Android Audio System 之一：AudioTrack如何与AudioFlinger交换音频数据
引子
Android Framework的音频子系统中，每一个音频流对应着一个AudioTrack类的一个实例，每个AudioTrack会在创建时注册到AudioFlinger中，由AudioFlinger把所有的AudioTrack进行混合（Mixer），然后输送到AudioHardware中进行播放，目前Android的Froyo版本设定了同时最多可以创建32个音频流，也就是说，Mixer最多会同时处理32个AudioTrack的数据流。
如何使用AudioTrack
AudioTrack的主要代码位于 frameworks/base/media/libmedia/audiotrack.cpp中。现在先通过一个例子来了解一下如何使用AudioTrack，ToneGenerator是android中产生电话拨号音和其他音调波形的一个实现，我们就以它为例子：
ToneGenerator的初始化函数：
1. bool ToneGenerator::initAudioTrack() {
2. // Open audio track in mono, PCM 16bit, default sampling rate, default buffer size
3. mpAudioTrack = new AudioTrack();
4. mpAudioTrack->set(mStreamType,
5. 0,
6. AudioSystem::PCM_16_BIT,
7. AudioSystem::CHANNEL_OUT_MONO,
8. 0,
9. 0,
10. audioCallback,
11. this,
12. 0,
13. 0,
14. mThreadCanCallJava);
15. if (mpAudioTrack->initCheck() != NO_ERROR) {
16. LOGE("AudioTrack->initCheck failed");
17. goto initAudioTrack_exit;
18. }
19. mpAudioTrack->setVolume(mVolume, mVolume);
20. mState = TONE_INIT;
21. ......
22. }
可见，创建步骤很简单，先new一个AudioTrack的实例，然后调用set成员函数完成参数的设置并注册到AudioFlinger中，然后可以调用其他诸如设置音量等函数进一步设置音频参数。其中，一个重要的参数是audioCallback，audioCallback是一个回调函数，负责响应AudioTrack的通知，例如填充数据、循环播放、播放位置触发等等。回调函数的写法通常像这样：
1. void ToneGenerator::audioCallback(int event, void*
user, void *info) {
2. if (event !=
AudioTrack::EVENT_MORE_DATA) return;
3. AudioTrack::Buffer *buffer = static_cast<AudioTrack::Buffer *>(info);
4. ToneGenerator *lpToneGen = static_cast<ToneGenerator *>(user);
5. short *lpOut = buffer->i16;
6. unsigned int lNumSmp = buffer->size/sizeof(short);
7. const ToneDescriptor *lpToneDesc = lpToneGen->mpToneDesc;
8. if (buffer->size == 0) return;
9.
10. // Clear output buffer: WaveGenerator accumulates into lpOut buffer
11. memset(lpOut, 0, buffer->size);
12. ......
13. // 以下是产生音调数据的代码，略....
14. }
该函数首先判断事件的类型是否是EVENT_MORE_DATA，如果是，则后续的代码会填充相应的音频数据后返回，当然你可以处理其他事件，以下是可用的事件类型：
1. enum event_type {
2. EVENT_MORE_DATA = 0, // Request to write more data to PCM buffer.
3. EVENT_UNDERRUN = 1, // PCM buffer underrun occured.
4. EVENT_LOOP_END = 2, // Sample loop end was reached; playback restarted from loop start if loop count was not 0.
5. EVENT_MARKER = 3, // Playback head is at the specified marker position (See setMarkerPosition()).
6. EVENT_NEW_POS = 4, // Playback head is at a new position (See setPositionUpdatePeriod()).
7. EVENT_BUFFER_END = 5 // Playback head is at the end of the buffer.
8. };
开始播放：
1. mpAudioTrack->start();
停止播放：
1. mpAudioTrack->stop();
只要简单地调用成员函数start()和stop()即可。
AudioTrack和AudioFlinger的通信机制
通常，AudioTrack和AudioFlinger并不在同一个进程中，它们通过android中的binder机制建立联系。
AudioFlinger是android中的一个service，在android启动时就已经被加载。下面这张图展示了他们两个的关系：
图一 AudioTrack和AudioFlinger的关系
我们可以这样理解这张图的含义：
· audio_track_cblk_t实现了一个环形FIFO；
· AudioTrack是FIFO的数据生产者；
· AudioFlinger是FIFO的数据消费者。
建立联系的过程
下面的序列图展示了AudioTrack和AudioFlinger建立联系的过程：
图二 AudioTrack和AudioFlinger建立联系
解释一下过程：
· Framework或者Java层通过JNI，new AudioTrack();
· 根据StreamType等参数，通过一系列的调用getOutput();
· 如有必要，AudioFlinger根据StreamType打开不同硬件设备;
· AudioFlinger为该输出设备创建混音线程： MixerThread()，并把该线程的id作为getOutput()的返回值返回给AudioTrack;
· AudioTrack通过binder机制调用AudioFlinger的createTrack();
· AudioFlinger注册该AudioTrack到MixerThread中；
· AudioFlinger创建一个用于控制的TrackHandle，并以IAudioTrack这一接口作为createTrack()的返回值；
· AudioTrack通过IAudioTrack接口，得到在AudioFlinger中创建的FIFO(audio_track_cblk_t);
· AudioTrack创建自己的监控线程：AudioTrackThread；
自此，AudioTrack建立了和AudioFlinger的全部联系工作，接下来，AudioTrack可以：
· 通过IAudioTrack接口控制该音轨的状态，例如start,stop,pause等等；
· 通过对FIFO的写入，实现连续的音频播放；
· 监控线程监控事件的发生，并通过audioCallback回调函数与用户程序进行交互；
FIFO的管理
audio_track_cblk_t
audio_track_cblk_t这个结构是FIFO实现的关键，该结构是在createTrack的时候，由AudioFlinger申请相应的内存，然后通过IMemory接口返回AudioTrack的，这样AudioTrack和AudioFlinger管理着同一个audio_track_cblk_t，通过它实现了环形FIFO，AudioTrack向FIFO中写入音频数据，AudioFlinger从FIFO中读取音频数据，经Mixer后送给AudioHardware进行播放。
audio_track_cblk_t的主要数据成员：
user -- AudioTrack当前的写位置的偏移
userBase -- AudioTrack写偏移的基准位置，结合user的值方可确定真实的FIFO地址指针
server -- AudioFlinger当前的读位置的偏移
serverBase -- AudioFlinger读偏移的基准位置，结合server的值方可确定真实的FIFO地址指针
frameCount -- FIFO的大小，以音频数据的帧为单位，16bit的音频每帧的大小是2字节
buffers -- 指向FIFO的起始地址
out -- 音频流的方向，对于AudioTrack，out=1，对于AudioRecord，out=0
audio_track_cblk_t的主要成员函数：
framesAvailable_l()和framesAvailable()用于获取FIFO中可写的空闲空间的大小，只是加锁和不加锁的区别。
1. uint32_t audio_track_cblk_t::framesAvailable_l()
2. {
3. uint32_t u = this->user;
4. uint32_t s = this->server;
5. if (out)
{
6. uint32_t limit = (s < loopStart) ? s : loopStart;
7. return limit + frameCount - u;
8. } else {
9. return frameCount + u - s;
10. }
11. }
framesReady()用于获取FIFO中可读取的空间大小。
1. uint32_t audio_track_cblk_t::framesReady()
2. {
3. uint32_t u = this->user;
4. uint32_t s = this->server;
5. if (out)
{
6. if (u < loopEnd) {
7. return u - s;
8. } else {
9. Mutex::Autolock _l(lock);
10. if (loopCount >= 0) {
11. return (loopEnd - loopStart)*loopCount + u - s;
12. } else {
13. return UINT_MAX;
14. }
15. }
16. } else {
17. return s - u;
18. }
19. }
我们看看下面的示意图：
_____________________________________________
^ ^ ^ ^
buffer_start server(s) user(u) buffer_end
很明显，frameReady = u - s，frameAvalible = frameCount - frameReady = frameCount - u + s
可能有人会问，应为这是一个环形的buffer，一旦user越过了buffer_end以后，应该会发生下面的情况：
_____________________________________________
^ ^ ^ ^
buffer_start user(u) server(s) buffer_end
这时候u在s的前面，用上面的公式计算就会错误，但是android使用了一些技巧，保证了上述公式一直成立。我们先看完下面三个函数的代码再分析：
1. uint32_t audio_track_cblk_t::stepUser(uint32_t frameCount)
2. {
3. uint32_t u = this->user;
4. u += frameCount;
5. ......
6. if (u >= userBase + this->frameCount)
{
7. userBase += this->frameCount;
8. }
9. this->user = u;
10. ......
11. return u;
12. }
1. bool audio_track_cblk_t::stepServer(uint32_t frameCount)
2. {
3. // the code below simulates lock-with-timeout
4. // we MUST do this to protect the AudioFlinger server
5. // as this lock is shared with the client.
6. status_t err;
7. err = lock.tryLock();
8. if (err == -EBUSY) { // just wait a bit
9. usleep(1000);
10. err = lock.tryLock();
11. }
12. if (err != NO_ERROR) {
13. // probably, the client just died.
14. return false;
15. }
16. uint32_t s = this->server;
17. s += frameCount;
18. // 省略部分代码
19. // ......
20. if (s >= serverBase + this->frameCount)
{
21. serverBase += this->frameCount;
22. }
23. this->server = s;
24. cv.signal();
25. lock.unlock();
26. return true;
27. }
1. void* audio_track_cblk_t::buffer(uint32_t offset) const
2. {
3. return (int8_t *)this->buffers
+ (offset - userBase) * this->frameSize;
4. }
stepUser()和stepServer的作用是调整当前偏移的位置，可以看到，他们仅仅是把成员变量user或server的值加上需要移动的数量，user和server的值并不考虑FIFO的边界问题，随着数据的不停写入和读出，user和server的值不断增加，只要处理得当，user总是出现在server的后面，因此frameAvalible()和frameReady()中的算法才会一直成立。根据这种算法，user和server的值都可能大于FIFO的大小：framCount，那么，如何确定真正的写指针的位置呢？这里需要用到userBase这一成员变量，在stepUser()中，每当user的值越过(userBase+frameCount)，userBase就会增加frameCount，这样，映射到FIFO中的偏移总是可以通过(user-userBase)获得。因此，获得当前FIFO的写地址指针可以通过成员函数buffer()返回：
p = mClbk->buffer(mclbk->user);
在AudioTrack中，封装了两个函数：obtainBuffer()和releaseBuffer()操作FIFO，obtainBuffer()获得当前可写的数量和写指针的位置，releaseBuffer()则在写入数据后被调用，它其实就是简单地调用stepUser()来调整偏移的位置。
IMemory接口
在createTrack的过程中，AudioFlinger会根据传入的frameCount参数，申请一块内存，AudioTrack可以通过IAudioTrack接口的getCblk()函数获得指向该内存块的IMemory接口，然后AudioTrack通过该IMemory接口的pointer()函数获得指向该内存块的指针，这块内存的开始部分就是audio_track_cblk_t结构，紧接着是大小为frameSize的FIFO内存。
IMemory->pointer() ---->|_______________________________________________________
|__audio_track_cblk_t__|_______buffer of FIFO(size==frameCount)____|
看看AudioTrack的createTrack()的代码就明白了：
1. sp<IAudioTrack> track = audioFlinger->createTrack(getpid(),
2. streamType,
3. sampleRate,
4. format,
5. channelCount,
6. frameCount,
7. ((uint16_t)flags) << 16,
8. sharedBuffer,
9. output,
10. &status);
11. // 得到IMemory接口
12. sp<IMemory> cblk = track->getCblk();
13. mAudioTrack.clear();
14. mAudioTrack = track;
15. mCblkMemory.clear();
16. mCblkMemory = cblk;
17. // 得到audio_track_cblk_t结构
18. mCblk = static_cast<audio_track_cblk_t*>(cblk->pointer());
19. // 该FIFO用于输出
20. mCblk->out = 1;
21. // Update buffer size in case it has been limited by AudioFlinger during track creation
22. mFrameCount = mCblk->frameCount;
23. if (sharedBuffer == 0) {
24. // 给FIFO的起始地址赋值
25. mCblk->buffers = (char*)mCblk + sizeof(audio_track_cblk_t);
26. } else {
27. ..........
28. }
Android Audio System 之二：AudioFlinger
引言
AudioFlinger是Android音频系统的两大服务之一，另一个服务是AudioPolicyService，这两大服务都在系统启动时有MediaSever加载，加载的代码位于：frameworks/base/media/mediaserver/main_mediaserver.cpp。AudioPolicyService的相关内容请参考另一编文章：《Android Audio System 之三： AudioPolicyService 和 AudioPolicyManager 》
http://blog.csdn.net/DroidPhone/archive/2010/10/18/5949280.aspx
本文主要介绍AudioFlinger，AudioFlinger向下访问AudioHardware，实现输出音频数据，控制音频参数。同时，AudioFlinger向上通过IAudioFinger接口提供服务。所以，AudioFlinger在Android的音频系统框架中起着承上启下的作用，地位相当重要。AudioFlinger的相关代码主要在：frameworks/base/libs/audioflinger，也有部分相关的代码在frameworks/base/media/libmedia里。
AudioFlinger的类结构
下面的图示描述了AudioFlinger类的内部结构和关系：
图一 AudioFlinger的类结构
不知道各位是否和我一样，第一次看到AudioFlinger类的定义的时候都很郁闷--这个类实在是庞大和臃肿，可是当你理清他的关系以后，你会觉得相当合理。下面我们一一展开讨论。
· IAudioFlinger接口
这是AudioFlinger向外提供服务的接口，例如openOutput，openInput，createTrack，openRecord等等，应用程序或者其他service通过ServiceManager可以获得该接口。该接口通过继承BnAudioFlinger得到。
· ThreadBase
在AudioFlinger中，Android为每一个放音/录音设备均创建一个处理线程，负责音频数据的I/O和合成，ThreadBase是这些线程的基类，所有的播放和录音线程都派生自ThreadBase
· TrackBase
应用程序每创建一个音轨（AudioTrack/AudioRecord），在AudioFlinger中都会创建一个对应的Track实例，TrackBase就是这些Track的基类，他的派生类有：
·
· PlaybackTread::Track // 用于普通播放，对应于应用层的AudioTrack
· PlaybackThread::OutputTrack // 用于多重设备输出，当蓝牙播放开启时使用
· RecordThread::RecordTrack // 用于录音，对应于应用层的AudioRecord
· 播放
默认的播放线程是MixerThread，它由AudioPolicyManager创建，在AudioPolicyManager的构造函数中，有以下代码：
1. mHardwareOutput = mpClientInterface->openOutput(&outputDesc->mDevice,
2. &outputDesc->mSamplingRate,
3. &outputDesc->mFormat,
4. &outputDesc->mChannels,
5. &outputDesc->mLatency,
6. outputDesc->mFlags);
最终会进入AudioFlinger的openOut函数：
1. ......
2. thread = new MixerThread(this,
output, ++mNextThreadId);
3. ......
4. mPlaybackThreads.add(mNextThreadId, thread);
5. ......
6. return mNextThreadId;
可以看到，创建好的线程会把该线程和它的Id保存在AudioFlinger的成员变量mPlaybackThreads中，mPlaybackThreads是一个Vector，AudioFlinger创建的线程都会保存在里面，最后，openOutput返回该线程的Id，该Id也就是所谓的audio_io_handle_t，AudioFlinger的调用者这能看到这个audio_io_handle_t，当需要访问时传入该audio_io_handle_t，AudioFlinger会通过mPlaybackThreads，得到该线程的指针。
要播放声音，应用程序首先要通过IAudioFlinger接口，调用createTrack()，关于createTrack的流程，可以参看我的另一篇文章：
http://blog.csdn.net/DroidPhone/archive/2010/10/14/5941344.aspx
createTrack会调用PlaybackThread类的createTrack_l函数：
1. track = thread->createTrack_l(client, streamType, sampleRate, format,
2. channelCount, frameCount, sharedBuffer, &lStatus);
再跟入createTrack_l函数中，可以看到创建了PlaybackThread::Track类，然后加入播放线程的track列表mTracks中。
1. track = thread->createTrack_l(client, streamType, sampleRate, format,
2. channelCount, frameCount, sharedBuffer, &lStatus);
3. ......
4. mTracks.add(track);
在createTrack的最后，创建了TrackHandle类并返回，TrackHandle继承了IAudioTrack接口，以后，createTrack的调用者可以通过IAudioTrack接口与AudioFlinger中对应的Track实例交互。
1. trackHandle = new TrackHandle(track);
2. ......
3. return trackHandle;
最后，在系统运行时，AudioFlinger中的线程和Track的结构大致如下图所示：它会拥有多个工作线程，每个线程拥有多个Track。
图二 AudioFlinger的线程结构
播放线程实际上是MixerThread的一个实例，MixerThread的threadLoop()中，会把该线程中的各个Track进行混合，必要时还要进行ReSample(重采样)的动作，转换为统一的采样率（44.1K），然后通过音频系统的AudioHardware层输出音频数据。
· 录音
录音的流程和放音差不多，只不过数据流动的方向相反，录音线程变成RecordThread，Track变成了RecordTrack，openRecord返回RecordHandle，详细的暂且不表。
· DuplicatingThread
AudioFlinger中有一个特殊的线程类：DuplicatingThread，从图一可以知道，它是MixerThread的子类。当系统中有两个设备要同时输出时，DuplicatingThread将被创建，通过IAudioFlinger的openDuplicateOutput方法创建DuplicatingThread。
1. int AudioFlinger::openDuplicateOutput(int output1, int output2)
2. {
3. Mutex::Autolock _l(mLock);
4. MixerThread *thread1 = checkMixerThread_l(output1);
5. MixerThread *thread2 = checkMixerThread_l(output2);
6. ......
7. DuplicatingThread *thread = new DuplicatingThread(this,
thread1, ++mNextThreadId);
8. thread->addOutputTrack(thread2);
9. mPlaybackThreads.add(mNextThreadId, thread);
10. return mNextThreadId;
11. }
创建 DuplicatingThread时，传入2个需要同时输出的目标线程Id，openDuplicateOutput先从mPlaybackThreads中根据Id取得相应输出线程的实例，然后为每个线程创建一个虚拟的AudioTrack----OutputTrack，然后把这个虚拟的AudioTrack加入到目标线程的mTracks列表中，DuplicatingThread在它的threadLoop()中，把Mixer好的数据同时写入两个虚拟的OutputTrack中，因为这两个OutputTrack已经加入到目标线程的mTracks列