作者：闲鱼技术-邻云
前言
随着短视频兴起，各大APP中短视频随处可见，feeds流、详情页等等。怎样让用户有一个好的视频观看体验显得越来越重要了。大部分feeds里面滑动观看视频的时候，有明显的等待感，体验不是很好。针对这个问题我们展开了一波优化，目标是：视频播放秒开，视频播放体验良好。无图无真相，上个对比图，左边是优化之前的，右边是优化之后的：
问题分析
视频格式的选择
在正式分析问题之前有必要说明下：我们现在首页的视频，都是320p H.264编码的mp4视频。
H.264 & H.265
H.264也称作MPEG-4AVC(Advanced Video Codec，高级视频编码)，是一种视频压缩标准，同时也是一种被广泛使用的高精度视频的录制、压缩和发布格式。H.264因其是蓝光光盘的一种编解码标准而著名，所有蓝光播放器都必须能解码H.264。H.264相较于以前的编码标准有着一些新特性，如多参考帧的运动补偿、变块尺寸运动补偿、帧内预测编码等，通过利用这些新特性，H.264比其他编码标准有着更高的视频质量和更低的码率. H.265/HEVC的编码架构大致上和H.264/AVC的架构相似，也主要包含：帧内预测(intra prediction)、帧间预测(inter prediction)、转换 (transform)、量化 (quantization)、去区块滤波器(deblocking filter)、熵编码(entropy coding)等模块。但在HEVC编码架构中，整体被分为了三个基本单位，分别是：编码单位(coding unit，CU)、预测单位(predict unit，PU) 和转换单位(transform unit，TU )。 总的来说H.265压缩效率更高，传输码率更低，视频画质更优。看起来使用H.265似乎是很明智的选择， 但我们这里选择的是H.264。原因是：H.264支持的机型范围更为广泛。 PS：闲鱼H.265视频在宝贝详情页会在近期上线，敬请关注体验!- TS & FLV & MP4
TS是日本高清摄像机拍摄下进行的封装格式，全称为MPEG2-TS。TS即"Transport Stream"的缩写。MPEG2-TS格式的特点就是要求从视频流的任一片段开始都是可以独立解码的。下述命令可以把mp4转换成ts格式，从结果来看ts文件(4.3MB)比mp4文件(3.9MB)大10%左右。
ffmpeg -i input.mp4 -c copy output.tsFLV是FLASH VIDEO的简称，FLV流媒体格式是随着Flash MX的推出发展而来的视频格式。由于它形成的文件极小、加载速度极快，使得网络观看视频文件成为可能，它的出现有效地解决了视频文件导入Flash后，使导出的SWF文件体积庞大，不能在网络上很好的使用等问题。FLV只支持一个音频流、一个视频流，不能在一个文件里包含多路音频流。音频采样率不支持48k，视频编码不支持H.265。相同编码格式下，文件大小和mp4几乎没有区别。
ffmpeg -i input.mp4 -c copy output.flv MP4是为大家所熟知的一种视频封装格式，MP4或称MPEG-4第14部分是一种标准的数字多媒体容器格式。MPEG-4第14部分的扩充名为.mp4，以存储数字音频及数字视频为主，但也可以存储字幕和静止图像。因其可容纳支持比特流的视频流，MP4可以在网络传输时使用流式传输。其兼容性很好，几乎所有的移动设备都支持，而且还能在浏览器、桌面系统进行播放。综合上面几个封装格式的特点，我们的最终选择是MP4.
播放流程
一个视频在客户端的播放流程是怎么样的？播放首开慢耗时在什么地方？耗时点是否能够快速低成本的解决？了解视频的播放流程有助于找到问题的突破口。视频从加载到播放可以分为三个阶段：
- 读取（IO）：“获取” 内容 -> 从 “本地” or “服务器” 上获取
- 解析（Parser）：“理解” 内容 -> 参考 “格式&协议” 来 “理解” 内容
- 渲染（Render）：“展示” 内容 -> 通过扬声器/屏幕来 “展示” 内容
可以看出内容获取从“服务器”改为“本地”，这样会节省很大一部分时间，而且成本很低，是一个很好的切入点。事实也是如此，我们的优化正是围绕此点展开。
PS: 我们使用的网络库，播放器都是集团内部的，本身做了很多优化。本文不涉及网络协议，播放器方面的优化讨论。
技术方案
鉴于上面的分析，我们要做的工作是：把mp4文件提前缓存一部分，到feeds滑动要播放的时候，播放本地的mp4文件。由于用户可能继续观看视频，所以本地的数据播放完后，需要从网络下载数据进行播放。这里需要解决两个问题：
- 应该提前下载多少数据
- 缓存数据播放完成后该怎么切换到网络数据
MOOV BOX的位置
对于第一个问题，我们不得不分析一下mp4的文件结构，看看我们应该下载多少数据量合适。MP4是由很多Box 组成的，Box里面可以嵌套Box：
这里不详细介绍MP4的格式信息。但是可以看出moov box对播放很关键，它提供的信息如：宽高、时长、码率、编码格式、帧列表、关键帧列表等等。播放器没有获取到moov box是没办法进行播放的。所以下载的数据应该要包含moov box再加上几十帧的数据。
做了一个简单的计算：闲鱼短视频一般最长是30s，feeds里面的分辨率是320p，码率是1141kb/s，ftyp+moov这个视频的数据量在31kb左右(打开文件可以看出mdat是从31754byte的位置开始的)，所以，头部信息+10帧的数据大约是：(31kb + 1141kb/3)/8 = 51KB
Proxy
第二个问题：缓存数据播放完成后该怎么切换到网络数据呢？在本地数据播放完成之后，设置一个网络地址给播放器，告诉播放器下载的offset是多少，然后继续从网络下载数据播放。这样看起来可行，但是需要播放器提供支持：本地数据播放完成的回调；设置网络url并支持offset。另外，服务端需要支持range参数，而且切换到网络播放的时候需要新建立网络连接，很可能会造成卡顿。
最终，我们选择了proxy的方式，把proxy作为中间人，负责预加载数据、给播放器提供数据，切换逻辑在proxy里面来完成。未加入proxy之前流程是这样的：
加入了proxy之后流程是这样的：
这样做的好处很明显，我们可以在proxy里面做很多事情：例如本地文件缓存数据和网络数据的切换工作。甚至是和CDN使用其它的协议进行通信。我们这里假定预加载工作已经完成，看看播放器是怎么和proxy进行交互的。播放的时候会用Proxy提供的一个localhost的url进行播放，这样代理服务器会收到网络请求，把本地预加载的数据返回给播放器。播放器完全感知不到proxy模块、预加载模块的存在。播放器、预加载模块都是Proxy的client，调用逻辑都是一样。图示说明如下：
下面逐步解释一下，数据的加载过程：
- Client发起http请求获取数据，箭头1所示
- 文件缓存如果存在所请求的数据则直接返回数据，箭头2所示
- 若本地文件缓存数据不够，则发起网络请求，向CDN请求数据，箭头3所示
- 获取网络数据，写入文件缓存，箭头4所示
- 返回请求的数据给Client，箭头2所示
实现模块
预加载模块
确定了技术方案后，预加载模块还是有很多工作要做的。在列表网络数据解析完成后会触发视频预加载，首先会根据url生成md5值，然后去查看这个md5值对应的任务是否存在，如果存在则不会重复提交。生成任务后会提交到线程池，在后台线程进行处理。网络从Wifi切换到3G的时候，会把任务取消，防止消耗用户的数据流量。
预加载任务在线程池执行的时候，其流程是这样的：首先会获取一个本地代理的url。然后发起http请求。Proxy会收到http请求进行处理，开始做真正的数据预加载工作。预加载模块读取到指定的数据量后终止。到此，预加载的任务就已完成。流程图如下所示：
在用户快速滑动的时候，怎么能保证视频还能继续秒开呢？预加载模块对于每一个任务都会维护一个状态机，在Fling的时候会把划过的任务暂停下，把最新要显示的任务优先级提高，让其优先执行。
Proxy模块
Proxy内部有个local的httpServer负责拦截播放器和预加载模块的http请求。client在请求时会带入CDN的url，在本地缓存数据没有的时候会去CDN获取新鲜数据。因为有多个地方向Proxy请求数据，所以用线程池来处理多个client的连接很有必要，这样多个client可以并行，不会因为前面有client在请求而阻塞。文件缓存使用LruDiskCache，在超过指定文件大小后，老的缓存文件会删除，这是一个在使用文件缓存时很容易忽视的问题。由于我们的场景视频是连续播放的，不存在seek的情况，所以文件缓存相对比较简单，不用考虑文件分段的情况。Proxy内部对于同一个url会映射到一个client，如果预加载和播放同时进行，数据只会有一份，不会去重复下载数据。再来一个Proxy内部构造示意图：
遇到的问题
在测试中发现，有的视频还是会播放很慢，仔细查看本地的确缓存了期望的数据大小，但是播放的时候还是有较长的等待时间，这种视频有个特点：moov box在尾部。对于moov在尾部的视频，是整个文件都下载完成后才进行播放的，原因是moov box里面存了很多关键信息，前面分析mp4格式的时候有提到。对于这个问题有两个解法：
- 解法一：
服务端在进行转码的时候保证moov的头部在前面，发现moov位置不正确的视频服务端进行订正。
PS:查看moov在文件中的位置可以用hex文本编辑器打开，按字符搜索moov所在的位置即可，MAC上面还可以使用MediaParser , 另外还可以用ffmpeg命令生成moov在头部或者尾部的mp4文件。
例如：
从1.mp4 copy一个文件，使其moov头在尾部
ffmpeg -i 1.mp4 -c copy -f mp4 output.mp4
从1.mp4 copy一个文件，使其moov头在头部：
ffmpeg -i 1.mp4 -c copy -f mp4 -movflags faststart output2.mp4- 解法二
不用修改moov box的位置，而是在播放端进行处理，播放端需要检测流信息，如果moov前面没有，就去请求文件的尾部信息。具体就是：发起 HTTP MP4 请求，读取响应 body 的开头，如果发现 moov 在开头，就接着往下读mdat。如果发现开头没有，先读到 mdat，马上 RESET 这个连接，然后通过 Range 头读取文件末尾数据，因为前面一个 HTTP 请求已经获取到了 Content-Length ，知道了 MP4 文件的整个大小，通过 Range 头读取部分文件尾部数据也是可以的。示意图如下
这个方案的缺点是：对于moov box在尾部的视频会多两次http connection。
结语
本文介绍了常见的视频编码格式，视频封装格式，介绍了moov头信息对于视频播放的影响。随着对于播放流程的分析，我们找到了问题的切入点。简单说就是围绕着数据预加载展开，把网络请求数据的工作提前完成，播放的时候直接从缓存读取，而且后续的视频回看都是从缓存读取，不仅解决了视频初始化播放慢的问题，还解决了播放缓存问题，可以说是一箭双雕。Proxy是这个方案的核心思想，本地localhost的url是一个关键纽带，视频预加载模块和播放器模块解耦彻底，换了播放器照样可以使用。到此为止，视频feeds秒开优化就已完成。上线后的数据来看视频打开速度在800ms左右。
回过头来，或许我们还可以更进一步，可以对预加载收到的数据进行验证，确保缓存了准确的信息，而不是固定的数值。还可以进行更加深度的优化，让用户观看视频的体验更加顺滑。
参考文献
* [AndroidVideoCache](https://github.com/danikula/AndroidVideoCache)
* [视频的封装格式和编码格式](https://www.jianshu.com/p/8034fa1ed682)
* [播放器技术分享（1）：架构设计](http://blog.51cto.com/ticktick/2324928?source=dra)
* [MP4文件格式的解析，以及MP4文件的分割算法](https://cloud.tencent.com/developer/article/1120604)
* [从天猫某活动视频3次请求说起](https://juejin.im/post/5c0e0f75e51d45410c5e1aea)
* [视音频编解码学习工程：FLV封装格式分析器]https://blog.csdn.net/leixiaohua1020/article/details/17934487
* https://www.adobe.com/content/dam/acom/en/devnet/flv/video_file_format_spec_v10_1.pdf
* https://baike.baidu.com/item/flv
* https://standards.iso.org/ittf/PubliclyAvailableStandards/index.html
