GStreamer 简明教程（十一）：插件开发，以一个音频生成（Audio Source）插件为例

系列文章目录

  • GStreamer 简明教程（一）：环境搭建，运行 Basic Tutorial 1 Hello world!
  • GStreamer 简明教程（二）：基本概念介绍，Element 和 Pipeline
  • GStreamer 简明教程（三）：动态调整 Pipeline
  • GStreamer 简明教程（四）：Seek 以及获取文件时长
  • GStreamer 简明教程（五）：Pad 相关概念介绍，Pad Capabilities/Templates
  • GStreamer 简明教程（六）：利用 Tee 复制流数据，巧用 Queue 实现多线程
  • GStreamer 简明教程（七）：实现管道的动态数据流
  • GStreamer 简明教程（八）：常用工具介绍
  • GStreamer 简明教程（九）：Seek 与跳帧
  • GStreamer 简明教程（十）：插件开发，以一个音频特效插件为例

文章目录

  • 系列文章目录
  • 前言
  • 一、准备工作
  • 二、Show me the code
    • 3.1 线程模型分析
        • 消费端模型
        • 生产端实现方案
    • 3.2 深入 audiotestsrc 的实现逻辑
      • 3.2.1 生产者线程的启动时机
      • 3.2.2 GStreamer Pad Task 机制详解
        • 核心接口与功能
        • 设计优势
      • 3.2.3 loop 中做了哪些事情
      • 3.2.4 格式协商
    • 3.2 写一个 AudioSource 插件
      • 3.2.1 初始化函数
      • 3.2.2 激活函数
      • 3.3.3 loop 循环
  • 总结
  • 参考

前言

GStreamer 中插件分为三种：Source、Filter 和 Sink，在上一章中我们学习了如何写一个 Filter 插件，可以说 Filter 插件是最简单的，因为它只需要关系数据的处理逻辑，而 Source 和 Sink 就更加复杂一些。本章我们来讨论如何写一个 Source 插件。

本章所提及的代码你可以在 my_plugin 找到。

一、准备工作

准备工作与 GStreamer 简明教程（十）：插件开发，以一个音频特效插件为例 中提到的类似，不再赘述。

二、Show me the code

接下来详细说明代码中各个细节，其中很多逻辑都是参考 audiotestsrc 来实现的，大家如果想自己对代码进行详细的分线，建议写一个 audiotestsrc 的 demo，进行代码调试。

3.1 线程模型分析

要理解GStreamer pipeline中的数据流动机制，需要首先明确其线程模型。我们以基础音频流水线为例：

audiotestsrc -> autoaudiosink
  1. 生产者：audiotestsrc 元素，负责生成音频测试信号
  2. 消费者：autoaudiosink 元素，负责将音频输出到系统声卡
消费端模型

autoaudiosink 的实现通常会依赖系统音频服务（如ALSA/PulseAudio）的回调机制：

  • 系统音频线程定期通过回调请求数据
  • 形成天然的"消费线程"驱动模型
生产端实现方案

生产者有两种典型的实现范式：

方案A：Push模式（主动生产）

  • audiotestsrc 创建独立的生产者线程
  • 持续生成数据并推送(push)至下游
  • 下游可能需维护数据缓冲区
  • 优势：实现直接，适合连续数据流
  • 缺点：可能需要维护缓冲区

方案B：Pull模式（按需生产）

  • audiotestsrc 保持被动状态
  • 当autoaudiosink需要数据时，通过链式调用向上游拉取(pull)
  • 优势：流量控制精准
  • 难点：需要实现复杂的同步机制

由于Push模式更符合"生产者-消费者"的直观理解，且实现复杂度较低，本文选择方案A作为实现基础。Pull模式涉及GStreamer更底层的调度机制，将在后续深入研究后另文探讨。

3.2 深入 audiotestsrc 的实现逻辑

我们先分析官方 audiotestsrc 的关键实现，学习 GStreamer 标准 source 元素的调度机制。

3.2.1 生产者线程的启动时机

当 pipeline 进入播放流程时，audiotestsrc 的生产者线程在 PAUSED 状态下就已经启动了。通过调试分析，其线程启动流程如下：

典型触发路径：

  1. 状态切换触发
    当 gst_element_set_state(pipeline, GST_STATE_PAUSED) 被调用时，会触发对所有元素的 pad 激活操作：

    gst_pad_set_active(pad, TRUE)  // 激活所有 pad

  2. Pad 激活回调
    audiotestsrc 的 src pad 重写了 activatemode_function，此时会调用继承链：

    → gst_base_src_activate_mode()  // GstBaseSrc 的标准实现

  3. 任务线程创建
    在 gst_base_src_activate_mode() 中，最终通过：

    gst_pad_start_task(pad, gst_base_src_loop, ...)

    启动独立线程执行主循环逻辑

  4. 主循环工作
    gst_base_src_loop() 包含完整处理逻辑：

    • 格式协商（caps negotiation）
    • 发送 STREAM_START 事件
    • 生成音频数据
    • 数据推送（gst_pad_push()）

关键结论：

  • 线程启动的实际触发点是 PAUSED 状态下的 pad 激活，而非 PLAYING 状态
  • 通过重写 activatemode_function 可以自定义启动逻辑
  • GstBaseSrc 已封装标准线程调度框架，子类只需实现数据生成

3.2.2 GStreamer Pad Task 机制详解

在 GStreamer 框架中，GstPad 不仅负责数据流的连接与协商，还提供了一套完整的异步任务（Task）接口，允许开发者将线程逻辑直接封装在 Pad 层面，而非传统的 Element 中。这一设计显著提升了模块化程度和灵活性。

核心接口与功能

  1. 任务启动：gst_pad_start_task()

    gboolean gst_pad_start_task(GstPad *pad,GstTaskFunction func,gpointer user_data,GDestroyNotify notify
);
    • 作用：启动一个专用线程，循环执行指定的 GstTaskFunction。
    • 关键特性：
      • 线程会自动进入循环，持续调用目标函数，无需开发者手动实现循环逻辑。
      • 典型应用场景：在 GstBaseSrc 的子类中，gst_base_src_loop() 仅需实现单次数据生成逻辑，任务线程会负责循环调度。例如音频源（audiosource）可通过此机制持续生成音频帧。

  2. 任务暂停：gst_pad_pause_task()

    • 行为：临时挂起任务线程的执行，但保留任务状态（如内部变量）。
    • 用途：实现动态流控，如响应管道的暂停状态或资源限制。

  3. 任务终止：gst_pad_stop_task()

    • 行为：完全停止任务线程并释放相关资源。
    • 注意：与暂停不同，停止后需重新调用 start_task 才能恢复执行。
设计优势
  • 逻辑解耦：将线程管理与业务逻辑分离，Element 只需关注数据处理，Pad Task 处理线程调度。
  • 性能优化：避免在 Element 层频繁创建/销毁线程，任务线程可复用。
  • 标准化的流控：通过统一的任务接口实现暂停/恢复，简化状态管理。

3.2.3 loop 中做了哪些事情

在 GStreamer 中，audiotestsrc 这类源元素（source element）通过 gst_pad_start_task 启动一个任务循环（gst_base_src_loop），其中有两件事情非常重要

  1. 格式协商（negotiate）：
    和下游商量用什么格式传递数据（比如采样率、位深等）。这一步确保数据能被正确处理。

  2. 生成数据并推送（push）：
    按协商好的格式生成音频数据，然后推给下游。

接下来我们重点讲 格式协商，当格式确定后如何生成数据和推给下游就会变得简单很多

3.2.4 格式协商

格式协商的前提是两个元素已经 link 成功。两个元素能够相互连接的前提是它们 pad 的 Capability 是有交集的，比如 src pad 支持的音频采样率是 [1, 96000]，那么如果下游支持的采样率在这个范围内，他们就能 link 成功，否则在元素 link 阶段就会失败

auto ok = gst_element_link_many(ele0, ele1, NULL);
if(!ok){printf("link failed");
}

在 link 阶段仅仅是确认了元素之间支持的数据格式是包含一个子集的，那么接下来在运行阶段，我们要从这个子集中，确认唯一的格式，这样才能确定数据是以什么形式进行流动，例如确定音频采样率是 44100，声道数 2，32位浮点数。也就是说，协商的过程就是找到一个这样的固定格式，audiotestsrc 根据这个固定格式来生成音频数据。为了说明这一点，我这边举一个简单的例子。

有三个元素 Source、Filter 和 Sink，它们顺序相互连接，支持的采样率分别是：

  • Source : {16000, 32000}
  • Filter: [1, Max]
  • Sink: {32000, 44100, 48000}
+--------+       +--------+       +--------+
| Source |------>| Filter |------>|  Sink  |
+--------+       +--------+       +--------+
{16000, 32000}   [1, Max]       {16000, 32000, 44100, 48000}

首先，它们的采样率有一个公共的子集，即 {16000, 32000}，因此它们在 link 阶段是成功的；接着，格式协商由 Source 发起，它用自己的格式作为格式过滤器（filter），获取 peer 端的所支持的格式，流程大致是：

  1. Sink 支持采样率 {16000, 32000, 44100, 48000} 与 {16000, 32000} 取交集，得到 {16000, 32000} 记作 A
  2. Filter 支持采样率 [1, Mac] 与 A 取交集，得到 {16000, 32000} 记作 B
  3. Source 支持采样率 {16000, 32000} 与 B 取交集，得到 {16000, 32000} 记作 peercaps

这时候 peercaps 仍然是一个范围，不是一个固定的值，最终由 source 来决定使用哪个固定值，固定下来后，再将它作为 source 的 caps，并通过事件通知给其他元素，其他元素会收到 GST_QUERY_ACCEPT_CAPS 事件，在这个事件中获取 caps 数据做相应的处理。

// 获取 source 的 caps
thiscaps = gst_pad_query_caps (GST_BASE_SRC_PAD (src), NULL);
// 以 thiscaps 作为 filter，获取 peercaps
peercaps = gst_pad_peer_query_caps (GST_BASE_SRC_PAD (basesrc), thiscaps);
// basesrc 来决定最终使用哪些固定值
caps = gst_base_src_fixate (basesrc, caps);
// 固定 caps，并发送 GST_QUERY_ACCEPT_CAPS 事件
result = gst_base_src_set_caps (basesrc, caps);

3.2 写一个 AudioSource 插件

了解了上面的知识后，我们来开始写一个自己的音频生成插件，为了让代码简单，我们做了这些简化：

  1. 只支持单声道、F32LE 、interleave 格式的数据
  2. 只支持 push 模式

详细的代码实现参考 my_plugin，使用 demo 参考 gstmyaudiotestsrc_example

3.2.1 初始化函数

在类初始化函数如下：

static void gst_my_audio_test_src_class_init(GstMyAudioTestSrcClass *klass) {
//...gobject_class->set_property = gst_my_audio_test_src_set_property;gobject_class->get_property = gst_my_audio_test_src_get_property;gobject_class->finalize = gst_my_audio_test_src_finalize;gst_my_audio_test_class_init_install_properties(gobject_class, klass);
// ...
}

我们覆写三个函数

  1. set_property，用于设置属性值
  2. get_property，用于获取属性值
  3. finalize，用于类的析构，释放一些申请的资源

gst_my_audio_test_class_init_install_properties 函数中注册了属性，具体大家自行看源码，不展开说了。

实例的初始化函数如下：

static void gst_my_audio_test_src_init(GstMyAudioTestSrc *filter) {filter->impl = new GstMyAudioTestSrcImpl();filter->srcpad = gst_pad_new_from_static_template(&gst_audio_test_src_src_template, "src");gst_pad_set_activatemode_function(filter->srcpad,gst_my_audio_test_src_activate_mode);gst_element_add_pad(GST_ELEMENT(filter), filter->srcpad);
}
  1. 申请 GstMyAudioTestSrcImpl 实例，它用 c++ 来写，可以简化一些代码逻辑
  2. 创建 srcpad，并设置 srcpad 的激活函数（_activatemode_function）

3.2.2 激活函数

前面提到，Pad 的 _activatemode_function 是线程启动的入口，我们看看函数逻辑是怎么样的


static gboolean gst_my_audio_test_src_activate_mode(GstPad *pad,GstObject *parent,GstPadMode mode,gboolean active) {auto *src = GST_MYAUDIOTESTSRC(parent);switch (mode) {case GST_PAD_MODE_PULL: {res = gst_my_audio_test_src_pull();break;}case GST_PAD_MODE_PUSH: {res = gst_my_audio_test_src_activate_push(src->srcpad, parent, active);break;}// ...
}

目前 GST_PAD_MODE_PULL 是不支持的，因此看 GST_PAD_MODE_PUSH 即可

static gboolean gst_my_audio_test_src_activate_push(GstPad *srcpad,GstObject *parent,gboolean active) {if (active) {g_print("start loop");gst_pad_start_task(srcpad, (GstTaskFunction)gst_my_audio_test_src_loop,srcpad, NULL);} else {g_print("stop loop");gst_pad_stop_task(srcpad);}return TRUE;
}

_activate_push 函数很简单，启动 _src_loop 或者停止 _src_loop

3.3.3 loop 循环

接下来看最重要的 _src_loop 函数，主要做的两个事情就是格式协商和数据填充

格式协商逻辑如下：


static void gst_my_audio_test_src_loop(GstPad *pad) {GstMyAudioTestSrc *src;src = GST_MYAUDIOTESTSRC(GST_OBJECT_PARENT(pad));GstCaps *caps = NULL;gboolean result = FALSE;if (gst_pad_check_reconfigure(pad)) {g_print("need renegotiate\n");GstCaps *thiscaps = gst_pad_query_caps(src->srcpad, NULL);GST_DEBUG_OBJECT(src, "caps of src: %" GST_PTR_FORMAT, thiscaps);GstCaps *peercaps = gst_pad_peer_query_caps(src->srcpad, thiscaps);GST_DEBUG_OBJECT(src, "caps of peer: %" GST_PTR_FORMAT, peercaps);if (peercaps) {caps = peercaps;gst_caps_unref(thiscaps);} else {caps = thiscaps;}if (caps && !gst_caps_is_empty(caps)) {caps = gst_my_audio_test_src_fixate(src, caps);caps = gst_caps_fixate(caps);GST_DEBUG_OBJECT(src, "fixated to: %" GST_PTR_FORMAT, caps);if (gst_caps_is_fixed(caps)) {/* yay, fixed caps, use those then, it's possible that the subclass* does not accept this caps after all and we have to fail. */result = gst_my_audio_test_src_set_caps(src, caps);if (result) {result = gst_pad_push_event(src->srcpad, gst_event_new_caps(caps));}}}if (!result) {GST_DEBUG_OBJECT(src, "negotiation failed");gst_pad_pause_task(pad);}}// ...
}

逻辑大致是：

  1. 获取当前 src pad 的 caps，获取 peer pad 的 caps，两者取交集
  2. 调用 gst_my_audio_test_src_fixate 去设置 audio src 最期望的数据格式，然后调用 gst_caps_fixate 固化数据格式（此时所有数据格式已经确定，不再是一个范围值）
  3. gst_my_audio_test_src_set_caps 函数从 caps 中获取 AudioInfo 信息，拿到例如采样率、声道数等关键信息
  4. gst_pad_push_event 发送事件，通知下游数据格式

数据填充数据如下：

static void gst_my_audio_test_src_loop(GstPad *pad) {//...// generate audio dataGstBuffer *buf = NULL;guint blocksize = impl->samples_per_buffer;guint bufferSize = blocksize * sizeof(float);buf = gst_buffer_new_allocate(NULL, bufferSize, NULL);if (buf == NULL) {GST_DEBUG_OBJECT(src, "alloc buffer failed");}GstMapInfo map;gst_buffer_map(buf, &map, GST_MAP_WRITE);float *data = (float *)map.data;impl->fill(data, blocksize);auto ret = gst_pad_push(src->srcpad, buf);if (ret != GST_FLOW_OK) {GST_DEBUG_OBJECT(src, "push buffer failed");gst_pad_pause_task(pad);}
}
  1. gst_buffer_new_allocate 申请 GstBuffer，用于存放音频数据
  2. gst_buffer_map 从 GstBuffer 中拿到可写音频数据的地址
  3. impl->fill(data, blocksize); 用于填充音频数据，这部分用的是一个 LFO 生成器，具体逻辑大家可以不用在意。总之就是往一块内存中，写入生成的音频数据，你甚至可以写入随机噪声。。
  4. gst_pad_push 将数据 push 到下游

总结

以上，我们就将 AudioSource 如何生成数据的逻辑大致讲了一遍，运行 gstmyaudiotestsrc_example 之后可以听到正弦波的声音。后面我会去研究下如何实现 pull 模式，以及支持更多类型的音频数据和波形。

参考

  • my_plugin
  • gstmyaudiotestsrc_example

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