FFmpeg中位操作相关的源码：GetBitContext结构体，init_get_bits函数、get_bits1函数和get_bits函数分析

一、引言

由《音视频入门基础：H.264专题（3）——EBSP, RBSP和SODB》可以知道，H.264 码流中的操作单位是位(bit)，而不是字节。因为视频的传输和存贮是十分在乎体积的，对于每一个比特（bit）都要格外珍惜。用普通的指针是无法达到“位”的操作粒度的。FFmpeg源码中使用GetBitContext结构体来对“位”进行操作。

二、GetBitContext结构体定义

GetBitContext结构体定义在FFmpeg源码（本文演示用的FFmpeg源码版本为5.0.3，该ffmpeg在CentOS 7.5上通过10.2.1版本的gcc编译）的头文件libavcodec/get_bits.h中：

#ifndef CACHED_BITSTREAM_READER
#define CACHED_BITSTREAM_READER 0
#endif

typedef struct GetBitContext {
    const uint8_t *buffer, *buffer_end;
#if CACHED_BITSTREAM_READER
    uint64_t cache;
    unsigned bits_left;
#endif
    int index;
    int size_in_bits;
    int size_in_bits_plus8;
} GetBitContext;

三、init_get_bits函数定义

init_get_bits函数定义在libavcodec/get_bits.h 中：

/**
 * Initialize GetBitContext.
 * @param buffer bitstream buffer, must be AV_INPUT_BUFFER_PADDING_SIZE bytes
 *        larger than the actual read bits because some optimized bitstream
 *        readers read 32 or 64 bit at once and could read over the end
 * @param bit_size the size of the buffer in bits
 * @return 0 on success, AVERROR_INVALIDDATA if the buffer_size would overflow.
 */
static inline int init_get_bits(GetBitContext *s, const uint8_t *buffer,
                                int bit_size)
{
#ifdef BITSTREAM_READER_LE
    return init_get_bits_xe(s, buffer, bit_size, 1);
#else
    return init_get_bits_xe(s, buffer, bit_size, 0);
#endif
}

其作用是初始化GetBitContext结构体。

形参s：输出型参数。指向要被初始化的GetBitContext类型的变量。

形参buffer：输入型参数。指向某个缓冲区，该缓冲区存放NALU Header + RBSP。

形参bit_size：输入型参数。NALU Header + SODB的位数，单位为bit。

返回值：返回0表示成功，返回AVERROR_INVALIDDATA表示失败。

执行init_get_bits函数初始化后，如果初始化成功：

s->buffer指向存放NALU Header + RBSP 的缓冲区。

s->buffer_end指向上述缓冲区的末尾，也就是RBSP的最后一个字节。

s->index的值等于0。

s->size_in_bit 的值等于NALU Header + SODB的位数，单位为bit。

s->size_in_bits_plus8的值等于 s->size_in_bit 的值 加 8。

四、get_bits1函数定义

get_bits1函数定义在 libavcodec/get_bits.h 中：

static inline unsigned int get_bits1(GetBitContext *s)
{
#if CACHED_BITSTREAM_READER
    if (!s->bits_left)
#ifdef BITSTREAM_READER_LE
        refill_64(s, 1);
#else
        refill_64(s, 0);
#endif

#ifdef BITSTREAM_READER_LE
    return get_val(s, 1, 1);
#else
    return get_val(s, 1, 0);
#endif
#else
    unsigned int index = s->index;
    uint8_t result     = s->buffer[index >> 3];
#ifdef BITSTREAM_READER_LE
    result >>= index & 7;
    result  &= 1;
#else
    result <<= index & 7;
    result >>= 8 - 1;
#endif
#if !UNCHECKED_BITSTREAM_READER
    if (s->index < s->size_in_bits_plus8)
#endif
        index++;
    s->index = index;

    return result;
#endif
}

该函数在使用init_get_bits函数初始化后，才能被调用。其作用是读取s->buffer指向的缓冲区（存放NALU Header + RBSP）中的1位（bit）数据。读取完后，s->index的值会加1（所以s->index实际上是用来标记当前读取到第几位了）。

形参s：既是输入型参数也是输出型参数。指向已经被初始化的GetBitContext类型的变量。

返回值：被读取到的1位（bit）的数据。

五、get_bits函数定义

get_bits函数定义在 libavcodec/get_bits.h 中：

/**
 * Read 1-25 bits.
 */
static inline unsigned int get_bits(GetBitContext *s, int n)
{
    register unsigned int tmp;
#if CACHED_BITSTREAM_READER

    av_assert2(n>0 && n<=32);
    if (n > s->bits_left) {
#ifdef BITSTREAM_READER_LE
        refill_32(s, 1);
#else
        refill_32(s, 0);
#endif
        if (s->bits_left < 32)
            s->bits_left = n;
    }

#ifdef BITSTREAM_READER_LE
    tmp = get_val(s, n, 1);
#else
    tmp = get_val(s, n, 0);
#endif
#else
    OPEN_READER(re, s);
    av_assert2(n>0 && n<=25);
    UPDATE_CACHE(re, s);
    tmp = SHOW_UBITS(re, s, n);
    LAST_SKIP_BITS(re, s, n);
    CLOSE_READER(re, s);
#endif
    av_assert2(tmp < UINT64_C(1) << n);
    return tmp;
}

该函数在使用init_get_bits函数初始化后，才能被调用。其作用是读取s->buffer指向的缓冲区（存放NALU Header + RBSP）中的n位（bit）数据。读取完后，s->index的值会加n。

形参s：既是输入型参数也是输出型参数。指向已经被初始化的GetBitContext类型的变量。

返回值：被读取到的n位（bit）的数据。

六、编写测试例子，来理解get_bits1函数和get_bits函数的使用

编写测试例子main.c，在CentOS 7.5上通过10.2.1版本的gcc可以成功编译 :

#include <stdint.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <limits.h>


#define CONFIG_SAFE_BITSTREAM_READER 1

#ifndef UNCHECKED_BITSTREAM_READER
#define UNCHECKED_BITSTREAM_READER !CONFIG_SAFE_BITSTREAM_READER
#endif

#ifndef CACHED_BITSTREAM_READER
#define CACHED_BITSTREAM_READER 0
#endif


#if defined(__GNUC__) || defined(__clang__)
#    define av_unused __attribute__((unused))
#else
#    define av_unused
#endif


#ifdef __GNUC__
#    define AV_GCC_VERSION_AT_LEAST(x,y) (__GNUC__ > (x) || __GNUC__ == (x) && __GNUC_MINOR__ >= (y))
#    define AV_GCC_VERSION_AT_MOST(x,y)  (__GNUC__ < (x) || __GNUC__ == (x) && __GNUC_MINOR__ <= (y))
#else
#    define AV_GCC_VERSION_AT_LEAST(x,y) 0
#    define AV_GCC_VERSION_AT_MOST(x,y)  0
#endif
 
 
#define av_alias __attribute__((may_alias))
 
#ifndef av_always_inline
#if AV_GCC_VERSION_AT_LEAST(3,1)
#    define av_always_inline __attribute__((always_inline)) inline
#elif defined(_MSC_VER)
#    define av_always_inline __forceinline
#else
#    define av_always_inline inline
#endif
#endif
 
#if AV_GCC_VERSION_AT_LEAST(2,6) || defined(__clang__)
#    define av_const __attribute__((const))
#else
#    define av_const
#endif
 
 
#define AV_BSWAP16C(x) (((x) << 8 & 0xff00)  | ((x) >> 8 & 0x00ff))
#define AV_BSWAP32C(x) (AV_BSWAP16C(x) << 16 | AV_BSWAP16C((x) >> 16))
 
#ifndef av_bswap32
static av_always_inline av_const uint32_t av_bswap32(uint32_t x)
{
    return AV_BSWAP32C(x);
}
#endif
 
 
union unaligned_32 { uint32_t l; } __attribute__((packed)) av_alias;
 
#   define AV_RN(s, p) (((const union unaligned_##s *) (p))->l)
#   define AV_RB(s, p)    av_bswap##s(AV_RN##s(p))
 
#ifndef AV_RB32
#   define AV_RB32(p)    AV_RB(32, p)
#endif
 
#ifndef AV_RN32
#   define AV_RN32(p) AV_RN(32, p)
#endif


#ifndef NEG_USR32
#   define NEG_USR32(a,s) (((uint32_t)(a))>>(32-(s)))
#endif


/**
 * assert() equivalent, that does lie in speed critical code.
 */
#if defined(ASSERT_LEVEL) && ASSERT_LEVEL > 1
#define av_assert2(cond) av_assert0(cond)
#define av_assert2_fpu() av_assert0_fpu()
#else
#define av_assert2(cond) ((void)0)
#define av_assert2_fpu() ((void)0)
#endif


/**
 * @ingroup lavc_decoding
 * Required number of additionally allocated bytes at the end of the input bitstream for decoding.
 * This is mainly needed because some optimized bitstream readers read
 * 32 or 64 bit at once and could read over the end.<br>
 * Note: If the first 23 bits of the additional bytes are not 0, then damaged
 * MPEG bitstreams could cause overread and segfault.
 */
#define AV_INPUT_BUFFER_PADDING_SIZE 64

#define FFMAX(a,b) ((a) > (b) ? (a) : (b))
#define FFMIN(a,b) ((a) > (b) ? (b) : (a))
#define MKTAG(a,b,c,d)   ((a) | ((b) << 8) | ((c) << 16) | ((unsigned)(d) << 24))
#define FFERRTAG(a, b, c, d) (-(int)MKTAG(a, b, c, d))
#define AVERROR_INVALIDDATA        FFERRTAG( 'I','N','D','A') ///< Invalid data found when processing input


#if CACHED_BITSTREAM_READER
#   define MIN_CACHE_BITS 64
#elif defined LONG_BITSTREAM_READER
#   define MIN_CACHE_BITS 32
#else
#   define MIN_CACHE_BITS 25
#endif

#if !CACHED_BITSTREAM_READER

#define OPEN_READER_NOSIZE(name, gb)            \
    unsigned int name ## _index = (gb)->index;  \
    unsigned int av_unused name ## _cache

#if UNCHECKED_BITSTREAM_READER
#define OPEN_READER(name, gb) OPEN_READER_NOSIZE(name, gb)

#define BITS_AVAILABLE(name, gb) 1
#else
#define OPEN_READER(name, gb)                   \
    OPEN_READER_NOSIZE(name, gb);               \
    unsigned int name ## _size_plus8 = (gb)->size_in_bits_plus8

#define BITS_AVAILABLE(name, gb) name ## _index < name ## _size_plus8
#endif

#define CLOSE_READER(name, gb) (gb)->index = name ## _index

# ifdef LONG_BITSTREAM_READER

# define UPDATE_CACHE_LE(name, gb) name ## _cache = \
      AV_RL64((gb)->buffer + (name ## _index >> 3)) >> (name ## _index & 7)

# define UPDATE_CACHE_BE(name, gb) name ## _cache = \
      AV_RB64((gb)->buffer + (name ## _index >> 3)) >> (32 - (name ## _index & 7))

#else

# define UPDATE_CACHE_LE(name, gb) name ## _cache = \
      AV_RL32((gb)->buffer + (name ## _index >> 3)) >> (name ## _index & 7)

# define UPDATE_CACHE_BE(name, gb) name ## _cache = \
      AV_RB32((gb)->buffer + (name ## _index >> 3)) << (name ## _index & 7)

#endif


#ifdef BITSTREAM_READER_LE

# define UPDATE_CACHE(name, gb) UPDATE_CACHE_LE(name, gb)

# define SKIP_CACHE(name, gb, num) name ## _cache >>= (num)

#else

# define UPDATE_CACHE(name, gb) UPDATE_CACHE_BE(name, gb)

# define SKIP_CACHE(name, gb, num) name ## _cache <<= (num)

#endif

#if UNCHECKED_BITSTREAM_READER
#   define SKIP_COUNTER(name, gb, num) name ## _index += (num)
#else
#   define SKIP_COUNTER(name, gb, num) \
    name ## _index = FFMIN(name ## _size_plus8, name ## _index + (num))
#endif

#define BITS_LEFT(name, gb) ((int)((gb)->size_in_bits - name ## _index))

#define SKIP_BITS(name, gb, num)                \
    do {                                        \
        SKIP_CACHE(name, gb, num);              \
        SKIP_COUNTER(name, gb, num);            \
    } while (0)

#define LAST_SKIP_BITS(name, gb, num) SKIP_COUNTER(name, gb, num)

#define SHOW_UBITS_LE(name, gb, num) zero_extend(name ## _cache, num)
#define SHOW_SBITS_LE(name, gb, num) sign_extend(name ## _cache, num)

#define SHOW_UBITS_BE(name, gb, num) NEG_USR32(name ## _cache, num)
#define SHOW_SBITS_BE(name, gb, num) NEG_SSR32(name ## _cache, num)

#ifdef BITSTREAM_READER_LE
#   define SHOW_UBITS(name, gb, num) SHOW_UBITS_LE(name, gb, num)
#   define SHOW_SBITS(name, gb, num) SHOW_SBITS_LE(name, gb, num)
#else
#   define SHOW_UBITS(name, gb, num) SHOW_UBITS_BE(name, gb, num)
#   define SHOW_SBITS(name, gb, num) SHOW_SBITS_BE(name, gb, num)
#endif

#define GET_CACHE(name, gb) ((uint32_t) name ## _cache)

#endif


typedef struct GetBitContext {
    const uint8_t *buffer, *buffer_end;
#if CACHED_BITSTREAM_READER
    uint64_t cache;
    unsigned bits_left;
#endif
    int index;
    int size_in_bits;
    int size_in_bits_plus8;
} GetBitContext;


static inline int init_get_bits_xe(GetBitContext *s, const uint8_t *buffer,
                                   int bit_size, int is_le)
{
    int buffer_size;
    int ret = 0;

    if (bit_size >= INT_MAX - FFMAX(7, AV_INPUT_BUFFER_PADDING_SIZE*8) || bit_size < 0 || !buffer) {
        bit_size    = 0;
        buffer      = NULL;
        ret         = AVERROR_INVALIDDATA;
    }

    buffer_size = (bit_size + 7) >> 3;

    s->buffer             = buffer;
    s->size_in_bits       = bit_size;
    s->size_in_bits_plus8 = bit_size + 8;
    s->buffer_end         = buffer + buffer_size;
    s->index              = 0;

#if CACHED_BITSTREAM_READER
    s->cache              = 0;
    s->bits_left          = 0;
    refill_64(s, is_le);
#endif

    return ret;
}


/**
 * Initialize GetBitContext.
 * @param buffer bitstream buffer, must be AV_INPUT_BUFFER_PADDING_SIZE bytes
 *        larger than the actual read bits because some optimized bitstream
 *        readers read 32 or 64 bit at once and could read over the end
 * @param bit_size the size of the buffer in bits
 * @return 0 on success, AVERROR_INVALIDDATA if the buffer_size would overflow.
 */
static inline int init_get_bits(GetBitContext *s, const uint8_t *buffer,
                                int bit_size)
{
#ifdef BITSTREAM_READER_LE
    return init_get_bits_xe(s, buffer, bit_size, 1);
#else
    return init_get_bits_xe(s, buffer, bit_size, 0);
#endif
}


static inline unsigned int get_bits1(GetBitContext *s)
{
#if CACHED_BITSTREAM_READER
    if (!s->bits_left)
#ifdef BITSTREAM_READER_LE
        refill_64(s, 1);
#else
        refill_64(s, 0);
#endif

#ifdef BITSTREAM_READER_LE
    return get_val(s, 1, 1);
#else
    return get_val(s, 1, 0);
#endif
#else
    unsigned int index = s->index;
    uint8_t result     = s->buffer[index >> 3];
#ifdef BITSTREAM_READER_LE
    result >>= index & 7;
    result  &= 1;
#else
    result <<= index & 7;
    result >>= 8 - 1;
#endif
#if !UNCHECKED_BITSTREAM_READER
    if (s->index < s->size_in_bits_plus8)
#endif
        index++;
    s->index = index;

    return result;
#endif
}



/**
 * Read 1-25 bits.
 */
static inline unsigned int get_bits(GetBitContext *s, int n)
{
    register unsigned int tmp;
#if CACHED_BITSTREAM_READER

    av_assert2(n>0 && n<=32);
    if (n > s->bits_left) {
#ifdef BITSTREAM_READER_LE
        refill_32(s, 1);
#else
        refill_32(s, 0);
#endif
        if (s->bits_left < 32)
            s->bits_left = n;
    }

#ifdef BITSTREAM_READER_LE
    tmp = get_val(s, n, 1);
#else
    tmp = get_val(s, n, 0);
#endif
#else
    OPEN_READER(re, s);
    av_assert2(n>0 && n<=25);
    UPDATE_CACHE(re, s);
    tmp = SHOW_UBITS(re, s, n);
    LAST_SKIP_BITS(re, s, n);
    CLOSE_READER(re, s);
#endif
    av_assert2(tmp < UINT64_C(1) << n);
    return tmp;
}


int main()
{
    GetBitContext gb;
    uint8_t *data = (uint8_t *)malloc(sizeof(uint8_t) * 3);
    if(data)
    {
        data[0] = 0x12;
        data[1] = 0x34;
        data[2] = 0x80;
 
        int ret = init_get_bits(&gb, data, 16);
        for(int i=0; i<gb.size_in_bits; i++)
        {
            printf("value:%u, index:%d\n", get_bits1(&gb), gb.index);
        }

        printf("\n______________________________________________\n\n");
        
        ret = init_get_bits(&gb, data, 16);
        printf("value:%u, index:%d\n", get_bits1(&gb), gb.index);
        printf("value:%u, index:%d\n", get_bits(&gb, 2), gb.index);
        printf("value:%u, index:%d\n", get_bits(&gb, 5), gb.index);
        
        free(data);
	    data = NULL;
    }

    return 0;
}

使用gcc编译，运行，输出如下：

本测试例子中，首先通过uint8_t *data = (uint8_t *)malloc(sizeof(uint8_t) * 3); 分配3个字节的内存。然后通过data[0] = 0x12;data[1] = 0x34;data[2] = 0x80; 对该缓冲区进行赋值，使该缓冲区的第一个字节为0x12，第二个字节为0x34，第三个字节为0x80。使用该缓冲区来模拟存放的是H.264中的“NALU Header + RBSP”。

由于第三个字节为0x80，转换为2进制为10000000。所以可以认为第三个字节的0x80是RBSP中的stop bit + rbsp_alignment_zero_bit。所以NALU Header + SODB的位数应该是去掉第三个字节的长度，也就是2个字节，等于16位。


所以：int ret = init_get_bits(&gb, data, 16);中的第三个形参为16。使用init_get_bits初始化GetBitContext结构体类型的变量gb。

然后在for(int i=0; i<gb.size_in_bits; i++)循环中不断通过get_bits1函数，打印gb->buffer指向的缓冲区中的每个位的值。由于0x12转换成2进制是00010010，0x34转换成2进制是00110100。

所以打印为：

打印完后初始化变量gb，重新通过get_bits1和get_bits函数打印。2进制00010010的第0位是0，所以printf("value:%u, index:%d\n", get_bits1(&gb), gb.index);的输出为“value:0, index:0”。此时由于打印了1位，所以index的值变为1。再执行printf("value:%u, index:%d\n", get_bits(&gb, 2), gb.index);由于2进制00010010的第1、第2位都是0，也就是0b00，所以输出是：value:0, index:1，此时由于又打印了2位，所以index的值变为3。再执行printf("value:%u, index:%d\n", get_bits(&gb, 5), gb.index);由于2进制00010010的第3到第7 位是0b10010，转成10进制是18，所以输出是：value:18, index:3。

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聚焦光伏产业、深耕储能市场、探究充电技术 小Q下午茶 相互交流学习储能和BMS相关内容 43篇原创内容 公众号 一、背景介绍 国家提出“新基建”以来&#xff0c;充电基础设施产业跃入人们的视线成为热门话题。充电基础设施作为充电网、车联网、能源网和物联网的连接器&…
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JS对象、数组、字符串超详细方法

JS对象、数组、字符串超详细方法

JavaScript 对象方法 对象创建的方式 对象字面量 var dog1 {name: "大黄",age: 2,speak: function () {console.log("汪汪");}, };使用Object构造函数 var dog2 new Object(); dog2.name "大黄"; dog2.age 2; dog2.speak function () …
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卷积的通俗解释

卷积的通俗解释

以时间和空间两个维度分别理解卷积&#xff0c;先用文字来描述&#xff1a; 时间上&#xff0c;任何当前信号状态都是迄至当前所有信号状态的叠加&#xff1b;时间上&#xff0c;任何当前记忆状态都是迄至当前所有记忆状态的叠加&#xff1b;空间上&#xff0c;任何位置状态都…
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初见：AntDB智能运维“三剑客“之ADC

初见：AntDB智能运维“三剑客“之ADC

引言 6月15日&#xff0c;PostgreSQL数据库技术峰会广州站圆满落幕。峰会上&#xff0c;亚信安慧数据库智能运维产品负责人李志龙介绍了AntDB的6大数据库引擎和3大工具产品能力。 这里的3大工具分别指&#xff1a; AntDB数据库迁移工具包 MTK 数据库智能运维平台 ACC AntDB数据…
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SwiftUI 6.0（iOS 18/macOS 15）关于颜色 Color 的新玩法

SwiftUI 6.0（iOS 18/macOS 15）关于颜色 Color 的新玩法

概览 WWDC 2024 重装升级的 SwiftUI 6.0 让 Apple 不同平台&#xff08;iOS 18/macOS 15&#xff09;显得愈发的冰壶玉衡、美轮美奂。 之前梦寐以求的颜色混合功能在 WWDC 24 里终于美梦成真啦&#xff01; 在本篇博文中&#xff0c;您将学到如下内容&#xff1a; 概览1. 梦想…
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this.$prompt 提示框增加文本域并修改文本域高度

this.$prompt 提示框增加文本域并修改文本域高度

2024.06.24今天我学习了如何对提示框增加文本域的方法&#xff0c;效果如下&#xff1a; 代码如下&#xff1a; <script>methods:{reject_event(){this.$prompt(驳回内容, 提示, {confirmButtonText: 确定,cancelButtonText: 取消,inputType: textarea,inputPlaceholder…
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精益思想在机器人开发中的应用体现

精益思想在机器人开发中的应用体现

精益思想源于制造业&#xff0c;旨在通过消除浪费、优化流程、持续改进来提升企业竞争力。在机器人开发中&#xff0c;精益思想同样具有指导意义。它要求开发团队在需求分析、设计、制造、测试等各个环节中&#xff0c;不断追求精益求精&#xff0c;力求在降低成本的同时提升产…
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同元软控智能电动汽车数字化解决方案亮相CICV 2024

同元软控智能电动汽车数字化解决方案亮相CICV 2024

2024年6月18日-20日&#xff0c;由中国汽车工程学会、国家智能网联汽车创新中心、清华大学车辆与运载学院、清华大学智能绿色车辆与交通全国重点实验室举办的第十一届国际智能网联汽车技术年会&#xff08;CICV 2024&#xff09;在北京召开。苏州同元软控信息技术有限公司&…
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C++并发之协程实例(四)(通过迭代器访问生成器序列)

C++并发之协程实例(四)(通过迭代器访问生成器序列)

目录 1 协程2 实例3 运行 1 协程 协程(Coroutines)是一个可以挂起执行以便稍后恢复的函数。协程是无堆栈的&#xff1a;它们通过返回到调用方来暂停执行&#xff0c;并且恢复执行所需的数据与堆栈分开存储。这允许异步执行的顺序代码&#xff08;例如&#xff0c;在没有显式回调…
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【Linux】Centos升级到国产操作系统Openeuler

【Linux】Centos升级到国产操作系统Openeuler

一、前言 迁移工具采用Openeuler官网提供的x2openEuler工具&#xff0c;是一款将源操作系统迁移到目标操作系统的迁移工具套件&#xff0c;具有批量化原地升级能力&#xff0c;当前支持将源 OS 升级至 openEuler 20.03。 官网链接&#xff1a;openEuler迁移专区 | 迁移专区首页…
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8、MFC界面开发

8、MFC界面开发

界面开发 1、创建Ribbon样式的应用程序框架2、为Ribbon Bar添加控件2.1 下拉菜单2.2 添加消息处理函数 1、创建Ribbon样式的应用程序框架 创建MFC界面时选择样式为"Office"&#xff0c;然后再选择功能区。 2、为Ribbon Bar添加控件 Ribbon界面开发利用Ribbon Des…
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lvs集群 Keepalived

lvs集群 Keepalived

Keepalived高可用集群 Keepalived概述 功能 LVS规则管理LVS集群真实服务器状态监测管理VIP Keepalived实现web高可用 安装keepalived软件 在webservers上配置 启动服务 webservers systemctl start keepalived.service ip a s | grep 192.168 #web1主机绑定vip 测试…
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