Golang流媒体实战之七：hls拉流服务源码阅读(有链接要改)-每日运维

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本篇概览

本文是《Golang流媒体实战》系列的第七篇，继续学习一个重要且通用的知识点：hls拉流
在《体验开源项目lal》一文中，咱们先是用rtmp协议推流，然后就行了拉流操作，尽管只用rtmp推流，然而拉流的时候却可以使用多种协议：rtmp、flv、hls，这就有意思了，想必lal在处理推流数据时有特殊处理吧，所以才能用各种协议来拉流
为了弄明白其中原因，本篇咱们就来阅读hls相关源码，看看rtmp推流时为hls做了什么，以及hls拉流时lal的详细逻辑
关于hls和m3u8的细节，就在本篇展开了，这个仅给出一些关键信息作为参考
参考资料：developer.ridgerun.com/wiki/index.…
m3u8格式

推流，初始阶段

首先看推流处理，关于rtmp推流的源码，其实已在《Golang流媒体实战之五：lal推流服务源码阅读》有详细分析，所以这里就不从头说起了，只挑出hls有关代码来看
处理推流时，publish命令由server_session.go#doPublish方法负责处理，调用栈如下

server_session.go#doCommandMessage
->
doPublish
->
server.go#OnNewRtmpPubSession
->
server_manager__.go#OnNewRtmpPubSession
->
group__in.go#AddRtmpPubSession
->
addIn

注意这个addIn方法中有下面这么一段代码

group.rtmp2MpegtsRemuxer = remux.NewRtmp2MpegtsRemuxer(group)

也就是说，推流阶段，该流对应的group对象，其成员变量rtmp2MpegtsRemuxer是有值的，看名字，这个rtmp2MpegtsRemuxer变量负责的是将rtmp协议内的数据转为mpeg格式的时间分片文件
记住这个group.rtmp2MpegtsRemuxer，稍后马上就会用到

推流，处理媒体数据阶段

在《Golang流媒体实战之五：lal推流服务源码阅读》一文中咱们已经看过，lal收到媒体数据后，具体的处理逻辑是group__core_streaming.go#broadcastByRtmpMsg方法，里面有这么一段

	// # mpegts remuxer
	if group.rtmp2MpegtsRemuxer != nil {
		group.rtmp2MpegtsRemuxer.FeedRtmpMessage(msg)
	}

展开上述FeedRtmpMessage方法的堆栈有点深，这里简化一下

rtmp2mpegts.go#FeedRtmpMessage
->
rtmp2mpegts_filter_.go#Push
->
rtmp2mpegts.go#onPop
->
feedVideo (这段代码比较复杂，值得细看)
->
onFrame
->
muxer.go#OnTsPackets
->
FeedMpegts
->
fragment.go#WriteFile

上面这复杂的调用栈，重点是rtmp2mpegts_filter_.go的逻辑，先从入口Push方法看起，此方法的功能是从消息中取得音频和视频的codecID，用于确定ts文件所需的pat表和pmt表的内容

func (q *rtmp2MpegtsFilter) Push(msg base.RtmpMsg) {
	// q.done是个标志，一旦等于true，今后收到的消息都直接给观察者，
	// 但是等于true之前，收到的消息都放在切片中缓存起来，
	// 如果从消息中成功取得音频和视频的codecID，就在drain方法中把标准设置为true
	if q.done {
		q.observer.onPop(msg)
		return
	}

	// 将数据缓存到q.data
	q.data = append(q.data, msg.Clone())

	// 如果是音频消息或者视频消息，就可以得到对应的codecID
	switch msg.Header.MsgTypeId {
	case base.RtmpTypeIdAudio:
		q.audioCodecId = int(msg.Payload[0] >> 4)
	case base.RtmpTypeIdVideo:
		q.videoCodecId = int(msg.Payload[0] & 0xF)
	}
	
	// 一旦音频和视频的codecID都搜集到了，就执行drain，
	if q.videoCodecId != -1 && q.audioCodecId != -1 {
		q.drain()
		return
	}
	
	// 缓存存不下的时候也会执行drain
	if len(q.data) >= q.maxMsgSize {
		q.drain()
		return
	}
}

func (q *rtmp2MpegtsFilter) drain() {
	// 根据当前视频的codecId，确定ts文件的PAT，PMT格式
	switch q.videoCodecId {
	case int(base.RtmpCodecIdAvc):
		q.observer.onPatPmt(mpegts.FixedFragmentHeader)
	case int(base.RtmpCodecIdHevc):
		q.observer.onPatPmt(mpegts.FixedFragmentHeaderHevc)
	default:
		// TODO(chef) 正确处理只有音频或只有视频的情况 #56
		q.observer.onPatPmt(mpegts.FixedFragmentHeader)
	}
	
	// 将缓存的所有消息输出给观察者
	for i := range q.data {
		q.observer.onPop(q.data[i])
	}

	q.data = nil

	q.done = true
}

从上述代码可见，随着根据CodecId的不同，pat、pmt包也有差别，具体定义在mpegts.go中，
上面的onPatPmt方法，对应的是lal/pkg/logic/group__core_streaming.go#OnPatPmt，展开看看，主要是group.hlsMuxer.FeedPatPmt方法被执行了，也就是PAT和PMT被存入group.hlsMuxer对象，至于后面的group.recordMpegts.Write，那个和录制有关，这里暂不关注

func (group *Group) OnPatPmt(b []byte) {
	group.patpmt = b

	if group.hlsMuxer != nil {
		group.hlsMuxer.FeedPatPmt(b)
	}

	if group.recordMpegts != nil {
		if err := group.recordMpegts.Write(b); err != nil {
			Log.Errorf("[%s] record mpegts write fragment header error. err=%+v", group.UniqueKey, err)
		}
	}
}

回到主线，一旦PAT和PMT确定后，rtmp2MpegtsFilter的作用就非常单纯了：每当新消息到来，只调用观察者的onPop方法

func (s *Rtmp2MpegtsRemuxer) onPop(msg base.RtmpMsg) {
	switch msg.Header.MsgTypeId {
	case base.RtmpTypeIdAudio:
		s.feedAudio(msg)
	case base.RtmpTypeIdVideo:
		s.feedVideo(msg)
	}
}

上述代码中的feedVideo方法，代码太长就不贴出了，主要功能是：先做合法性检查，再从一个消息中取出多个nalu逐个处理，主要是在关键帧前面放入SPS（Sequence Parameter Set）、PPS（Picture Parameter Sets），待这些都准备好之后就能组装好frame对象，然后调用rtmp2mpegts.go#onFrame
onFrame的作用：先调用frame.Pack方法做格式转换，得到ts格式的数据，再调用观察者的OnTsPackets方法

func (s *Rtmp2MpegtsRemuxer) onFrame(frame *mpegts.Frame) {
	s.adjustDtsPts(frame)
	//Log.Debugf("Rtmp2MpegtsRemuxer::onFrame, frame=%s", frame.DebugString())

	var boundary bool

	if frame.Sid == mpegts.StreamIdAudio {
		// 为了考虑没有视频的情况也能切片，所以这里判断spspps为空时，也建议生成fragment
		boundary = !s.videoSeqHeaderCached()
	} else {
		// 收到视频，可能触发建立fragment的条件是：
		// 关键帧数据 &&
		// (
		//  (没有收到过音频seq header) || 说明 只有视频
		//  (收到过音频seq header && fragment没有打开) || 说明 音视频都有，且都已ready
		//  (收到过音频seq header && fragment已经打开 && 音频缓存数据不为空) 说明 为什么音频缓存需不为空？
		// )
		boundary = frame.Key && (!s.audioSeqHeaderCached() || !s.opened || !s.audioCacheEmpty())
	}

	if boundary {
		s.opened = true
	}

	packets := frame.Pack()

	s.observer.OnTsPackets(packets, frame, boundary)
}

更新切片文件，将音视频数据写入切片文件

接下来进入本篇的核心代码：生成新切片文件，关闭旧切片文件，将音视频数据写入新切片文件
OnTsPackets对应的是muxer.go#FeedMpegts：先用updateFragment方法执行关闭旧切片开启新切片的操作，再调用WriteFile把数据写入当前切片

func (m *Muxer) FeedMpegts(tsPackets []byte, frame *mpegts.Frame, boundary bool) {
	//Log.Debugf("> FeedMpegts. boundary=%v, frame=%p, sid=%d", boundary, frame, frame.Sid)
	if frame.Sid == mpegts.StreamIdAudio {
		// TODO(chef): 为什么音频用pts，视频用dts
		if err := m.updateFragment(frame.Pts, boundary, frame); err != nil {
			Log.Errorf("[%s] update fragment error. err=%+v", m.UniqueKey, err)
			return
		}
		if !m.opened {
			Log.Warnf("[%s] FeedMpegts A not opened. boundary=%t", m.UniqueKey, boundary)
			return
		}
		//Log.Debugf("[%s] WriteFrame A. dts=%d, len=%d", m.UniqueKey, frame.DTS, len(frame.Raw))
	} else {
		if err := m.updateFragment(frame.Dts, boundary, frame); err != nil {
			Log.Errorf("[%s] update fragment error. err=%+v", m.UniqueKey, err)
			return
		}
		if !m.opened {
			// 走到这，可能是第一个包并且boundary为false
			Log.Warnf("[%s] FeedMpegts V not opened. boundary=%t, key=%t", m.UniqueKey, boundary, frame.Key)
			return
		}
		//Log.Debugf("[%s] WriteFrame V. dts=%d, len=%d", m.UniqueKey, frame.Dts, len(frame.Raw))
	}

	if err := m.fragment.WriteFile(tsPackets); err != nil {
		Log.Errorf("[%s] fragment write error. err=%+v", m.UniqueKey, err)
		return
	}
}

展开updateFragment去探寻核心代码，如下可见，一旦判定有必要启用新文件，就先调用closeFragment将当前TS文件关闭掉，再调用openFragment新建一个TS文件，判定条件有两个：当前TS文件存储内容是否超过一定长度，以及是否到达边界（boundary入参，如果是新的关键帧，此标志可能为true）

func (m *Muxer) updateFragment(ts uint64, boundary bool, frame *mpegts.Frame) error {
	discont := true

	// 如果已经有TS切片，检查是否需要强制开启新的切片，以及切片是否发生跳跃
	// 注意，音频和视频是在一起检查的
	if m.opened {
		f := m.getCurrFrag()

		// 以下情况，强制开启新的分片：
		// 1. 当前时间戳 - 当前分片的初始时间戳 > 配置中单个ts分片时长的10倍
		//    原因可能是：
		//        1. 当前包的时间戳发生了大的跳跃
		//        2. 一直没有I帧导致没有合适的时间重新切片，堆积的包达到阈值
		// 2. 往回跳跃超过了阈值
		//
		maxfraglen := uint64(m.config.FragmentDurationMs * 90 * 10)
		if (ts > m.fragTs && ts-m.fragTs > maxfraglen) || (m.fragTs > ts && m.fragTs-ts > negMaxfraglen) {
			Log.Warnf("[%s] force fragment split. fragTs=%d, ts=%d, frame=%s", m.UniqueKey, m.fragTs, ts, frame.DebugString())

			if err := m.closeFragment(false); err != nil {
				return err
			}
			if err := m.openFragment(ts, true); err != nil {
				return err
			}
		}

		// 更新当前分片的时间长度
		//
		// TODO chef:
		// f.duration（也即写入m3u8中记录分片时间长度）的做法我觉得有问题
		// 此处用最新收到的数据更新f.duration
		// 但是假设fragment翻滚，数据可能是写入下一个分片中
		// 是否就导致了f.duration和实际分片时间长度不一致
		if ts > m.fragTs {
			duration := float64(ts-m.fragTs) / 90000
			if duration > f.duration {
				f.duration = duration
			}
		}
		discont = false

		// 已经有TS切片，切片时长没有达到设置的阈值，则不开启新的切片
		if f.duration < float64(m.config.FragmentDurationMs)/1000 {
			return nil
		}
	}

	// 开启新的fragment
	// 此时的情况是，上层认为是合适的开启分片的时机（比如是I帧），并且
	// 1. 当前是第一个分片
	// 2. 当前不是第一个分片，但是上一个分片已经达到配置时长
	if boundary {
		if err := m.closeFragment(false); err != nil {
			return err
		}
		if err := m.openFragment(ts, discont); err != nil {
			return err
		}
	}

	return nil
}

在closeFragment的代码中，还有个重要操作：调用writePlaylist方法生成m3u8文件

func (m *Muxer) writePlaylist(isLast bool) {
	// 找出时长最长的fragment
	maxFrag := float64(m.config.FragmentDurationMs) / 1000
	m.iterateFragsInPlaylist(func(frag *fragmentInfo) {
		if frag.duration > maxFrag {
			maxFrag = frag.duration + 0.5
		}
	})

	// TODO chef 优化这块buffer的构造
	var buf bytes.Buffer
	buf.WriteString("#EXTM3Un")
	buf.WriteString("#EXT-X-VERSION:3n")
	buf.WriteString("#EXT-X-ALLOW-CACHE:NOn")
	buf.WriteString(fmt.Sprintf("#EXT-X-TARGETDURATION:%dn", int(maxFrag)))
	buf.WriteString(fmt.Sprintf("#EXT-X-MEDIA-SEQUENCE:%dnn", m.extXMediaSeq()))

	m.iterateFragsInPlaylist(func(frag *fragmentInfo) {
		if frag.discont {
			buf.WriteString("#EXT-X-DISCONTINUITYn")
		}

		buf.WriteString(fmt.Sprintf("#EXTINF:%.3f,n%sn", frag.duration, frag.filename))
	})

	if isLast {
		buf.WriteString("#EXT-X-ENDLISTn")
	}

	if err := writeM3u8File(buf.Bytes(), m.playlistFilename, m.playlistFilenameBak); err != nil {
		Log.Errorf("[%s] write live m3u8 file error. err=%+v", m.UniqueKey, err)
	}
}

还有个比较重要的地方，就是openFragment方法，里面是打开一个新的TS文件的操作：生成TS文件名，将准备好的PAT和PMT信息写入文件，调用观察者的回调接口

func (m *Muxer) openFragment(ts uint64, discont bool) error {
	if m.opened {
		return nazaerrors.Wrap(base.ErrHls)
	}

	id := m.getFragmentId()

	filename := PathStrategy.GetTsFileName(m.streamName, id, int(Clock.Now().UnixNano()/1e6))
	filenameWithPath := PathStrategy.GetTsFileNameWithPath(m.outPath, filename)

	if err := m.fragment.OpenFile(filenameWithPath); err != nil {
		return err
	}

	if err := m.fragment.WriteFile(m.patpmt); err != nil {
		return err
	}

	m.opened = true

	frag := m.getCurrFrag()
	frag.discont = discont
	frag.id = id
	frag.filename = filename
	frag.duration = 0

	m.fragTs = ts

	// nrm said: start fragment with audio to make iPhone happy
	m.observer.OnFragmentOpen()

	m.observer.OnHlsMakeTs(base.HlsMakeTsInfo{
		Event:          "open",
		StreamName:     m.streamName,
		Cwd:            base.GetWd(),
		TsFile:         filenameWithPath,
		LiveM3u8File:   m.playlistFilename,
		RecordM3u8File: m.recordPlayListFilename,
		Id:             id,
		Duration:       frag.duration,
	})

	return nil
}

TS文件名的生成逻辑很简单，用流名+时间戳+TS序号拼接

func (*DefaultPathStrategy) GetTsFileName(streamName string, index int, timestamp int) string {
	return fmt.Sprintf("%s-%d-%d.ts", streamName, timestamp, index)
}

至此，生成逻辑的代码算是看过了，接下来要看播放逻辑

拉流播放

要响应客户端的拉流请求，首先要准备好server服务，咱们就从server初始化看起
hls的server对象，是main方法中创建的，调用栈如下：

main()
->
logic.go#NewLalServer
->
server_manager__.go#NewServerManager
->
hls/server_handler.go#NewServerHandler

上述代码创建了hlsServerHandler对象，存入sm.hlsServerHandler，接下来就是server_manager__.go#RunLoop启动hls服务，代码如下

	if err := addMux(sm.config.HlsConfig.CommonHttpServerConfig, sm.serveHls, "hls"); err != nil {
		return err
	}

也就是说，下面这个方法负责响应hls请求

func (sm *ServerManager) serveHls(writer http.ResponseWriter, req *http.Request) {
	urlCtx, err := base.ParseUrl(base.ParseHttpRequest(req), 80)
	if err != nil {
		Log.Errorf("parse url. err=%+v", err)
		return
	}
	if urlCtx.GetFileType() == "m3u8" {
		// TODO(chef): [refactor] 需要整理，这里使用 hls.PathStrategy 不太好 202207
		streamName := hls.PathStrategy.GetRequestInfo(urlCtx, sm.config.HlsConfig.OutPath).StreamName
		if err = sm.option.Authentication.OnHls(streamName, urlCtx.RawQuery); err != nil {
			Log.Errorf("simple auth failed. err=%+v", err)
			return
		}
	}

	sm.hlsServerHandler.ServeHTTP(writer, req)
}

对于hls的请求，处理逻辑的调用链

server_handler.go#ServeHTTP
->
ServeHTTPWithUrlCtx

响应hls请求的关键是ServeHTTPWithUrlCtx，来看它的关键代码，其实很简单，就是根据请求到达文件名找到文件，读取内容并返回，注意代码注解中有详细说明

	// 根据请求信息生成读取TS或者M3U8文件的关键参数，例如流名和文件路径
	ri := PathStrategy.GetRequestInfo(urlCtx, s.outPath)
	//Log.Debugf("%+v", ri)

	// 合法性检查
	if filename == "" || (filetype != "m3u8" && filetype != "ts") || ri.StreamName == "" || ri.FileNameWithPath == "" {
		err = errors.New(fmt.Sprintf("invalid hls request. url=%+v, request=%+v", urlCtx, ri))
		Log.Warnf(err.Error())
		resp.WriteHeader(http.StatusFound)
		return
	}

	// 抽象过的读取文件操作，放入二进制切片，
	// 具体的读取操作有两种：从磁盘读取或者从内存读取，这取决于配置的是写入磁盘还是内存
	content, _err := ReadFile(ri.FileNameWithPath)
	if _err != nil {
		err = errors.New(fmt.Sprintf("read hls file failed. request=%+v, err=%+v", ri, _err))
		Log.Warnf(err.Error())
		resp.WriteHeader(http.StatusNotFound)
		return
	}
	
	// 根据文件类型不同，设置不同的响应header
	switch filetype {
	case "m3u8":
		resp.Header().Add("Content-Type", "application/x-mpegurl")
		resp.Header().Add("Server", base.LalHlsM3u8Server)
		// 给ts文件都携带上session_id字段
		if sessionIdHash != "" {
			content = bytes.ReplaceAll(content, []byte(".ts"), []byte(".ts?session_id="+sessionIdHash))
		}
	case "ts":
		resp.Header().Add("Content-Type", "video/mp2t")
		resp.Header().Add("Server", base.LalHlsTsServer)
	}
	resp.Header().Add("Cache-Control", "no-cache")
	resp.Header().Add("Access-Control-Allow-Origin", "*")
	
	if sessionIdHash != "" {
		session := s.getSubSession(sessionIdHash)
		if session != nil {
			session.AddWroteBytesSum(uint64(len(content)))
		}
	}

	// 响应
	_, _ = resp.Write(content)
	return

至此，hls拉流服务的源码阅读已经完成，简单来说，就是一路RTMP的推流会在处理每个音视频消息的时候，实时生成m3u8文件，以及多个TS文件，这样每当hls拉流请求到达时，就可以根据指定的文件名返回已经生成的内容了
简单清晰的逻辑，满满的知识点Get，再一次感谢lal的作者先生

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