linux多媒体音频架构

其实要说在Linux系统下播放音乐，确实是一件让人非常抓狂的事情，抛开各种音频格式的商业授权不说，即使提供给你相应的解码库，能玩儿得转的人那又是少之又少。可能有些盆友说ubuntu这方面确实做得不错，一旦默认安装好，几乎不用装任何其他东西，常见的是音频文件都可以正常播放了。因为我天生就有股喜欢折腾的劲儿，所以关于 ubuntu确实不怎么感冒，只能说萝卜白菜各有所爱吧。今天我们以 wav文件(也就是上一篇博文所提到的 PCM格式的音频文件 )为例，看看在Linux下怎么播放它，顺便会简单介绍一下Linux系统的音频驱动框架的基础知识。
说到Linux系统下的音频系统驱动框架，最常见的有OSS和ALSA。我们先来简单了解一下这两个框架，以及它们的历史渊源。
OSS全称是Open Sound System，叫做开放式音频系统，最早是Unix系统上一种统一的音频接口。这种基于文件系统的统一访问方式，就意味着对声音的操作完全可以像对普通文件那样执行open，read，write和close等操作，这也正是得益于文件系统的强大有力支撑。OSS中，主要提供了一下几种音频设备的抽象设备文件：
/dev/mixer：用来访问声卡中内置的混音器 mixer，用于调整音量大小和选择音源；
/dev/dsp、 /dev/audio：读这个设备就相当于录音，写这个设备就相当于放音。/dev/dsp与/dev/audio的主要区别在于所采样的PCM编码方式的不同，/dev/audio使用的是μ律编码(存在这个设备文件的目的主要是为了与SunOS兼容，所以在非SunOS系统中尽量不要使用 )，而 /dev/dsp使用8-bit（无符号）的线性编码；
/dev/sequencer、 /dev/sequencer2 ：主要用于访问声卡内置的，或者连接在MIDI接口的合成器 synthesizer。
还有其他的诸如/dev/adsp、/dev/dmmidi、/dev/midi等等，一些不常用的就先不管了。看一下我的CentOS 5.3内核版本2.6.21系统中的音频设备文件：

我们可以直接使用Unix/Linux 的命令来放音和录音，例如，命令cat /dev/dsp >xyz 可用来录音，录音的结果放在xyz文件中；命令cat xyz >/dev/dsp播放声音文件xyz。当然，我们还可以通过 open、close、read、write、ioctl等这些文件的操作函数直接控制这些设备，达到对声音应用程序级别的访问与控制。那么这么看来OSS应该还算比较完美了，Linux下的声音编程应该没有难度才对，怎么会说Linux下声音变成是一件很头疼的事儿呢？
其实OSS自从诞生到OSSv3版及其之前，都是Linux的原始声音系统，并集成在内核代码里。当OSS被4Front Technologies收购后，于 2002年OSSv4作为商业软件的出现时，它的命运就被我们接下来要介绍的ALSA给改写了。其实严格意义上来说，商业化不是导致OSS没落的根本原因，也有技术层面的因素在，比如OSS的混音功能。由于先天的设计缺陷，OSS对混音的支持非常糟糕，由于当时的声卡本身是支持多路输出的混合，所以OSS就偷懒了，将混音的任务交给了声卡，所以那个年代的程序猿们为了操作混音器，代码里充斥着大量的ioctl函数，现在看起来相当难受。
ALSA全称是 Advanced Linux Sound Architecture，叫做Linux系统下的高级音频架构，它主要为声卡提供的驱动组件，以替代原先的 OSS 。这个项目最早始于1998年Gravis Ultrasound所开发的驱动，它一直作为一个单独的软件包开发，直到2002年他被引进入Linux内核的开发版本(2.5.4-2.5.5)。自从2.6版本开始ALSA成为Linux内核中默认的标准音频驱动程序集，而OSS则被标记为废弃。所以，现在看来OSS被ALSA替代，闭源和商业化都只是外因，内因还是其设计的缺陷。虽然2007年4Front又宣布OSSv4重新在GPL协议下重新开源，但已经人去楼空秋已暮了，现在ALSA对OSS的支持也比较好了，不知道OSS还能否王者归来。其实这些都不重要，对于开发者来说，简单、便捷、高效、实用才是王道，优美的框架结构，完善的文档支持强过口水战百倍。
目前ALSA已经成为Linux系统里主流的音频系统框架，在2.6.21的内核里已经看不到OSS的影子了。在内核设备驱动层面，ALSA提供了alsa-driver，同时在应用层，ALSA也为我们提供了alsa-lib，应用程序只要调用alsa-lib所提供的API，就可以完成对底层音频硬件的控制：

上图向我们展示了ALSA的一个简单的结构，用户空间的alsa-lib对应用程序提供统一的API接口，这样可以隐藏了驱动层的实现细节，简化了应用程序的实现难度。内核空间中，alsa-soc其实是对alsa-driver的进一步封装，针对嵌入式设备提供了一些列增强的功能，通常也被叫做ASoC，即Alsa-soc的缩写，像 Android系统中底层就用了ASoC。想了解ALSA更多细节的盆友可以访问他们的官网： http://www.alsa-project.org/main/index.php/Main_Page

下面，我们首先看一下OSS下如何播放wav文件：

点击(此处)折叠或打开

/*playsound.c*/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <linux/soundcard.h>
#define AUDIO_DEVICE "/dev/dsp"
int play_sound(char *filename,int rate,int bits){
struct stat stat_buf;
unsigned char *buf = NULL;
int result,arg,status,handler,fd;
fd = open(filename,O_RDONLY);
if(fd<0)
return -1;
if(fstat(fd,&stat_buf))
{
close(fd);
return -1;
}
if(!stat_buf.st_size)
{
close(fd);
return -1;
}
buf=malloc(stat_buf.st_size);
if(!buf){
close(fd);
return -1;
}
if(read(fd,buf,stat_buf.st_size)<0){
free(buf);
close(fd);
return -1;
}
handler = open(AUDIO_DEVICE,O_WRONLY);
if(-1 == handler){
return -1;
}
arg = rate*2;
status = ioctl(handler,SOUND_PCM_WRITE_RATE,&arg);
if(-1 == status)
return -1;
arg = bits;
status = ioctl(handler,SOUND_PCM_WRITE_BITS,&arg);
if(-1 == status)
return -1;
result = write(handler,buf,stat_buf.st_size);
if(-1 == result)
return -1;
free(buf);
close(fd);
close(handler);
return result;
}
int main(int argc,char** argv){
play_sound(argv[1],atoi(argv[2]),atoi(argv[3]));
return 0;
}

因为只是演示用，所以错误判断就少了一些。另外，为了让我们的播放程序自动获得音频文件的参数，诸如采样率，量化精度等，我又提供了一个shell脚本player：

点击(此处)折叠或打开

#!/bin/sh
[ "$#" -eq 0 ] && {
echo "Usage: $0 filename"
exit
}
BITS=`file $1 | cut -d' ' -f9`
RATE=`file $1 | cut -d' ' -f12`
echo "Playing...$(file $1)"
./playsound $1 $RATE $BITS

将上述C文件编译，然后，在命令行之./player 文件名，不出意外的话就可以听到声音了，只可惜没办法演示这个过程：

我的系统确实可以听到，但是声音比较小，如果你在命令行执行amixer的话，应该可以看到下面的输出信息：

我的声卡音量居然只有75%(因为我用的虚拟机)，然后一句“amixer set Master 100%”命令下去，再重新播放声音，应该就很happy了。

其实大家可能有点疑惑，不是前面介绍了半天ALSA的好处了，怎么用OSS来示范，是不是专拣软柿子捏啊。再说了，现在很多人的系统几乎都不支持OSS了，上面的代码有毛用。其实我也很不甘心，所以又重新装了CentOS6.3的虚拟系统，用ALSA的API再来播一下wav看得行不，经过N个小时的折腾，皇天不负有心人---It's OK！(新手入门，大家来找BUG吧 :) )
内核版本2.6.32，看一下/dev目录下确实没有dsp和mixer设备文件了，取而代之的/dev/snd目录。在centos5.3里我们也见到过这个目录，但当时还只是试用阶段，现在alsa已经完全扶正了：

播放代码如下：

点击(此处)折叠或打开

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <linux/soundcard.h>
#include <alsa/asoundlib.h>
#define ALSA_MAX_BUF_SIZE 65535
int play_sound(char* filename,int rate,int bits,int channel,int order)
{
long loops;
int rc,size,dir;
snd_pcm_t *handle;
snd_pcm_hw_params_t *params;
snd_pcm_uframes_t frames,periodsize;
snd_mixer_t *mixer;
snd_mixer_elem_t *pcm_element;
char *buffer;
unsigned int val;
FILE *fp = fopen(filename,"rb");
rc = snd_pcm_open(&handle,"default",SND_PCM_STREAM_PLAYBACK,0);
snd_pcm_hw_params_alloca(&params);
snd_pcm_hw_params_any(handle,params);
snd_pcm_hw_params_set_access(handle,params,SND_PCM_ACCESS_RW_INTERLEAVED);
switch(order){
case 1:
snd_pcm_hw_params_set_format(handle,params,SND_PCM_FORMAT_S16_LE);
break;
case 2:
snd_pcm_hw_params_set_format(handle,params,SND_PCM_FORMAT_S16_BE);
break;
defualt:
break;
}
snd_pcm_hw_params_set_channels(handle,params,channel);
val = rate;
snd_pcm_hw_params_set_rate_near(handle,params,&val,0);
snd_pcm_hw_params_get_buffer_size_max(params,&frames);
frames = frames < ALSA_MAX_BUF_SIZE? frames:ALSA_MAX_BUF_SIZE;
rc = snd_pcm_hw_params_set_buffer_size_near(handle,params,&frames);
snd_pcm_hw_params_get_period_size_min(params,&periodsize,NULL);
if(!periodsize){
periodsize=size/4;
}
rc = snd_pcm_hw_params_set_period_size_near(handle,params,&periodsize,NULL);
rc = snd_pcm_hw_params(handle,params);
snd_mixer_open(&mixer,0);
snd_mixer_attach(mixer,"default");
snd_mixer_selem_register(mixer,NULL,NULL);
snd_mixer_load(mixer);
for(pcm_element = snd_mixer_first_elem(mixer);pcm_element;pcm_element=snd_mixer_elem_next(pcm_element))
{
if(snd_mixer_elem_get_type(pcm_element)==SND_MIXER_ELEM_SIMPLE && snd_mixer_selem_is_active(pcm_element))
{
if(!strcmp(snd_mixer_selem_get_name(pcm_element),"Master"))
{
snd_mixer_selem_set_playback_volume_range(pcm_element,0,100);
snd_mixer_selem_set_playback_volume_all(pcm_element,(long)100);
}
}
}
buffer = (char*)malloc(size);
while(1)
{
rc = fread(buffer,1,size,fp);
if(0== rc)
break;
while((rc = snd_pcm_writei(handle,buffer,size))<0)
{
usleep(200);
if(-EPIPE == rc)
snd_pcm_prepare(handle);
else if(0 > rc)
printf("error fomr writei\n");
}
}
snd_pcm_drain(handle);
snd_pcm_close(handle);
free(buffer);
snd_mixer_close(mixer);
fclose(fp);
return 0;
}
int main(int argc,char** argv){
play_sound(argv[1],atoi(argv[2]),atoi(argv[3]),atoi(argv[4]),atoi(argv[5]));
return 0;
}

然后将player脚本也对应修改一下：

点击(此处)折叠或打开

#!/bin/sh
[ "$#" -eq 0 ] && {
echo "Usage: $0 filename"
exit
}
ORDER=`file $1 | cut -d' ' -f3`
BITS=`file $1 | cut -d' ' -f9`
CHANNEL=`file $1 | cut -d' ' -f11`
RATE=`file $1 | cut -d' ' -f12`
#channel
if [ "$CHANNEL" == "stereo" ]; then
CHANNEL=2
else
CHANNEL=1
fi
#platform-byte-order
if [ "$ORDER" == "(little-endian)" ]; then
ORDER=1
else
ORDER=2
fi
echo "Playing...$(file $1)"
./playsound $1 $RATE $BITS $CHANNEL $ORDER

编译C文件时，由于我们用了alsa库，所以gcc的编译选项要加上-lasound才可以。如果播放时声音很小，可以用amixer来调节音量。如果不幸的是你系统里找不到amixer命令的话，就用yum install alsa-utils或者下载alsa源码来安装吧。
附件是测试用的音频文件，另外，后面我会将完整支持OSS和ALSA两种架构的最终播放代码放在 github上，有需要的盆友到时候可以拿去鼓捣鼓捣，今天就先到这里吧。

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