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    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:

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  1. /*playsound.c*/
  2. #include <stdio.h>
  3. #include <stdlib.h>
  4. #include <unistd.h>
  5. #include <fcntl.h>
  6. #include <sys/types.h>
  7. #include <sys/stat.h>
  8. #include <linux/soundcard.h>

  9. #define AUDIO_DEVICE "/dev/dsp"

  10. int play_sound(char *filename,int rate,int bits){
  11.         struct stat stat_buf;
  12.         unsigned char *buf = NULL;
  13.         int result,arg,status,handler,fd;

  14.         fd = open(filename,O_RDONLY);
  15.         if(fd<0)
  16.         return -1;

  17.         if(fstat(fd,&stat_buf))
  18.         {
  19.                 close(fd);
  20.                 return -1;
  21.         }

  22.         if(!stat_buf.st_size)
  23.         {
  24.                 close(fd);
  25.                 return -1;
  26.         }

  27.         buf=malloc(stat_buf.st_size);
  28.         if(!buf){
  29.                 close(fd);
  30.                 return -1;
  31.         }

  32.         if(read(fd,buf,stat_buf.st_size)<0){
  33.                 free(buf);
  34.                 close(fd);
  35.                 return -1;
  36.         }

  37.         handler = open(AUDIO_DEVICE,O_WRONLY);
  38.         if(-1 == handler){
  39.                 return -1;
  40.         }

  41.         arg = rate*2;
  42.         status = ioctl(handler,SOUND_PCM_WRITE_RATE,&arg);
  43.         if(-1 == status)
  44.                 return -1;

  45.         arg = bits;
  46.         status = ioctl(handler,SOUND_PCM_WRITE_BITS,&arg);
  47.         if(-1 == status)
  48.                 return -1;

  49.         result = write(handler,buf,stat_buf.st_size);
  50.         if(-1 == result)
  51.                 return -1;

  52.         free(buf);
  53.         close(fd);
  54.         close(handler);
  55.         return result;

  56. }

  57. int main(int argc,char** argv){
  58.         play_sound(argv[1],atoi(argv[2]),atoi(argv[3]));
  59.         return 0;
  60. }
    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:

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  1. #!/bin/sh
  2. [ "$#" -eq 0 ] && {
  3. echo "Usage: $0 filename"
  4. exit
  5. }
  6. BITS=`file $1 | cut -d' ' -f9`
  7. RATE=`file $1 | cut -d' ' -f12`

  8. echo "Playing...$(file $1)"
  9. ./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:   

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  1. #include <stdio.h>
  2. #include <stdlib.h>
  3. #include <unistd.h>
  4. #include <fcntl.h>
  5. #include <sys/types.h>
  6. #include <sys/stat.h>
  7. #include <linux/soundcard.h>
  8. #include <alsa/asoundlib.h>

  9. #define ALSA_MAX_BUF_SIZE 65535

  10. int play_sound(char* filename,int rate,int bits,int channel,int order)
  11. {
  12.         long loops;
  13.         int rc,size,dir;
  14.         snd_pcm_t *handle;
  15.         snd_pcm_hw_params_t *params;
  16.         snd_pcm_uframes_t frames,periodsize;
  17.         snd_mixer_t *mixer;
  18.         snd_mixer_elem_t *pcm_element;

  19.         char *buffer;
  20.         unsigned int val;
  21.         FILE *fp = fopen(filename,"rb");
  22.         rc = snd_pcm_open(&handle,"default",SND_PCM_STREAM_PLAYBACK,0);

  23.         snd_pcm_hw_params_alloca(&params);
  24.         snd_pcm_hw_params_any(handle,params);
  25.         snd_pcm_hw_params_set_access(handle,params,SND_PCM_ACCESS_RW_INTERLEAVED);
  26.         switch(order){
  27.                 case 1:
  28.                         snd_pcm_hw_params_set_format(handle,params,SND_PCM_FORMAT_S16_LE);
  29.                         break;
  30.                 case 2:
  31.                         snd_pcm_hw_params_set_format(handle,params,SND_PCM_FORMAT_S16_BE);
  32.                         break;
  33.                 defualt:
  34.                         break;
  35.         }
  36.         snd_pcm_hw_params_set_channels(handle,params,channel);

  37.         val = rate;
  38.         snd_pcm_hw_params_set_rate_near(handle,params,&val,0);
  39.         snd_pcm_hw_params_get_buffer_size_max(params,&frames);
  40.         frames = frames < ALSA_MAX_BUF_SIZE? frames:ALSA_MAX_BUF_SIZE;
  41.         rc = snd_pcm_hw_params_set_buffer_size_near(handle,params,&frames);
  42.         snd_pcm_hw_params_get_period_size_min(params,&periodsize,NULL);
  43.         if(!periodsize){
  44.                 periodsize=size/4;
  45.         }
  46.         rc = snd_pcm_hw_params_set_period_size_near(handle,params,&periodsize,NULL);
  47.         rc = snd_pcm_hw_params(handle,params);

  48.         snd_mixer_open(&mixer,0);
  49.         snd_mixer_attach(mixer,"default");
  50.         snd_mixer_selem_register(mixer,NULL,NULL);
  51.         snd_mixer_load(mixer);
  52.         for(pcm_element = snd_mixer_first_elem(mixer);pcm_element;pcm_element=snd_mixer_elem_next(pcm_element))
  53.         {
  54.                 if(snd_mixer_elem_get_type(pcm_element)==SND_MIXER_ELEM_SIMPLE && snd_mixer_selem_is_active(pcm_element))
  55.                 {
  56.                         if(!strcmp(snd_mixer_selem_get_name(pcm_element),"Master"))
  57.                         {
  58.                                 snd_mixer_selem_set_playback_volume_range(pcm_element,0,100);
  59.                                 snd_mixer_selem_set_playback_volume_all(pcm_element,(long)100);
  60.                         }
  61.                 }
  62.         }

  63.         buffer = (char*)malloc(size);
  64.         while(1)
  65.         {
  66.                 rc = fread(buffer,1,size,fp);
  67.                 if(0== rc)
  68.                         break;
  69.                 while((rc = snd_pcm_writei(handle,buffer,size))<0)
  70.                 {
  71.                         usleep(200);
  72.                         if(-EPIPE == rc)
  73.                                 snd_pcm_prepare(handle);
  74.                         else if(0 > rc)
  75.                                 printf("error fomr writei\n");
  76.                 }
  77.         }
  78.         snd_pcm_drain(handle);
  79.         snd_pcm_close(handle);
  80.         free(buffer);
  81.         snd_mixer_close(mixer);
  82.         fclose(fp);
  83.         return 0;
  84. }


  85. int main(int argc,char** argv){
  86.         play_sound(argv[1],atoi(argv[2]),atoi(argv[3]),atoi(argv[4]),atoi(argv[5]));
  87.         return 0;
  88. }
   然后将player脚本也对应修改一下:   

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  1. #!/bin/sh
  2. [ "$#" -eq 0 ] && {
  3. echo "Usage: $0 filename"
  4. exit
  5. }
  6. ORDER=`file $1 | cut -d' ' -f3`
  7. BITS=`file $1 | cut -d' ' -f9`
  8. CHANNEL=`file $1 | cut -d' ' -f11`
  9. RATE=`file $1 | cut -d' ' -f12`
  10. #channel
  11. if [ "$CHANNEL" == "stereo" ]; then
  12. CHANNEL=2
  13. else
  14. CHANNEL=1
  15. fi
  16. #platform-byte-order
  17. if [ "$ORDER" == "(little-endian)" ]; then
  18. ORDER=1
  19. else
  20. ORDER=2
  21. fi
  22. echo "Playing...$(file $1)"
  23. ./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。
  附件:news.wav