简单来讲，libmad就是一个MP3文件的解码库。如果想要深入理解其中的实现需要对MP3文件格式有详细的了解，关于MP3文件格式的内容在这里我不赘述，之前的文章当中有过详细的讲解 click here

What

Libmad 详解：https://www.underbit.com/products/mad/

libmad 是一个高质量的 MPEG 音频解码器。目前支持 MPEG-1 和 MPEG-2 对较低采样频率的扩展，以及所谓的 MPEG 2.5 格式，三个音频层都在代码上做了实现。优势：

24 位 PCM 输出
100% 定点（整数）计算
基于 ISO/IEC 标准的全新实施
根据 GNU 通用公共许可证 (GPL) 的条款分发

How

代码下载

https://sourceforge.net/projects/mad/files/

https://www.linuxfromscratch.org/blfs/view/svn/multimedia/libmad.html

代码结构

< 基于 libmad-0.15.1b 版本>

源文件	bit.c	decoder.c	fixed.c	frame.c	huffman.c	layer12.c	layer3.c	stream.c	synth.c	timer.c	version.c	minimad.c(demo)
头文件	bit.h	decoder.h	fixed.h	frame.h	huffman.h	layer12.h	layer3.h	stream.h	synth.h	timer.h	version.h	global.h	mad.h（API）
dat文件	sf_table.dat	imdct_s.dat	qc_table.dat	D.dat	rq_table.dat
其他文件	Makefile	config	……		大部分内容不参与编译

具体使用方法可以参考minimad.c文件，这里面对api的使用有进一步的说明

同时也可以参考我基于Linux libmad写出来的一个音频播放器，源码链接 click here

编译方法

< 仅介绍linux环境下编译方法 >

手写Makefile / CMakeLists.txt
系统提供的config
- 执行 sed -i ‘/-fforce-mem/d’ configure ，这条命令是为了适配高版本的gcc，因为高版本的gcc已经将-fforce-mem去除了
- 执行 ./configure , 文件夹下会生成Makefile
- 执行 sudo make; sudo install;
- 至此静态库和动态库已经生成，目录在/usr/local/lib

核心API

mad_decoder_init( )

//mad.h
void mad_decoder_init(struct mad_decoder *, void *,   
           /* input func  */  enum mad_flow (*)(void *, struct mad_stream *), 
           /* header func */  enum mad_flow (*)(void *, struct mad_header const *),                   
           /* filter func */  enum mad_flow (*)(void *, struct mad_stream const *, struct mad_frame *), 
           /* output func */  enum mad_flow (*)(void *, struct mad_header const *, struct mad_pcm *), 
           /* error func  */  enum mad_flow (*)(void *, struct mad_stream *, struct mad_frame *), 
           /* message func*/  enum mad_flow (*)(void *, void *, unsigned int *));

mad_decoder_init( )是libmad中最终重要的函数之一，其作用是将line3~line8的六个回调函数注册到mad_decoder实例出来的decoder中。

必须自定义的参数：参数1：用户自己实例的一个解码器结构体；参数2：用户自定义的结构体指针，这个指针将用于整个解码的过程在回调函数之间进行数据的传输；参数3：输入的回调函数，该回调用于用户自定义将数据输入编码器的逻辑；参数6：输出的回调函数，同input callback func。自定义输出的分辨率吧：24bit / 16bit，可以存成文件亦可以直接通过pcm接口播放。Output回调函数在madlib每解码完成一个帧后被调用，直到全部解码完成或出错。参数8（异步工作模式下必选）：输出信息。
选择性定义参数：其他参数属于自定义参数比如进行头解析、过滤筛选的回调函数等等，如果自己没有需求置0即可。

mad_decoder_run( )
1
2
//mad.h
int mad_decoder_run(struct mad_decoder *, enum mad_decoder_mode);
该函数是解码的主流程函数，即解码器的入口函数，如果要追代码可以从此处开始进行剖析。
- 参数1：用户自定义实例化并初始化的解码器decoder；
- 参数2：选择解码模式（SYNC / ASYNC）深入代码可以发现这个选择使得解码器进入不同的函数进行工作。
所谓同步方式是指解码函数在解码完一帧后才返回并带回出错信息，异步方式是指解码函数在调用后立即返回，通过消息传递解码状态信息。(故异步方式必须定义message回调函数)
mad_decoder_finish( )
1
2
//mad.h
int mad_decoder_finish(struct mad_decoder *);
解码结束，用于清理工作，释放与流相关的任何动态内存。
mad_stream_buffer( )
1
2
//mad.h
void mad_stream_buffer(struct mad_stream *, unsigned char const *, unsigned long);
该函数是input回调函数中最重要的函数，其作用是按照参数2、参数3即MP3文件在内存映像的起始地址和本次要传递的文件长度与mad_stream进行关联，形成libmad可识别的stream流

需要注意，这里传递多少数据完全是自定义的。如果一次性送入则整个解码过程调用一次input；如果一次性传递若干，output根据传递的数据进行解码，如果没有数据可解继续调用input。所以自己定义好输入逻辑即可。

重点数据结构

mad_stream

//mad.h && stream.h
struct mad_stream {           
  unsigned char const *buffer;          /* input bitstream buffer */                                       unsigned char const *bufend;          /* end of buffer */
  unsigned long skiplen;                /* bytes to skip before next frame */
  int sync;                             /* stream sync found */        
  unsigned long freerate;               /* free bitrate (fixed) */     
  unsigned char const *this_frame;      /* start of current frame */
  unsigned char const *next_frame;      /* start of next frame */
  struct mad_bitptr ptr;                /* current processing bit pointer */
  struct mad_bitptr anc_ptr;            /* ancillary bits pointer */   
  unsigned int anc_bitlen;              /* number of ancillary bits */
  unsigned char (*main_data)[MAD_BUFFER_MDLEN];                  /* Layer III main_data() */    
  unsigned int md_len;                  /* bytes in main_data */  
  int options;                          /* decoding options (see below) */
  enum mad_error error;                 /* error code (see above) */   
};

该结构体记录了文件的地址、当前所处理的位置和解码前的Bitstream数据

mad_stream.bufend – mad_stream.next_frame就是剩余的未被解码的 MPEG 帧的数据的字节数量（假设此帧在缓冲区中不完整)

mad_header

struct mad_header {
  enum mad_layer layer;             /* audio layer (1, 2, or 3) */
  enum mad_mode mode;               /* channel mode (see above) */
  int mode_extension;               /* additional mode info */                                             enum mad_emphasis emphasis;       /* de-emphasis to use (see above) */
  unsigned long bitrate;            /* stream bitrate (bps) */
  unsigned int samplerate;          /* sampling frequency (Hz) */
  unsigned short crc_check;         /* frame CRC accumulator */
  unsigned short crc_target;        /* final target CRC checksum */
  int flags;                        /* flags (see below) */
  int private_bits;                 /* private bits (see below) */
  mad_timer_t duration;             /* audio playing time of frame */
};

通过注释很容易看出，该结构体记录了MPEG 帧的基本信息，比如MPEG 层数、声道模式、流比特率、采样率、比特率以及某些校验位等等。

Tips：（bitrate % 32）如果是整数说明该文件格式是CBR（constant bitrate，恒定比特率），否则是VBR（variable bitrate，可变比特率），这对文件播放时长是有影响的。

mad_pcm

struct mad_pcm {
  unsigned int samplerate;          /* sampling frequency (Hz) */                                           unsigned short channels;          /* number of channels */
  unsigned short length;            /* number of samples per channel */
  mad_fixed_t samples[2][1152];     /* PCM output samples [ch][sample] */
};

madlib解码器是以帧为单位进行解码的，mad_pcm每次最多解码出（1152 * channels）个PCM数据，每个采样点用int（32bit）表征但是只用了其中的24bit，至此可以直接输出数据保存文件或者直接调用音频播放的API进行播放。但目前大多数codec支持的是16bit量化分辨率，所以在输出时将数据饱和到16bit进行输出。

mad_flow

enum mad_flow {
  MAD_FLOW_CONTINUE = 0x0000,   /* continue normally */                                                     MAD_FLOW_STOP     = 0x0010,   /* stop decoding normally */
  MAD_FLOW_BREAK    = 0x0011,   /* stop decoding and signal an error */
  MAD_FLOW_IGNORE   = 0x0020    /* ignore the current frame */
};

所有回调函数的返回值均为该枚举类型，在解码的主流程中会通过不断判断解码器所调用的回调函数的状态来确认下一步的动作

yangLieee

Libmad详解