredEventHandlers 和 fTriggeredEventClientDatas 中任务的主体函数指针和用户数据。
触发事件任务则是置为任务在 fTriggersAwaitingHandling 中对应的位,并设置任务数据。任务的实际执行同样需要在事件循环中执行。
事件循环执行框架
BasicTaskScheduler0 中执行事件循环由 doEventLoop() 函数完成,具体实现如下:
主要特别关注的是传入的参数 watchVariable:调用者可以通过这个参数,来在事件循环的外部控制,事件循环何时结束。
Socket I/O 事件描述及其组织
BasicUsageEnvironment 模块中,用 HandlerDescriptor 描述要监听的 socket 上的事件及事件发生时的处理程序,该类定义如下:
socketNum 为要监听的 socket,conditionSet 描述要监听的 socket 上的事件,handlerProc 为事件发生时的处理程序,clientData 为传递给事件处理程序的用户数据。而 fNextHandler 和 fPrevHandler 则用于将
HandlerDescriptor 组织起来。不难猜到,BasicUsageEnvironment 模块中 HandlerDescriptor 也是要被组织为双向链表的。
HandlerDescriptor 类的实现如下:
BasicUsageEnvironment 模块中,使用 HandlerSet 来维护所有的 HandlerDescriptor,这个类的定义如下:
HandlerSet/HandlerDescriptor 的设计与 DelayQueue/DelayQueueEntry 的设计非常相似。HandlerSet 的实现如下:
HandlerSet 类似地,被设计为 HandlerDescriptor 的双向循环列表,只是其中的元素的顺序没有意义。
BasicUsageEnvironment 模块还提供了迭代器 HandlerIterator,用于遍历HandlerSet ,其定义及实现如下:
总结一下,可以监听每个 socket 上的事件,并在事件发生时执行处理程序,监听的 socket 上的事件及事件处理程序由 HandlerDescriptor 描述;所有的 HandlerDescriptor 由 HandlerSet 组织为一个双向的循环链表,元素之间的实际顺序没有意义,新加入的元素被放在逻辑上的链表头部。
Socket I/O 事件处理任务调度
Socket I/O 事件处理任务调度都在 BasicTaskScheduler 类中完成,这个类的定义如下:
fHandlers 用于组织 HandlerDescriptor,fReadSet、fWriteSet、fExceptionSet 和 fMaxNumSockets 主要是为了适配 select() 接口,分别用于描述要监听其可读事件、可写事件、异常事件的 socket 集合,以及要监听的 socket 中 socket number 最大的那个。
Socket I/O 事件处理任务调度,由 setBackgroundHandling() 和 moveSocketHandling() 这两个函数完成,它们的实现如下:
对于 setBackgroundHandling(),当 conditionSet 为非 0 值时,会更新或者新建对特定 socket 的监听;为 0 时,则将清除对该 socket 的监听。 moveSocketHandling() 更新对于 socket 事件的监听。
BasicTaskScheduler 的 SingleStep() 实现事件循环的单次迭代:
这个函数有点长,但清晰地分为如下几个部分:
- 根据定时器任务列表中,距当前时间最近的任务所需执行的时间点以及传入的最大延迟时间,计算
select()所能够等待地最长时间。 - 执行
select()等待 socket 上的时间。 select()超时或某个 socket 上的 I/O 事件到来,首先执行发生 I/O 事件的 socket 的 I/O 事件处理程序。这个函数一次最多执行一个 socket 上的 I/O 处理程序。- 执行用户事件处理程序。也是一次最多执行一个。
- 执行定时器任务,同样是一次最多执行一个。
live555 的基础设施基本上就是这些了。
打赏
Done.
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