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<AudioTrack::Buffer *>(info); ToneGenerator *lpToneGen = static_cast<ToneGenerator *>(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：

                                                                              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。

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<IAudioTrack> track = audioFlinger->createTrack(getpid(), streamType, sampleRate, format, channelCount, frameCount, ((uint16_t)flags) << 16, sharedBuffer, output, &status); // 得到IMemory接口 sp<IMemory> cblk = track->getCblk(); mAudioTrack.clear(); mAudioTrack = track; mCblkMemory.clear(); mCblkMemory = cblk; // 得到audio_track_cblk_t结构 mCblk = static_cast<audio_track_cblk_t*>(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 { .......... }