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:

bool ToneGenerator::initAudioTrack() { // Open audio track in mono, PCM 16bit, default sampling rate, default buffer size mpAudioTrack = new AudioTrack(); mpAudioTrack->set(mStreamType, 0, AudioSystem::PCM_16_BIT, AudioSystem::CHANNEL_OUT_MONO, 0, 0, audioCallback, this, 0, 0, mThreadCanCallJava); if (mpAudioTrack->initCheck() != NO_ERROR) { LOGE("AudioTrack->initCheck failed"); goto initAudioTrack_exit; } mpAudioTrack->setVolume(mVolume, mVolume); mState = TONE_INIT; ...... }

 

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:

void ToneGenerator::audioCallback(int event, void* user, void *info) { if (event != AudioTrack::EVENT_MORE_DATA) return; AudioTrack::Buffer *buffer = static_cast(info); ToneGenerator *lpToneGen = static_cast(user); short *lpOut = buffer->i16; unsigned int lNumSmp = buffer->size/sizeof(short); const ToneDescriptor *lpToneDesc = lpToneGen->mpToneDesc; if (buffer->size == 0) return; // Clear output buffer: WaveGenerator accumulates into lpOut buffer memset(lpOut, 0, buffer->size); ...... // 以下是产生音调数据的代码,略.... }

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:

enum event_type { EVENT_MORE_DATA = 0, // Request to write more data to PCM buffer. EVENT_UNDERRUN = 1, // PCM buffer underrun occured. EVENT_LOOP_END = 2, // Sample loop end was reached; playback restarted from loop start if loop count was not 0. EVENT_MARKER = 3, // Playback head is at the specified marker position (See setMarkerPosition()). EVENT_NEW_POS = 4, // Playback head is at a new position (See setPositionUpdatePeriod()). EVENT_BUFFER_END = 5 // Playback head is at the end of the buffer. };

开始播放:

mpAudioTrack->start();

停止播放:

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:

Android Audio System 之一:AudioTrack如何与AudioFlinger交换音频数据_第1张图片

                                                                              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:

Android Audio System 之一:AudioTrack如何与AudioFlinger交换音频数据_第2张图片

                                                              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。

uint32_t audio_track_cblk_t::framesAvailable_l() { uint32_t u = this->user; uint32_t s = this->server; if (out) { uint32_t limit = (s < loopStart) ? s : loopStart; return limit + frameCount - u; } else { return frameCount + u - s; } }    

 

framesReady()用于获取FIFO中可读取的空间大小。

uint32_t audio_track_cblk_t::framesReady() { uint32_t u = this->user; uint32_t s = this->server; if (out) { if (u < loopEnd) { return u - s; } else { Mutex::Autolock _l(lock); if (loopCount >= 0) { return (loopEnd - loopStart)*loopCount + u - s; } else { return UINT_MAX; } } } else { return s - u; } }

 

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:

uint32_t audio_track_cblk_t::stepUser(uint32_t frameCount) { uint32_t u = this->user; u += frameCount; ...... if (u >= userBase + this->frameCount) { userBase += this->frameCount; } this->user = u; ...... return u; }

bool audio_track_cblk_t::stepServer(uint32_t frameCount) { // the code below simulates lock-with-timeout // we MUST do this to protect the AudioFlinger server // as this lock is shared with the client. status_t err; err = lock.tryLock(); if (err == -EBUSY) { // just wait a bit usleep(1000); err = lock.tryLock(); } if (err != NO_ERROR) { // probably, the client just died. return false; } uint32_t s = this->server; s += frameCount; // 省略部分代码 // ...... if (s >= serverBase + this->frameCount) { serverBase += this->frameCount; } this->server = s; cv.signal(); lock.unlock(); return true; }

void* audio_track_cblk_t::buffer(uint32_t offset) const { return (int8_t *)this->buffers + (offset - userBase) * this->frameSize; }

 

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:

sp track = audioFlinger->createTrack(getpid(), streamType, sampleRate, format, channelCount, frameCount, ((uint16_t)flags) << 16, sharedBuffer, output, &status); // 得到IMemory接口 sp cblk = track->getCblk(); mAudioTrack.clear(); mAudioTrack = track; mCblkMemory.clear(); mCblkMemory = cblk; // 得到audio_track_cblk_t结构 mCblk = static_cast(cblk->pointer()); // 该FIFO用于输出 mCblk->out = 1; // Update buffer size in case it has been limited by AudioFlinger during track creation mFrameCount = mCblk->frameCount; if (sharedBuffer == 0) { // 给FIFO的起始地址赋值 mCblk->buffers = (char*)mCblk + sizeof(audio_track_cblk_t); } else { .......... }

 

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