Android音量系统分析
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最近在处理一个蓝牙设备播放没有声音问题时，发现是设置音量的问题，顺便学习了一下Android系统的音量构架原理及设置方法。这里主要参考了rinswindqin同学写的有关音频及音量分析的文章，加了一些自己的理解及源代码分析。下面以Android 6.0为例来说明。
一、音频流、音频设备、音量三角关系
要了解Android系统的音量构架原理，我们先要了解一下Android系统的音频流有哪些。下面是在AudioSystem.java中定义的音频流格式：
int STREAM_VOICE_CALL = 0; 电话
int STREAM_SYSTEM = 1; 系统
int STREAM_RING = 2; 响铃和消息
int STREAM_MUSIC = 3; 音乐
int STREAM_ALARM = 4; 闹钟
int STREAM_NOTIFICATION = 5; 通知
int STREAM_BLUETOOTH_SCO = 6; 蓝牙
int STREAM_SYSTEM_ENFORCED = 7; 强制系统声音
int STREAM_DTMF = 8; 双音多频
int STREAM_TTS = 9; 语音 总共10种音频流，因Android版本不同可能存在差异。在AudioManager.java中也定义了，但它是引用了AudioSystem.java的定义。
音量与音频流是息息相关的。每种音频流至少对应一种音量，当然也可以多种音频流对应一种音量。在AudioService.java中定义了这种对应关系，具体如下：
private final int[] STREAM_VOLUME_ALIAS_VOICE = new int[] {
// STREAM_VOICE_CALL
AudioSystem.STREAM_VOICE_CALL,
// STREAM_SYSTEM
AudioSystem.STREAM_RING,
// STREAM_RING
AudioSystem.STREAM_RING,
// STREAM_MUSIC
AudioSystem.STREAM_MUSIC,
// STREAM_ALARM
AudioSystem.STREAM_ALARM,
// STREAM_NOTIFICATION
AudioSystem.STREAM_RING,
// STREAM_BLUETOOTH_SCO
AudioSystem.STREAM_BLUETOOTH_SCO,
// STREAM_SYSTEM_ENFORCED
AudioSystem.STREAM_RING,
// STREAM_DTMF
AudioSystem.STREAM_RING,
// STREAM_TTS
AudioSystem.STREAM_MUSIC
};从上面定义可以看到系统音频流，响铃与消息音频流，通知音频流，强制声音音频流，DTMF这五种音频流共用一个音量，音乐与语音是共用一个音量。上面这个定义是用于通话的Android平台上的(比如手机)，Android还定义了两种，分别用在电视或者机顶盒上的定义：
private final int[] STREAM_VOLUME_ALIAS_TELEVISION = new int[] {
// STREAM_VOICE_CALL
AudioSystem.STREAM_MUSIC,
// STREAM_SYSTEM
AudioSystem.STREAM_MUSIC,
// STREAM_RING
AudioSystem.STREAM_MUSIC,
// STREAM_MUSIC
AudioSystem.STREAM_MUSIC,
// STREAM_ALARM
AudioSystem.STREAM_MUSIC,
// STREAM_NOTIFICATION
AudioSystem.STREAM_MUSIC,
// STREAM_BLUETOOTH_SCO
AudioSystem.STREAM_MUSIC,
// STREAM_SYSTEM_ENFORCED
AudioSystem.STREAM_MUSIC,
// STREAM_DTMF
AudioSystem.STREAM_MUSIC,
// STREAM_TTS
AudioSystem.STREAM_MUSIC
};和是其它设备的定义：
private final int[] STREAM_VOLUME_ALIAS_DEFAULT = new int[] {
// STREAM_VOICE_CALL
AudioSystem.STREAM_VOICE_CALL,
// STREAM_SYSTEM
AudioSystem.STREAM_RING,
// STREAM_RING
AudioSystem.STREAM_RING,
// STREAM_MUSIC
AudioSystem.STREAM_MUSIC,
// STREAM_ALARM
AudioSystem.STREAM_ALARM,
// STREAM_NOTIFICATION
AudioSystem.STREAM_RING,
// STREAM_BLUETOOTH_SCO
AudioSystem.STREAM_BLUETOOTH_SCO,
// STREAM_SYSTEM_ENFORCED
AudioSystem.STREAM_RING,
// STREAM_DTMF
AudioSystem.STREAM_RING,
// STREAM_TTS
AudioSystem.STREAM_MUSIC
};系统通过mStreamVolumeAlias来存储当前是那种平台。
我们知道在使用手机扬声器播放音乐时调整音量后，如果插入耳机，从耳机听到的音量并没有变化。在Android系统中，定义了一系统输入和输出设备，针对每个输入与输出设备的音量也是不一样的。下面是Android系统在audio.h定义的部份音频设备。
输出设备：
AUDIO_DEVICE_OUT_EARPIECE = 0x1,// 听筒
AUDIO_DEVICE_OUT_SPEAKER = 0x2,// 扬声器
AUDIO_DEVICE_OUT_WIRED_HEADSET = 0x4,//线控耳机
AUDIO_DEVICE_OUT_WIRED_HEADPHONE = 0x8,//普通耳机
AUDIO_DEVICE_OUT_BLUETOOTH_SCO = 0x10,//单声道蓝牙耳机
AUDIO_DEVICE_OUT_BLUETOOTH_SCO_HEADSET = 0x20,//蓝牙电话
AUDIO_DEVICE_OUT_BLUETOOTH_SCO_CARKIT = 0x40, //车载免提蓝牙设备
AUDIO_DEVICE_OUT_BLUETOOTH_A2DP = 0x80, //立体声蓝牙耳机输入设备，比如：
AUDIO_DEVICE_IN_BUILTIN_MIC = AUDIO_DEVICE_BIT_IN | 0x4, //手机自带MIC
AUDIO_DEVICE_IN_VOICE_CALL = AUDIO_DEVICE_BIT_IN| 0x40,//电话MIC可以说每个音频流对应到每种设备都有一个音量。比如，对于同一个STREAM_MUSIC流，对扬声器和耳机的音量是分开存储的。不考虑相同的情况，音量个数=音频流*音频设备。
二、音量的缓存与持久化
音量的缓存是通过AudioService.java的内部类VolumeStreamState来设置。mStreamType属性指示哪个音频流，通过定义：
private final SparseIntArray mIndexMap = new SparseIntArray(8); 按照device = index的键值对，每个元素对应一个设备的音量，将用于播放这种音频流的设备的音量保存在其中。
在AudioService中定义了所有音频流及所对应的设备的音量，具体如下：
private VolumeStreamState[] mStreamStates; 我们在使用手机调整音量后，关机后再开机，发现音量是我们最后调整的音量。那么这说明音量已经持久化了。音量的持久化在Android 6.0以前是保存到设置数据库setting.db的System表中，具体如下：
上图中后缀为headset的就是耳机相关音量，比如：耳机铃声音量，耳机MIC音量。
在Android 6.0及以后的版本为了加快响应速度，采用了xml的形式来存储的。
在用户做音量调整时，会保存到数据库或者xml中以实现音量的持久化。如果Android系统没有使用过音量，音量的初始值是什么呢？在AudioSystem.java中定义了各种音频流的默认音量，如下：
public static int[] DEFAULT_STREAM_VOLUME = new int[] {
4, // STREAM_VOICE_CALL
7, // STREAM_SYSTEM
5, // STREAM_RING
11, // STREAM_MUSIC
6, // STREAM_ALARM
5, // STREAM_NOTIFICATION
7, // STREAM_BLUETOOTH_SCO
7, // STREAM_SYSTEM_ENFORCED
11, // STREAM_DTMF
11 // STREAM_TTS
};同样在AudioService.java中定义了每种流的最大音量与最小音量：
/** Maximum volume index values for audio streams */
private static int[] MAX_STREAM_VOLUME = new int[] {
5, // STREAM_VOICE_CALL
7, // STREAM_SYSTEM
7, // STREAM_RING
15, // STREAM_MUSIC
7, // STREAM_ALARM
7, // STREAM_NOTIFICATION
15, // STREAM_BLUETOOTH_SCO
7, // STREAM_SYSTEM_ENFORCED
15, // STREAM_DTMF
15 // STREAM_TTS
};
/** Minimum volume index values for audio streams */
private static int[] MIN_STREAM_VOLUME = new int[] {
1, // STREAM_VOICE_CALL
0, // STREAM_SYSTEM
0, // STREAM_RING
0, // STREAM_MUSIC
0, // STREAM_ALARM
0, // STREAM_NOTIFICATION
1, // STREAM_BLUETOOTH_SCO
0, // STREAM_SYSTEM_ENFORCED
0, // STREAM_DTMF
0 // STREAM_TTS
};通过以上两个数组来控制各种流音量的最大最小值。
三、音量的设置流程
设置音量通常有以下方法：
通过AudioManager来设置
通过AudioTrack/MediaPlayer来设置
1.通过AudioManager来设置
我们先看一下AudioManager音量的设置过程
图3.1AudioManager音量设置流程
AudioManager只是一个轻量级的封装类，由Context创建，工作在APK进程中，通过IBinder的机制，负责与JAVA层的音频服务AudioService进行交互。
AudioManager类提供了setStreamVolume方法来对一种stream type对应的音量进行设置：
public void setStreamVolume(int streamType, int index, int flags) {
IAudioService service = getService();
try {
service.setStreamVolume(streamType, index, flags, getContext().getOpPackageName());
} catch (RemoteException e) {
Log.e(TAG, "Dead object in setStreamVolume", e);
}
} 从代码中可以看出，setStreamVolume就是通过IPC调用AudioService的方法，用一个类图来表示AudioManager和AudioService的关系：
图3.2 AudioManager & AudioService
AudioManager通过代理对象访问工作在SystemServer中的AudioService服务，调用其setStreamVolume方法来设置音量。
上面说过AudioService通过VolumeStreamState来缓存各种音频流的音量，并且通过mStreamStates来记录各种音频流的音量。设置音量最终是通过 VolumeStreamState. applyDeviceVolume_syncVSS函数调用AudioSystem.setStreamVolumeIndex函数来传入device类型、音量index以及stream类型，告知音频系统，“使用这种device播放这种stream类型的音频播放操作，都将使用这个音量index”。代码如下:
status_t AudioSystem::setStreamVolumeIndex(audio_stream_type_t stream,
int index,
audio_devices_t device)
{
const sp& aps = AudioSystem::get_audio_policy_service();
if (aps == 0) return PERMISSION_DENIED;
return aps->setStreamVolumeIndex(stream, index, device);
} AudioSystem主要对AudioPolicyService进行了封装，所以接下来的操作都是由AudioPolicyService来完成的。
setStreamVolumeIndex是AudioSystem通过IBinder调用了AudioPolicyService的setStreamVolumeIndex函数，AudioPolicyService继承了AudioPolicyClientInterface类，他有一个AudioPolicyInterface类的成员指针mpPolicyManager，实际上就是指向了AudioPolicyManager，最终是调用了AudioPolicyManager的setStreamVolumeIndex函数。（实际上AudioPolicyService是通过成员指针mpPolicyManager访问AudioPolicyManager，而AudioPolicyManager则通过AudioPolicyClientInterface（mpClientInterface）访问AudioPolicyService）。
AudioPolicyManager调用setStreamVolumeIndex后会引发AudioPolicyService执行一个SET_VOLUME的CommandThread,在这个CommandThread中调用了AudioSystem的静态方法setStreamVolume,具体如下:
status_t AudioSystem::setStreamVolume(audio_stream_type_t stream, float value,
audio_io_handle_t output)
{
if (uint32_t(stream) >= AUDIO_STREAM_CNT) return BAD_VALUE;
const sp& af = AudioSystem::get_audio_flinger();
if (af == 0) return PERMISSION_DENIED;
af->setStreamVolume(stream, value, output);
return NO_ERROR;
} 在这个函数里调用了AudioFlinger的setStreamVolume。在AudioFlinger的setStreamVolume中调用了PlaybackThread的setStreamVolume.
AudioFlinger通过checkPlaybachTread方法，通过AudioPolicy传入IO句柄（audio_io_handle_t)，来定位到具体的PlaybackThread，调用其setStreamVolume方法，这个方法将音量值缓存到stream对应的stream_type_t对象中，这样，PlaybackThread便知道每种stream对应的音量了。具体如下:
status_t AudioFlinger::setStreamVolume(audio_stream_type_t stream, float value,
audio_io_handle_t output)
{
......
if (thread == NULL) {
for (size_t i = 0; i < mPlaybackThreads.size(); i++) {
mPlaybackThreads.valueAt(i)->setStreamVolume(stream, value);
}
} else {
thread->setStreamVolume(stream, value);
}
return NO_ERROR;
}
在PlaybackThread的setStreamVolume中只是保存当前音量值，然后发送通知在输出音频时按新的音量计算。
2. 通过AudioTrack/MediaPlayer来设置
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在创建时会注册到AudioFlinger中，AudioFlinger在AudioPolicy的辅助下，为每个AudioTrack对象建立与某个具体的工作线程的对应关系，并通知这个工作线程创建了一个Track对象与这个AudioTrack进行对应。由AudioFlinger把所有的AudioTrack进行混合（Mixer），然后输送到AudioHardware中进行播放。最多可以创建32个音频流。
AudioMixer进行混音的时候，需要知道每个Track播放音频的音量，这个音量是由stream音量、master音量和track音量相乘出来的，stream音量就是AudioPolicy设置进来的，master volume由用户设置，track volume由调用者通过AudioTrack.setVolume来设置。AudioTrack.setVolume所设置的track volume，是一个取值为0~1.0的浮点数
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。
AudioTrack通过setVolume设置音量后，会记录入共享内存中，然后由AudioFlinger去读取。
四、小结
整个Android音量设置还是比较复杂，其中包括持久化及各个模块的缓存及同步更新。所涉及到的音频系统子模块包括AudioService、AudioPolicy和AudioFlinger，每个子模块都用各自的数据结构缓存了stream音量，持久化在设置数据库的system表中或者XML中。