Java-声音滞后与自定义MIDI序列器使用PPQ滴答计时

Question

我一直在尝试在Java中实现我自己的异步MIDI定序器，该定序器通过处理MidiEvent的列表将ShortMessage发送到VST。我需要性能达到最佳，这样在听音频输出时就不会有音频延迟。

问题是，由于滴答声的增量不准确（有时增量过快或过慢，会打乱MidiEvent的所有计时），因此肯定存在可听见的滞后。

下面是测序仪的代码：

package com.dranithix.spectrum.vst;
import java.util.HashMap;
import java.util.Iterator;
import java.util.List;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
import javax.sound.midi.MidiEvent;
import javax.sound.midi.ShortMessage;
import com.synthbot.audioplugin.vst.vst2.JVstHost2;
/**
 * 
 * @author Kenta Iwasaki
 * 
 */
public class VstSequencer implements Runnable {
    public static long BPM = 128L, PPQ = 4L;
    private long oneTick = (60000L / (BPM * PPQ)) * 1000000;
    private Map<MidiEvent, Long> currentEvents = new ConcurrentHashMap<MidiEvent, Long>();
    private long startTime = System.nanoTime(), elapsedTicks = 0;
    private JVstHost2 vst;
    public VstSequencer(JVstHost2 vst) {
        this.vst = vst;
    }
    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            if (System.nanoTime() - startTime >= oneTick) {
                elapsedTicks++;
                startTime = System.nanoTime();
            }
            Iterator<MidiEvent> it = currentEvents.keySet().iterator();
            while (it.hasNext()) {
                MidiEvent currentEvent = it.next();
                long eventTime = currentEvent.getTick() - elapsedTicks;
                if (eventTime <= 0) {
                    vst.queueMidiMessage((ShortMessage) currentEvent
                            .getMessage());
                    it.remove();
                }
            }
        }
    }
    public void queueEvents(List<MidiEvent> events) {
        Map<MidiEvent, Long> add = new HashMap<MidiEvent, Long>();
        for (MidiEvent event : events) {
            event.setTick(event.getTick() + elapsedTicks);
            add.put(event, event.getTick());
        }
        currentEvents.putAll(add);
    }
    public void queueEvent(MidiEvent event) {
        event.setTick(event.getTick() + elapsedTicks);
        currentEvents.put(event, event.getTick());
    }
}

我们怎样才能提高这个系统的性能？我们能确保这类系统不会有声音延迟吗（例如：固定的时间步长）？

提前谢谢。

编辑：为了隔离声音滞后的原因，我可以确认VST本身或向VST发送MIDI消息的框架没有滞后。这与目前在测序仪中使用的基于刻度的计时系统有关。

解决：我通过在同一线程中包含VST事件处理代码（它们最初在不同的线程上），使VST事件与事件序列器本身并行处理，从而解决了这个问题。对于任何读到这篇文章并一直在四处寻找将MIDI事件排序到JVstHost2或任何类似的Java VST主机库的人，请随意将部分固定代码用于您自己的项目，因为VST是一种商业格式，很少接触Java，所以我很难在网上找到合适的VST排序。

已解决代码：

package com.dranithix.spectrum.vst;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Iterator;
import java.util.List;
import javax.sound.midi.MidiEvent;
import javax.sound.midi.ShortMessage;
import javax.sound.sampled.AudioFormat;
import javax.sound.sampled.AudioSystem;
import javax.sound.sampled.DataLine;
import javax.sound.sampled.LineUnavailableException;
import javax.sound.sampled.SourceDataLine;
import com.synthbot.audioplugin.vst.vst2.JVstHost2;
/**
 * 
 * @author Kenta Iwasaki
 * 
 */
public class VstSequencer implements Runnable {
    private static final float ShortMaxValueAsFloat = (float) Short.MAX_VALUE;
    public static float BPM = 120f, PPQ = 2f;
    private static float oneTick = 60000f / (BPM * PPQ);
    private List<MidiEvent> currentEvents = new ArrayList<MidiEvent>();
    private long startTime = System.currentTimeMillis(), elapsedTicks = 0;
    private JVstHost2 vst;
    private final float[][] fInputs;
    private final float[][] fOutputs;
    private final byte[] bOutput;
    private int blockSize;
    private int numOutputs;
    private int numAudioOutputs;
    private AudioFormat audioFormat;
    private SourceDataLine sourceDataLine;
    public VstSequencer(JVstHost2 vst) {
        this.vst = vst;
        numOutputs = vst.numOutputs();
        numAudioOutputs = Math.min(2, numOutputs);
        blockSize = vst.getBlockSize();
        fInputs = new float[vst.numInputs()][blockSize];
        fOutputs = new float[numOutputs][blockSize];
        bOutput = new byte[numAudioOutputs * blockSize * 2];
        audioFormat = new AudioFormat((int) vst.getSampleRate(), 16,
                numAudioOutputs, true, false);
        DataLine.Info dataLineInfo = new DataLine.Info(SourceDataLine.class,
                audioFormat);
        sourceDataLine = null;
        try {
            sourceDataLine = (SourceDataLine) AudioSystem.getLine(dataLineInfo);
            sourceDataLine.open(audioFormat, bOutput.length);
            sourceDataLine.start();
        } catch (LineUnavailableException lue) {
            lue.printStackTrace(System.err);
            System.exit(1);
        }
    }
    @Override
    protected void finalize() throws Throwable {
        try {
            sourceDataLine.drain();
            sourceDataLine.close();
        } finally {
            super.finalize();
        }
    }
    private byte[] floatsToBytes(float[][] fData, byte[] bData) {
        int index = 0;
        for (int i = 0; i < blockSize; i++) {
            for (int j = 0; j < numAudioOutputs; j++) {
                short sval = (short) (fData[j][i] * ShortMaxValueAsFloat);
                bData[index++] = (byte) (sval & 0x00FF);
                bData[index++] = (byte) ((sval & 0xFF00) >> 8);
            }
        }
        return bData;
    }
    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            if (Thread.interrupted()) {
                break;
            }
            if (System.currentTimeMillis() - startTime >= oneTick) {
                elapsedTicks++;
                startTime = System.currentTimeMillis();
            }
            vst.processReplacing(fInputs, fOutputs, blockSize);
            sourceDataLine.write(floatsToBytes(fOutputs, bOutput), 0,
                    bOutput.length);
            Iterator<MidiEvent> it = currentEvents.iterator();
            while (it.hasNext()) {
                MidiEvent currentEvent = it.next();
                long eventTime = currentEvent.getTick() - elapsedTicks;
                if (eventTime <= 0) {
                    vst.queueMidiMessage((ShortMessage) currentEvent
                            .getMessage());
                    it.remove();
                }
            }
        }
    }
    public void queueEvents(List<MidiEvent> events) {
        for (MidiEvent event : events) {
            event.setTick(event.getTick() + elapsedTicks);
        }
        currentEvents.addAll(events);
    }
    public void queueEvent(MidiEvent event) {
        event.setTick(event.getTick() + elapsedTicks);
        currentEvents.add(event);
    }
}

Answer 1

我怀疑问题是：

event.setTick(event.getTick() + elapsedTicks);
add.put(event, event.getTick());

事件流可能已经具有时间戳，因此不需要向它们添加elapsedTicks。这只是意味着随着时间的推移，它们变得越来越晚。

有几种非常明显的方法可以提高上面代码的性能。它们是否是你问题的原因很难说：

1：不要忙着等待：在有事情要做之前，上面的代码没有阻塞的方法（ConcurrentHashMap不提供阻塞行为）。相反，它会循环不断燃烧的CPU周期，即使在没有什么可做的时候也是如此。这种行为通常会受到操作系统调度器的惩罚。您的线程在不运行时无法安排事件，其当前设计鼓励这样做。

2:对currentEvents使用带有MIDIEvent的HashMap是一个糟糕的选择，而且效率低下。您需要迭代整个容器，以查找需要传递到VST的事件。此外，由于没有订购保证，您可能会交付当前订单中的事件。考虑使用SortedMap，其中关键是交付时间。事件现在是有序的，最快的在结构的开头。举办活动很便宜。

另一个潜在的问题在于这条线——它不会导致不规则的时间，但我的意思可能是oneTick错了：

private long oneTick = (60000L / (BPM * PPQ)) * 1000000;

除以BPM * PPQ会导致截断。先做乘法运算。