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使用 MediaCodec，进行音频 AAC 硬编

本贴最后更新于 2148 天前，其中的信息可能已经事过景迁

与我们熟知的 MP3 格式一样，AAC 是一种音频编码格式，对比 MP3 格式，AAC 在缩小 30% 的前题下可以提供更好的音质。这篇博客的主要内容就是通过 AudioRecorder 录制 PCM 音频，再通过 MediaCodec 将 PCM 数据硬编码为 AAC 格式的音频。
通常我们使用 MediaCodec 的流程如下：

MediaCodec 的使用流程：

  • createEncoderByType/createDecoderByType
  • configure
  • start
  • while(1) {
  • dequeueInputBuffer
  • queueInputBuffer
  • dequeueOutputBuffer
  • releaseOutputBuffer
  • }
  • stop
  • release

编解码器一个比较经典的工作原理图如下：
media_codec_1png
图中的 Client 一般就是我们开发者，解释一下就是：我们从 Codec 中拿到拿到空的 input buffer，然后填充上我们需要进行编码的数据，再输送给 Codec，Codec 对数据进行编解码，编解码完成后，Codec 将处理好的数据放进 output buffer，我们取出后再清空返还给 Codec，形成一个环形结构。可以看作一个生产者-消费者模式。

下面我们的编码流程也基本遵守上面的这个流程。为了便于大家理解，我画个流程图讲一下我整个代码的逻辑：
imagepng

录音和编码分别在两个线程中进行，两个线程通过一个 ArrayBlockQueue（这是一个线程安全的队列，想了解更多自己动手）队列共享数据，录音线程中的 AudioRecorder 通过 read()将一帧数据 put()到队尾，编码线程中的 MediaCodec 再通过 take()取出队首的一帧数据进行编码。
首先看录音线程，为了使代码更加简洁易懂，我会省略掉一些代码，完整代码会在文末贴出。

    /**
     * 录音线程
     */
    public class AudioRecorder extends Thread {

        private AudioRecord mAudioRecord;
        private boolean isRecording;
        private int minBufferSize;

        public AudioRecorder() {
            isRecording = true;
            initRecorder();
        }

        @Override
        public void run() {
            super.run();
            startRecording();
        }

        /**
         * 初始化录音
         */
        public void initRecorder(){
            minBufferSize = AudioRecord.getMinBufferSize(sampleRateInHz, channelConfig, audioFormat);
            mAudioRecord = new AudioRecord(MediaRecorder.AudioSource.DEFAULT, sampleRateInHz, channelConfig, audioFormat, minBufferSize);
            if (mAudioRecord.getState() != AudioRecord.STATE_INITIALIZED) {
                isRecording = false;
                return;
            }
        }

        /**
         * 开始录音
         */
        public void startRecording(){
            if (mAudioRecord == null){
                return;
            }

            mAudioRecord.startRecording();
            while (isRecording) {
                //自定义的一个类，用来存储一帧pcm数据，即byte[]，下面给出具体定义，很简单
                AudioDate audioDate = new AudioDate();
                audioDate.buffer = ByteBuffer.allocateDirect(minBufferSize);
                audioDate.size = mAudioRecord.read(audioDate.buffer, minBufferSize);
                try {
                    if (queue != null) {
                        queue.put(audioDate);
                    }
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            release();
        }
    }

录音线程比较简单，主要是先初始化录音器在 initRecorder()中，然后通过 AudioRecorder 的 read 方法，获取到一帧数据，通过 queue.put 放入队尾。
然后是编码线程。

/**
 * 音频编码线程
  */
public class AudioEncorder extends Thread {

    private MediaCodec mEncorder;
 private Boolean isEncording = false;
 private int minBufferSize;

 private OutputStream mFileStream;

 public AudioEncorder() {
        isEncording = true;
  initEncorder();
  }

    @RequiresApi(api = Build.VERSION_CODES.LOLLIPOP)
    @Override
  public void run() {
        super.run();
  startEncording();
  }

    /**
 * 初始化编码器
  */
  private void initEncorder(){
        minBufferSize = AudioRecord.getMinBufferSize(sampleRateInHz, channelConfig, audioFormat);
 try {
            mEncorder = MediaCodec.createEncoderByType(MediaFormat.MIMETYPE_AUDIO_AAC);
  } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
  }
        MediaFormat format = MediaFormat.createAudioFormat(MediaFormat.MIMETYPE_AUDIO_AAC, sampleRateInHz, channelConfig);
  format.setString(MediaFormat.KEY_MIME, MediaFormat.MIMETYPE_AUDIO_AAC);
  format.setInteger(MediaFormat.KEY_AAC_PROFILE, MediaCodecInfo.CodecProfileLevel.AACObjectLC);
  format.setInteger(MediaFormat.KEY_BIT_RATE, 96000);
  format.setInteger(MediaFormat.KEY_MAX_INPUT_SIZE, minBufferSize * 2);
  mEncorder.configure(format, null, null, MediaCodec.CONFIGURE_FLAG_ENCODE);
  }

    /**
 * 开始编码
  */
  @RequiresApi(api = Build.VERSION_CODES.LOLLIPOP)
    public void startEncording(){
        if (mEncorder == null){
            return;
  }

        mEncorder.start();
 try {
            mFileStream = new FileOutputStream(getSDPath() + "/aac_encode.aac");
  MediaCodec.BufferInfo mBufferInfo = new MediaCodec.BufferInfo();
  AudioDate audioDate;
 while (isEncording) {
                // 从队列中取出录音的一帧音频数据
  audioDate = getAudioDate();

 if (audioDate == null) {
                    continue;
  }

                // 取出InputBuffer，填充音频数据，然后输送到编码器进行编码
  int inputBufferIndex = mEncorder.dequeueInputBuffer(0);
 if (inputBufferIndex >= 0) {
                    ByteBuffer inputBuffer = mEncorder.getInputBuffer(inputBufferIndex);
  inputBuffer.clear();
  inputBuffer.put(audioDate.buffer);
  mEncorder.queueInputBuffer(inputBufferIndex, 0, audioDate.size, System.nanoTime(), 0);
  }

                // 取出编码好的一帧音频数据，然后给这一帧添加ADTS头
  int outputBufferIndex = mEncorder.dequeueOutputBuffer(mBufferInfo, 0);
 while (outputBufferIndex >= 0) {
                    int outBitsSize = mBufferInfo.size;
 int outPacketSize = outBitsSize + 7; // ADTS头部是7个字节
  ByteBuffer outputBuffer = mEncorder.getOutputBuffer(outputBufferIndex);
  outputBuffer.position(mBufferInfo.offset);
  outputBuffer.limit(mBufferInfo.offset + outBitsSize);

 byte[] outData = new byte[outPacketSize];
  addADTStoPacket(outData, outPacketSize);

  outputBuffer.get(outData, 7, outBitsSize);
  outputBuffer.position(mBufferInfo.offset);
  mFileStream.write(outData);
  mEncorder.releaseOutputBuffer(outputBufferIndex, false);
  outputBufferIndex = mEncorder.dequeueOutputBuffer(mBufferInfo, 0);
  }
            }
            release();
  } catch (FileNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
  } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
  }
    }

    /**
 * 添加ADTS头
  * @param packet
  * @param packetLen
  */
  private void addADTStoPacket(byte[] packet, int packetLen) {
        int profile = 2; //AAC LC
  int freqIdx = 4; //44100 根据不同的采样率修改这个值
  int chanCfg = 2; //CPE
  packet[0] = (byte) 0xFF;
  packet[1] = (byte) 0xF9;
  packet[2] = (byte) (((profile - 1) << 6) + (freqIdx << 2) + (chanCfg >> 2));
  packet[3] = (byte) (((chanCfg & 3) << 6) + (packetLen >> 11));
  packet[4] = (byte) ((packetLen & 0x7FF) >> 3);
  packet[5] = (byte) (((packetLen & 7) << 5) + 0x1F);
  packet[6] = (byte) 0xFC;
  }
}

和录音线程一样，先进行编码器的初始化在 initEncorder()中，这里的参数 MediaFormat 比较关键，针对具体的编码格式有不同的编码格式有不同的参数，其他的编码方式自行参阅官方文档，这里的 AAC 编码器参数我是经过测试可行的。
然后是最关键的一步--编码。在 startEncording()方法中，所有的流程完全对应上面我列出的 MediaCodec 的使用流程，可以对照上面的流程来阅读代码。
编码流程中非常重要的一步就是为每一帧 AAC 音频添加 ADTS 头，和 WAV 格式的音频不同，AAC 为每一帧音频都添加了一个 ADTS 头，使得解码器可以从任意一帧开始解码，有时我们遇到无法编码的 AAC 文件无法播放，可能就是因为我们没有为其添加 ADTS 头。通过上面的 addADTStoPacket()方法便可以未每一帧 AAC 音频添加 ADTS 头了。
至此，我就列出了我认为在 AAC 编码的过程中所需要注意的所有点。在完成这个功能的时候，我也参照了一些别人的做法，以及我自己的一些理解与实践，也遇到了一些令人头大的错误（例如：同样的 PCM 数据，放进队列中再取出来写入文件，就出现了很大的杂音）如有错误的地方，还请留言指正。
下面是完整代码：

package com.example.sisyphus.audiovideolearning;

import android.Manifest;
import android.app.Activity;
import android.content.pm.PackageManager;
import android.media.AudioFormat;
import android.media.AudioRecord;
import android.media.MediaCodec;
import android.media.MediaCodecInfo;
import android.media.MediaFormat;
import android.media.MediaRecorder;
import android.os.Build;
import android.os.Bundle;
import android.os.Environment;
import android.support.annotation.Nullable;
import android.support.annotation.RequiresApi;
import android.support.v4.app.ActivityCompat;
import android.view.MotionEvent;
import android.view.View;
import android.widget.Button;

import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.OutputStream;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;

/**
 * Created by sisyphus on 2018/8/8. * 学习 MediaCodec API，完成音频 AAC 硬编、硬解
  * 
  * MediaCodec的使用流程：
  * - createEncoderByType/createDecoderByType
 * - configure * - start * - while(1) { * - dequeueInputBuffer * - queueInputBuffer * - dequeueOutputBuffer * - releaseOutputBuffer * } * - stop * - release */public class AACCodecActivity extends Activity {

    private final int sampleRateInHz = 44100;
 private final int channelConfig = 1;
 private final int audioFormat = AudioFormat.ENCODING_PCM_16BIT;

 private class AudioDate {
        private ByteBuffer buffer;
 private int size;
  }

    public static String[] MICROPHONE = {Manifest.permission.RECORD_AUDIO};
 public static String[] STORAGE = {Manifest.permission.READ_EXTERNAL_STORAGE, Manifest.permission.WRITE_EXTERNAL_STORAGE};

 private AudioRecorder mAudioRecorder;
 private AudioEncorder mAudioEncorder;

 private ArrayBlockingQueue queue;

 private Button btnStartRecording;

  @Override
  protected void onCreate(@Nullable Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState);
  setContentView(R.layout.activity_aac_codec);
  btnStartRecording = findViewById(R.id.btn_start_aac_encode);
  queue = new ArrayBlockingQueue<>(1024);
  mAudioRecorder = new AudioRecorder();
  mAudioEncorder = new AudioEncorder();
  btnStartRecording.setOnTouchListener(new View.OnTouchListener() {
            @Override
  public boolean onTouch(View view, MotionEvent motionEvent) {
                int action = motionEvent.getAction();
 if (action == MotionEvent.ACTION_DOWN) {
                    checkRecordPermission();
  btnStartRecording.setText("正在录制");
  startRecord();
  } else if (action == MotionEvent.ACTION_UP) {
                    btnStartRecording.setText("录音");
  stopRecord();
  }
                return false;
  }
        });
  }

    private void startRecord() {
        mAudioRecorder.start();
  mAudioEncorder.start();
  }

    private void stopRecord() {
        mAudioRecorder.stopRecording();
  mAudioEncorder.stopEncording();
  }

    /**
 * 录音线程
  */
  public class AudioRecorder extends Thread {

        private AudioRecord mAudioRecord;
 private boolean isRecording;
 private int minBufferSize;

 public AudioRecorder() {
            isRecording = true;
  initRecorder();
  }

        @Override
  public void run() {
            super.run();
  startRecording();
  }

        /**
 * 初始化录音
  */
  public void initRecorder(){
            minBufferSize = AudioRecord.getMinBufferSize(sampleRateInHz, channelConfig, audioFormat);
  mAudioRecord = new AudioRecord(MediaRecorder.AudioSource.DEFAULT, sampleRateInHz, channelConfig, audioFormat, minBufferSize);
 if (mAudioRecord.getState() != AudioRecord.STATE_INITIALIZED) {
                isRecording = false;
 return;  }
        }

        /**
 * 释放资源
  */
  public void release() {
            if (mAudioRecord != null && mAudioRecord.getState() == AudioRecord.STATE_INITIALIZED) {
                mAudioRecord.stop();
  }
        }

        /**
 * 开始录音
  */
  public void startRecording(){
            if (mAudioRecord == null){
                return;
  }

            mAudioRecord.startRecording();
 while (isRecording) {
                AudioDate audioDate = new AudioDate();
  audioDate.buffer = ByteBuffer.allocateDirect(minBufferSize);
  audioDate.size = mAudioRecord.read(audioDate.buffer, minBufferSize);
 try {
                    if (queue != null) {
                        queue.put(audioDate);
  }
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
  }
            }
            release();
  }

        /**
 * 结束录音
  */
  public void stopRecording() {
            isRecording = false;
  }
    }

    /**
 * 音频编码线程
  */
  public class AudioEncorder extends Thread {

        private MediaCodec mEncorder;
 private Boolean isEncording = false;
 private int minBufferSize;

 private OutputStream mFileStream;

 public AudioEncorder() {
            isEncording = true;
  initEncorder();
  }

        @RequiresApi(api = Build.VERSION_CODES.LOLLIPOP)
        @Override
  public void run() {
            super.run();
  startEncording();
  }

        /**
 * 初始化编码器
  */
  private void initEncorder(){
            minBufferSize = AudioRecord.getMinBufferSize(sampleRateInHz, channelConfig, audioFormat);
 try {
                mEncorder = MediaCodec.createEncoderByType(MediaFormat.MIMETYPE_AUDIO_AAC);
  } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
  }
            MediaFormat format = MediaFormat.createAudioFormat(MediaFormat.MIMETYPE_AUDIO_AAC, sampleRateInHz, channelConfig);
  format.setString(MediaFormat.KEY_MIME, MediaFormat.MIMETYPE_AUDIO_AAC);
  format.setInteger(MediaFormat.KEY_AAC_PROFILE, MediaCodecInfo.CodecProfileLevel.AACObjectLC);
  format.setInteger(MediaFormat.KEY_BIT_RATE, 96000);
  format.setInteger(MediaFormat.KEY_MAX_INPUT_SIZE, minBufferSize * 2);
  mEncorder.configure(format, null, null, MediaCodec.CONFIGURE_FLAG_ENCODE);
  }

        /**
 * 开始编码
  */
  @RequiresApi(api = Build.VERSION_CODES.LOLLIPOP)
        public void startEncording(){
            if (mEncorder == null){
                return;
  }

            mEncorder.start();
 try {
                mFileStream = new FileOutputStream(getSDPath() + "/aac_encode.aac");
  MediaCodec.BufferInfo mBufferInfo = new MediaCodec.BufferInfo();
  AudioDate audioDate;
 while (isEncording) {
                    // 从队列中取出录音的一帧音频数据
  audioDate = getAudioDate();

 if (audioDate == null) {
                        continue;
  }

                    // 取出InputBuffer，填充音频数据，然后输送到编码器进行编码
  int inputBufferIndex = mEncorder.dequeueInputBuffer(0);
 if (inputBufferIndex >= 0) {
                        ByteBuffer inputBuffer = mEncorder.getInputBuffer(inputBufferIndex);
  inputBuffer.clear();
  inputBuffer.put(audioDate.buffer);
  mEncorder.queueInputBuffer(inputBufferIndex, 0, audioDate.size, System.nanoTime(), 0);
  }

                    // 取出编码好的一帧音频数据，然后给这一帧添加ADTS头
  int outputBufferIndex = mEncorder.dequeueOutputBuffer(mBufferInfo, 0);
 while (outputBufferIndex >= 0) {
                        int outBitsSize = mBufferInfo.size;
 int outPacketSize = outBitsSize + 7; // ADTS头部是7个字节
  ByteBuffer outputBuffer = mEncorder.getOutputBuffer(outputBufferIndex);
  outputBuffer.position(mBufferInfo.offset);
  outputBuffer.limit(mBufferInfo.offset + outBitsSize);

 byte[] outData = new byte[outPacketSize];
  addADTStoPacket(outData, outPacketSize);

  outputBuffer.get(outData, 7, outBitsSize);
  outputBuffer.position(mBufferInfo.offset);
  mFileStream.write(outData);
  mEncorder.releaseOutputBuffer(outputBufferIndex, false);
  outputBufferIndex = mEncorder.dequeueOutputBuffer(mBufferInfo, 0);
  }
                }
                release();
  } catch (FileNotFoundException e) {
                e.printStackTrace();
  } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
  }
        }

        /**
 * 停止编码
  */
  public void stopEncording() {
            isEncording = false;
  }

        /**
 * 从队列中取出一帧待编码的音频数据
  * @return
  */
  public AudioDate getAudioDate(){
            if (queue != null){
                try {
                    return queue.take();
  } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
  }
            }
            return null;
  }

        /**
 * 添加ADTS头
  * @param packet
  * @param packetLen
  */
  private void addADTStoPacket(byte[] packet, int packetLen) {
            int profile = 2; //AAC LC
  int freqIdx = 4; //44100 根据不同的采样率修改这个值
  int chanCfg = 2; //CPE
  packet[0] = (byte) 0xFF;
  packet[1] = (byte) 0xF9;
  packet[2] = (byte) (((profile - 1) << 6) + (freqIdx << 2) + (chanCfg >> 2));
  packet[3] = (byte) (((chanCfg & 3) << 6) + (packetLen >> 11));
  packet[4] = (byte) ((packetLen & 0x7FF) >> 3);
  packet[5] = (byte) (((packetLen & 7) << 5) + 0x1F);
  packet[6] = (byte) 0xFC;
  }

        /**
 * 释放资源
  */
  public void release() {
            if (mFileStream != null) {
                try {
                    mFileStream.flush();
  mFileStream.close();
  } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
  }
            }
            if (mEncorder != null) {
                mEncorder.stop();
  }
        }
    }

    public String getSDPath() {
        // 判断是否挂载
  if (Environment.getExternalStorageState().equals(Environment.MEDIA_MOUNTED)) {
            return Environment.getExternalStorageDirectory().getAbsolutePath();
  }
        return Environment.getRootDirectory().getAbsolutePath();
  }

    public void checkRecordPermission() {
        if (ActivityCompat.checkSelfPermission(this, Manifest.permission.RECORD_AUDIO) != PackageManager.PERMISSION_GRANTED) {
            ActivityCompat.requestPermissions(this, MICROPHONE, 1);
 return;  }
        if (ActivityCompat.checkSelfPermission(this, Manifest.permission.WRITE_EXTERNAL_STORAGE) != PackageManager.PERMISSION_GRANTED) {
            ActivityCompat.requestPermissions(this, STORAGE, 1);
 return;  }
    }

}
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  • MyBatis

    MyBatis 本是 Apache 软件基金会 的一个开源项目 iBatis，2010 年这个项目由 Apache 软件基金会迁移到了 google code，并且改名为 MyBatis ，2013 年 11 月再次迁移到了 GitHub。

    170 引用 • 414 回帖 • 403 关注
  • Hadoop

    Hadoop 是由 Apache 基金会所开发的一个分布式系统基础架构。用户可以在不了解分布式底层细节的情况下，开发分布式程序。充分利用集群的威力进行高速运算和存储。

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  • 资讯

    资讯是用户因为及时地获得它并利用它而能够在相对短的时间内给自己带来价值的信息，资讯有时效性和地域性。

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  • SMTP

    SMTP（Simple Mail Transfer Protocol）即简单邮件传输协议，它是一组用于由源地址到目的地址传送邮件的规则，由它来控制信件的中转方式。SMTP 协议属于 TCP/IP 协议簇，它帮助每台计算机在发送或中转信件时找到下一个目的地。

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  • MongoDB

    MongoDB（来自于英文单词“Humongous”，中文含义为“庞大”）是一个基于分布式文件存储的数据库，由 C++ 语言编写。旨在为应用提供可扩展的高性能数据存储解决方案。MongoDB 是一个介于关系数据库和非关系数据库之间的产品，是非关系数据库当中功能最丰富，最像关系数据库的。它支持的数据结构非常松散，是类似 JSON 的 BSON 格式，因此可以存储比较复杂的数据类型。

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  • Spark

    Spark 是 UC Berkeley AMP lab 所开源的类 Hadoop MapReduce 的通用并行框架。Spark 拥有 Hadoop MapReduce 所具有的优点；但不同于 MapReduce 的是 Job 中间输出结果可以保存在内存中，从而不再需要读写 HDFS，因此 Spark 能更好地适用于数据挖掘与机器学习等需要迭代的 MapReduce 的算法。

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  • Docker

    Docker 是一个开源的应用容器引擎，让开发者可以打包他们的应用以及依赖包到一个可移植的容器中，然后发布到任何流行的操作系统上。容器完全使用沙箱机制，几乎没有性能开销，可以很容易地在机器和数据中心中运行。

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  • 创造

    你创造的作品可能会帮助到很多人，如果是开源项目的话就更赞了！

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  • 学习

    “梦想从学习开始，事业从实践起步” —— 习近平

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  • InfluxDB

    InfluxDB 是一个开源的没有外部依赖的时间序列数据库。适用于记录度量，事件及实时分析。

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  • 生活

    生活是指人类生存过程中的各项活动的总和，范畴较广，一般指为幸福的意义而存在。生活实际上是对人生的一种诠释。生活包括人类在社会中与自己息息相关的日常活动和心理影射。

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  • Rust

    Rust 是一门赋予每个人构建可靠且高效软件能力的语言。Rust 由 Mozilla 开发，最早发布于 2014 年 9 月。

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  • OkHttp

    OkHttp 是一款 HTTP & HTTP/2 客户端库，专为 Android 和 Java 应用打造。

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  • 尊园地产

    昆明尊园房地产经纪有限公司，即：Kunming Zunyuan Property Agency Company Limited（简称“尊园地产”）于 2007 年 6 月开始筹备，2007 年 8 月 18 日正式成立，注册资本 200 万元，公司性质为股份经纪有限公司，主营业务为：代租、代售、代办产权过户、办理银行按揭、担保、抵押、评估等。

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  • 强迫症

    强迫症（OCD）属于焦虑障碍的一种类型，是一组以强迫思维和强迫行为为主要临床表现的神经精神疾病，其特点为有意识的强迫和反强迫并存，一些毫无意义、甚至违背自己意愿的想法或冲动反反复复侵入患者的日常生活。

    15 引用 • 161 回帖
  • CSS

    CSS（Cascading Style Sheet）“层叠样式表”是用于控制网页样式并允许将样式信息与网页内容分离的一种标记性语言。

    184 引用 • 461 回帖 • 1 关注
  • Java

    Java 是一种可以撰写跨平台应用软件的面向对象的程序设计语言，是由 Sun Microsystems 公司于 1995 年 5 月推出的。Java 技术具有卓越的通用性、高效性、平台移植性和安全性。

    3169 引用 • 8208 回帖
  • 酷鸟浏览器

    安全 · 稳定 · 快速
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    3 引用 • 59 回帖 • 19 关注
  • Openfire

    Openfire 是开源的、基于可拓展通讯和表示协议 (XMPP)、采用 Java 编程语言开发的实时协作服务器。Openfire 的效率很高，单台服务器可支持上万并发用户。

    6 引用 • 7 回帖 • 96 关注
  • Q&A

    提问之前请先看《提问的智慧》，好的问题比好的答案更有价值。

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