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iOS音频播放之AudioQueue(一):播放本地音乐

作者:  发布日期:2016-12-26 20:23:28
Tag标签:音频  音乐  
  • AudioQueue简介 AudioStreamer说明 AudioQueue详解 AudioQueue工作原理 AudioQueue主要接口 AudioQueueNewOutput AudioQueueAllocateBuffer AudioQueueEnqueueBuffer AudioQueueStart Pause Stop Flush Reset Dispose AudioQueueFreeBuffer AudioQueueGetProperty AudioQueueSetProperty 音频播放LocalAudioPlayer 播放器的初始化 播放音频 LocalAudioPlayer相关属性 读取并开始解析音频 解析音频信息 kAudioFileStreamProperty_DataFormat kAudioFileStreamProperty_FileFormat kAudioFileStreamProperty_AudioDataByteCount kAudioFileStreamProperty_BitRate kAudioFileStreamProperty_DataOffset kAudioFileStreamProperty_AudioDataPacketCount kAudioFileStreamProperty_ReadyToProducePackets 解析音频帧 播放音频数据 清理相关资源 结束

    iOS实现播放本地音乐,有很多种方法,例如AVAudioPlayer,这些都能很好的胜任,有人就奇怪了,为什么要退而求其次,使用更复杂的AudioQueue来播放本地音乐呢?请继续往下看

    AudioQueue简介

    AudioQueue,在苹果的开发者文档上是这么说的

    'Audio Queue Services provides a straightforward, low overhead way to record and play audio in iOS and Mac OS X.'
    

    AudioQueue官方文档

    AudioQueue服务提供一种直接的,低开销的方式以用于在iOS及Mac OS X上录音和播放音乐。

    使用AudioQueue播放音乐的优点就是开销很小并且支持流式播放(边下边播),但是缺点就是开发难度大,所以有网络音频库AudioStreamer,网上有很多讲AudioQueue的,但是有实例代码说明的,实在是少之又少,正好公司项目有音频需求,虽然项目中使用的并非我自己写的音频播放功能,但事后还是想自己来研究一下,这个在我看来比较神奇也比较有趣的AudioQueue。

    AudioStreamer说明

    iOS上一个比较有名的流媒体音频播放库是AudioStreamer,该库即使用了AudioQueue,不过该音频库并不支持本地音乐播放,我感觉很奇怪,为什么作者不支持。而且在使用过程中,我发现该库还是有点问题,虽然我对音频方面的知识并不怎么了解,也并不能与大师媲美并论,但我也希望通过自己的学习,最终完成一个类似AudioStreamer的网络音乐库,目前也许只是一个设想,不管最后自己有没有那能力,起码我曾经也尝试过,不过工作最近比较忙,加上自己知识的欠缺,不知何时才能实现。本次就先来补上AudioStreamer没有支持的,使用AudioQueue播放本地音乐。

    AudioQueue详解

    AudioQueue工作原理

    我从Apple的官方文档上截下以下该图:
    AudioQueue

    该图很好的说明了AudioQueue的工作原理,如下说明:
    1. 用户调用相应的方法,将音频数据从硬盘中读入到AudioQueue的缓冲区中,并将缓冲区送入音频队列。
    2. 用户App通过AudioQueue提供的接口,告诉外放设备,缓冲区中已经有数据,可以拿去播放。
    3. 当一个缓冲区中的音频数据播放完毕之后,AudioQueue告诉用户,当前有一个空的缓冲区可以用来给你填充数据。
    4. 重复以上步骤,直至数据播放完毕。

    到这里,肯定有不少同学发现了,AudioQueue其实就是生产者消费者模型的典型应用。

    AudioQueue主要接口

    AudioQueueNewOutput

    OSStatus AudioQueueNewOutput(const AudioStreamBasicDescription *inFormat, AudioQueueOutputCallback inCallbackProc, void *inUserData, CFRunLoopRef inCallbackRunLoop, CFStringRef inCallbackRunLoopMode, UInt32 inFlags, AudioQueueRef  _Nullable *outAQ);

    该方法用于创建一个用于输出音频的AudioQueue

    参数及返回说明如下:
    1. inFormat:该参数指明了即将播放的音频的数据格式
    2. inCallbackProc:该回调用于当AudioQueue已使用完一个缓冲区时通知用户,用户可以继续填充音频数据
    3. inUserData:由用户传入的数据指针,用于传递给回调函数
    4. inCallbackRunLoop:指明回调事件发生在哪个RunLoop之中,如果传递NULL,表示在AudioQueue所在的线程上执行该回调事件,一般情况下,传递NULL即可。
    5. inCallbackRunLoopMode:指明回调事件发生的RunLoop的模式,传递NULL相当于kCFRunLoopCommonModes,通常情况下传递NULL即可
    6. outAQ:该AudioQueue的引用实例,

    返回OSStatus,如果值为noErr,则表示没有错误,AudioQueue创建成功。

    AudioQueueAllocateBuffer

    OSStatus AudioQueueAllocateBuffer(AudioQueueRef inAQ, UInt32 inBufferByteSize, AudioQueueBufferRef  _Nullable *outBuffer);

    该方法的作用是为存放音频数据的缓冲区开辟空间

    参数及返回说明如下:
    1. inAQ:AudioQueue的引用实例
    2. inBufferByteSize:需要开辟的缓冲区的大小
    3. outBuffer:开辟的缓冲区的引用实例

    返回OSStatus,如果值为noErr,则表示缓冲区开辟成功。

    AudioQueueEnqueueBuffer

    OSStatus AudioQueueEnqueueBuffer(AudioQueueRef inAQ, AudioQueueBufferRef inBuffer, UInt32 inNumPacketDescs, const AudioStreamPacketDescription *inPacketDescs);

    该方法用于将已经填充数据的AudioQueueBuffer入队到AudioQueue

    参数及返回说明如下:
    1. inAQ:AudioQueue的引用实例
    2. inBuffer:需要入队的缓冲区实例
    3. inNumPacketDescs:缓冲区中共存在有多少帧音频数据
    4. inPacketDescs:缓冲区中每一帧的相关信息,用户需要指明其中每一帧在缓冲区中数据的偏移值,通过字段mStartOffset来指定

    返回OSStatus,如果值为noErr,则表示缓冲区已经成功入队。等待播放

    AudioQueueStart Pause Stop Flush Reset Dispose

    OSStatus AudioQueueStart(AudioQueueRef inAQ, const AudioTimeStamp *inStartTime);
    OSStatus AudioQueuePause(AudioQueueRef inAQ);
    OSStatus AudioQueueStop(AudioQueueRef inAQ, Boolean inImmediate);
    OSStatus AudioQueueFlush(AudioQueueRef inAQ);
    OSStatus AudioQueueReset(AudioQueueRef inAQ);
    OSStatus AudioQueueDispose(AudioQueueRef inAQ, Boolean inImmediate);

    顾名思义,前三个方法用于音频的播放,暂停及停止。后两个方法用于在最后清洗及重置音频队列,清洗确保队列中的数据完全输出。AudioQueuDispose用于清理AudioQueue所占资源。

    参数及返回说明如下:
    1. inAQ:AudioQueue的引用实例
    2. inStartTime:指明要开始播放音频的时间,如果要立即开始,传递NULL
    3. inImmediate:指明是否要立即停止音频播放,如是,传递true

    返回OSStatus表示相关的操作是否成功执行。

    AudioQueueFreeBuffer

    OSStatus AudioQueueFreeBuffer(AudioQueueRef inAQ, AudioQueueBufferRef inBuffer);

    该方法用于在播放结束时,释放清理缓冲区时使用

    AudioQueueGetProperty AudioQueueSetProperty

    OSStatus AudioQueueGetProperty(AudioQueueRef inAQ, AudioQueuePropertyID inID, void *outData, UInt32 *ioDataSize);
    OSStatus AudioQueueSetProperty(AudioQueueRef inAQ, AudioQueuePropertyID inID, const void *inData, UInt32 inDataSize);

    此GET/SET方法,用于设置获取AudioQueue的相关属性,请参看AudioQueue.h头文件中的相关说明。

    音频播放(LocalAudioPlayer)

    使用AudioQueue播放音乐,一般需要配合AudioFileStream一起,AudioFileStream负责解析音频数据,AudioQueue负责播放解析到的音频数据。

    此次仅实现最基本的本地音频播放功能,旨在为以后打下基础,不处理任何相关的状态(如暂停、停止、SEEK),错误等。播放方式类似流式播放,只是音频数据来源于本地文件而非网络,需经过以下几个步骤:
    1. 持续不断的从文件中读取部分数据,直到数据全部读取结束
    2. 将文件中读出的数据,交给AudioFileStream进行数据解析
    3. 创建AudioQueue,当数据放入到AudioQueueBuffer中
    4. 将缓冲区放到到AudioQueue中,开始播放音频
    5. 播放音频结束,清理相关资源

    播放器的初始化

    播放器的init主要用于指定要播放的音频文件,如下所示:
    init方法
    读取文件操作,使用NSFileHandle类,audioInUseLock,是一个NSLock*类型,用于在AudioQueue通知我们有空的缓冲区可以使用时做标记。

    我们在用户点击play按钮的时候,初始化该播放器,并调用play方法进行播放
    初始化播放器实例

    播放音频

    播放音频将分为以下步骤:
    1. 读取并开始解析音频
    2. 解析音频信息
    3. 解析音频帧
    4. 播放音频数据
    5. 清理相关资源

    我们先定义几个宏,用于指定一些缓冲区的大小

    #define kNumberOfBuffers 3              //AudioQueueBuffer数量,一般指明为3
    #define kAQBufSize 128 * 1024           //每个AudioQueueBuffer的大小
    #define kAudioFileBufferSize 2048       //文件读取数据的缓冲区大小
    #define kMaxPacketDesc 512              //最大的AudioStreamPacketDescription个数

    LocalAudioPlayer相关属性

    LocalAudioPlayer中定义的属性如下所示:
    LocalAudioPlayer的相关属性

    读取并开始解析音频

    我们使用AudioFileStream来解析音频信息,在用户调用play方法之后,首先调用AudioFileStreamOpen,打开AudioFileStream,如下所示:
    打开AudioFileStream

    extern OSStatus 
    AudioFileStreamOpen (void *inClientData, AudioFileStream_PropertyListenerProc   inPropertyListenerProc, AudioFileStream_PacketsProc             inPacketsProc, AudioFileTypeID                          inFileTypeHint, AudioFileStreamID * outAudioFileStream);

    AudioFileStreamOpen的参数说明如下:
    1. inClientData:用户指定的数据,用于传递给回调函数,这里我们指定(__bridge LocalAudioPlayer*)self
    2. inPropertyListenerProc:当解析到一个音频信息时,将回调该方法
    3. inPacketsProc:当解析到一个音频帧时,将回调该方法
    4. inFileTypeHint:指明音频数据的格式,如果你不知道音频数据的格式,可以传0
    5. outAudioFileStream:AudioFileStreamID实例,需保存供后续使用

    读取到数据之后,调用AudioFileStreamParseBytes解析数据,其原型如下:

    extern OSStatus
    AudioFileStreamParseBytes(AudioFileStreamID inAudioFileStream, UInt32 inDataByteSize, const void * inData, AudioFileStreamParseFlags inFlags);

    参数的说明如下:
    1. inAudioFileStream:AudioFileStreamID实例,由AudioFileStreamOpen打开
    2. inDataByteSize:此次解析的数据字节大小
    3. inData:此次解析的数据大小
    4. inFlags:数据解析标志,其中只有一个值kAudioFileStreamParseFlag_Discontinuity = 1,表示解析的数据是否是不连续的,目前我们可以传0。

    当文件数据合部读取结束的时候,此时便可以关闭文件。

    解析音频信息

    如果解析到音频信息,那么将会调用之前指定的回调函数,如下所示:
    解析音频信息1
    解析音频信息2

    每个相关的属性都可以调用AudioFileStreamGetProperty来获取到相应的值,原型如下:

    extern OSStatus
    AudioFileStreamGetProperty(AudioFileStreamID inAudioFileStream, AudioFileStreamPropertyID inPropertyID, UInt32 *ioPropertyDataSize, void *                              outPropertyData);

    参数说明:
    1. inAudioFileStream:AudioFileStreamID实例,由AudioFileStreamOpen打开
    2. inPropertyID:要获取的属性名称,参见AudioFileStream.h
    3. ioPropertyDataSize:指明该属性的大小
    4. outPropertyData:用于存放该属性值的空间

    kAudioFileStreamProperty_DataFormat

    该属性指明了音频数据的格式信息,返回的数据是一个AudioStreamBasicDescription结构。需保存用于AudioQueue的使用

    kAudioFileStreamProperty_FileFormat

    该属性指明了音频数据的编码格式,如MPEG等。

    kAudioFileStreamProperty_AudioDataByteCount

    该属性可获取到音频数据的长度,可用于计算音频时长,计算公式为:
    时长 = (音频数据字节大小 * 8) / 采样率

    kAudioFileStreamProperty_BitRate

    该属性可获取到音频的采样率,可用于计算音频时长

    kAudioFileStreamProperty_DataOffset

    该属性指明了音频数据在整个音频文件中的偏移量:
    音频文件总大小 = 偏移量 + 音频数据字节大小

    kAudioFileStreamProperty_AudioDataPacketCount

    该属性指明了音频文件中共有多少帧

    kAudioFileStreamProperty_ReadyToProducePackets

    该属性告诉我们,已经解析到完整的音频帧数据,准备产生音频帧,之后会调用到另外一个回调函数,我们在这里创建音频队列AudioQueue,如果音频数据中有Magic Cookie Data,则先调用AudioFileStreamGetPropertyInfo,获取该数据是否可写,如果可写再取出该属性值,并写入到AudioQueue。之后便是音频数据帧的解析。

    解析音频帧

    音频信息解析完毕之后,就应该解析音频数据帧了,代码如下所示:

    解析音频数据帧1
    在这里,我们利用之前设置的inClientData,将该回调函数,由C语言形式改为Objc的形式,解析到音频数据之后的处理代码如下所示:
    解析音频数据帧2

    解析到音频数据之后,我们穴ky"http://www.it165.net/qq/" target="_blank" class="keylink">qq9q8r9vt3QtMjrtb1BdWRpb1F1ZXVlQnVmZmVy1tCjrMrXz8ijrLjDu9i197qvyv21xNSt0M3I58/Cy/nKvqO6PC9wPgo8cHJlIGNsYXNzPQ=="brush:java;"> typedef void (*AudioFileStream_PacketsProc)(void * inClientData, UInt32 inNumberBytes,UInt32 inNumberPackets, const void *inInputData, AudioStreamPacketDescription *inPacketDescriptions);

    参数说明:
    1. inClientData:由AudioFileStreamOpen设置的用户数据
    2. inNumberBytes:音频数据的字节数
    3. inNumberPackets:解析到的音频帧数
    4. inInputData:包含这些音频数据帧的数据
    5. inPacketDescriptions:AudioStreamPacketDescription数组,其中包含mStartOffset,指明了该帧相关数据的起始位置,mDataByteSize指明了该帧数据的大小。

    此时我们首先创建一个音频队列,用以播放音频,并为每个缓冲区分配空间,如下所示:
    创建音频队列

    之后我们遍历每一帧,获取每一帧的偏移位置及数据大小,如果当前帧的数据大小,已经无法存放到当前的缓冲区当中,此时,我们应该将当前的缓冲区入队,修改当前使用的缓冲区为下一个,并重置相关的数据填充信息及已包含的数据帧信息。

    self.audioQueueCurrentBufferIndex = (++self.audioQueueCurrentBufferIndex) % kNumberOfBuffers;
    self.audioPacketsFilled = 0;
    self.audioDataBytesFilled = 0;

    如果此时还没有开始播放音乐,则可以开始播放音乐

    if(self.isPlaying == NO) {
        err = AudioQueueStart(audioQueueRef, NULL);
        self.isPlaying = YES;
    }

    若下一个指定的缓冲区已经在使用,即全部缓冲区已满且入队,则应该进行等待

    while(inuse[self.audioQueueCurrentBufferIndex]);

    最后,如果缓冲区空间还能存放一帧数据,我们就使用memcpy将数据复制到缓冲区中相应的位置上去,保存每一帧的相关信息,设置每一帧在缓冲区中的偏移量(mStartOffset),设置当前缓冲区已存方的数据大小,及已包含的帧量。

    当一个缓冲区使用结束之后,AudioQueue将会调用之前由AudioQueueNewOutput设置的回调函数,如下所示:

    空缓冲区回调
    在该回调中,我们遍历每个缓冲区,找到空缓冲区,将该缓冲区的标记修改为未使用。

    播放音频数据

    在处理数据帧的时候,如果缓冲区已经满(指缓冲区的空间不足以存放下一帧数据),则此时可以开始播放音频

    if(self.isPlaying == NO) {
        err = AudioQueueStart(audioQueueRef, NULL);
        self.isPlaying = YES;
    }

    我们还可以调用AudioQueuePause等相关方法来暂停和终止音频播放,如下所示:

    暂停和终止播放

    清理相关资源

    最终,我们清理相关资源,在前面,我们利用了AudioQueueAddPropertyListener为kAudioQueueProperty_IsRunning属性设置了一个监听器,当AudioQueue启动或者是终止的时候,会调用该函数:
    设置监听器

    该回调函数,如下所示:
    AudioQueue启动或终止回调

    在该方法中,我们使用AudioQueueReset重置播放队列,调用AudioQueueFreeBuffer释放缓冲区空间,释放AudioQueue所有资源,关闭AudioFileStream。

    不过在实际使用过程中,我发现数据通ky"http://www.it165.net/qq/" target="_blank" class="keylink">qq/1bXEyrG68kF1ZGlvUXVldWWyorK7u+HW97av1tXWuaOsvLSyu7vh1ve2r7X308O4w7vYtfejrMv50tTO0s/ro6zTprjDysfSqs7Sw8fX1Ly6u/HIobW9tbHHsLKlt8W1xL34tsijrLWxsqW3xc3qsc+1xMqxuvK199PDQXVkaW9RdWV1ZVN0b3DW1da5sqW3xbDJo6zV4rj2zsrM4sH018W0/dLUuvPU2bzM0PjR0L6/oaM8L3A+CjxoMyBpZD0="结束">结束

    终于完成了全部的代码,用户只要点击play,即可以听到《遥远的她》这首美妙的音乐了。由于界面上只有一个play按钮,不放演示图了,戴上耳机,静静的享受自己的成果与这美妙的音乐。。

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