Audio Unit播放PCM文件

前言

最近对Audio Unit感兴趣，用几周的业余时间研究，顺利习得Audio Unit播放、录制声音，用AudioConvert转格式的技巧。
这是Audio Unit系列的第一篇，用Audio Unit播放PCM文件。
Audio Unit的知识点较多，围绕demo介绍如何使用Audio Unit。

正文

Audio Unit 是一个处理单元，Remote I/O Unit是较常用的一个Unit。
Audio Unit以pull的模式工作，output的unit在start的时候会从input bus加载samples；这个input bus可以是上一个unit，也可以是其他指定好格式的来源。每次加载，就是一次 rendering cycle。iOS不支持加载第三方的audio unit，只能加载iOS提供的unit。

demo中用到的是Remote I/O Unit，类型是kAudioUnitSubType_RemoteIO。
Remote I/O Unit在input和output的设备之间建立连接，用较低的延迟处理声音信息。从设备输入的hardware format音频流，转成application设置的format，处理完再以application的format传给输出的设备。
用苹果官方的一张图来解释：

image

图中Element 也叫 bus；
Element 0的有一半是对着扬声器，是output bus；Element 1有一半对着麦克风，是input bus；
音频流从输入域（input scope）输入， 从输出域（output scope）输出；

AudioUnit的属性中，最重要的是stream format，包括采样率、packet information和编码类型；AudioStreamBasicDescriptions (ASBD) 是CoreAudio通用的流结构描述文件。
比如说，以下是输出到扬声器的音频格式：

(AudioStreamBasicDescription) outputFormat = {
  mSampleRate = 0
  mFormatID = 1819304813
  mFormatFlags = 41
  mBytesPerPacket = 4
  mFramesPerPacket = 1
  mBytesPerFrame = 4
  mChannelsPerFrame = 2
  mBitsPerChannel = 32
  mReserved = 0
}

AudioUnitGetProperty 和 AudioUnitSetProperty 可以获取和设置AudioUnit属性；
AudioUnitGetPropertyInfo 用于在设置或者读取属性之前，获取属性可以修改的大小和是否可写，避免error的产生；
AudioUnitInitialize 是初始化AudioUnit，需要在设置好absd之后调用；初始化是一个耗时的操作，需要分配buffer、申请系统资源等；
kAudioUnitProperty_SetRenderCallback 用来设置回调，AURenderCallbackStruct是回调的结构体；

AudioBufferList是音频的缓存数据结构，具体如下：

struct AudioBufferList
{
    UInt32      mNumberBuffers;
    AudioBuffer mBuffers[1]; // this is a variable length array of mNumberBuffers elements
};

struct AudioBuffer
{
    UInt32              mNumberChannels;
    UInt32              mDataByteSize;
    void* __nullable    mData;
};

mNumberBuffers： AudioBuffer的数量
mBuffers：AudioBuffer的指针数组，数组长度等于mNumberBuffers
AudioBuffer：mNumberChannels是声道数，mDataByteSize是buffer大小，mData 音频数据的buffer

具体细节

1、设置AVAudioSession，因为demo只用到播放功能，故设置AVAudioSession为AVAudioSessionCategoryPlayback；

2、初始化AudioComponentDescription，然后再调用AudioComponentFindNext得到AudioComponent，最后调用AudioComponentInstanceNew初始化，得到AudioUnit；

3、初始化AudioBufferList，mNumberBuffers和mNumberChannels设置为1，需要注意的是mData，初始化mData的时候需要手动分配内存；

4、设置AudioUnit的output bus的输入格式（AudioStreamBasicDescription)

Sample Rate:              44100
Format ID:                 lpcm
Format Flags:                 4
Bytes per Packet:             2
Frames per Packet:            1
Bytes per Frame:              2
Channels per Frame:           1
Bits per Channel:            16

5、设置AudioUnit的回调函数，注意是OUTPUT_BUS的输入域的回调；调用AudioUnitInitialize初始化AudioUnit；

6、调用AudioOutputUnitStart开始，AudioUnit会调用之前设置的PlayCallback，在回调函数中把音频数据赋值给AudioBufferList；

总结

Demo地址在Github。
本文主要介绍AudioUnit如何播放声音，后续的两篇文章介绍AudioUnit的录音场景还有配合AudioConvert播放各种格式的文件。
Demo的代码逻辑已经经过精简，以较为简练的代码介绍使用AudioUnit的必需步骤。看似简单的功能，也是看了很多篇苹果官方的文档才明白。