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：
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01.bool ToneGenerator::initAudioTrack() {
02. // Open audio track in mono, PCM 16bit, default sampling rate, default buffer size
03. mpAudioTrack = new AudioTrack();
04. mpAudioTrack->set(mStreamType,
05. 0,
06. AudioSystem::PCM_16_BIT,
07. AudioSystem::CHANNEL_OUT_MONO,
08. 0,
09. 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：
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01.void ToneGenerator::audioCallback(int event, void* user, void *info) {
02. if (event != AudioTrack::EVENT_MORE_DATA) return;
03. AudioTrack::Buffer *buffer = static_cast<AudioTrack::Buffer *>(info);
04. ToneGenerator *lpToneGen = static_cast<ToneGenerator *>(user);
05. short *lpOut = buffer->i16;
06. unsigned int lNumSmp = buffer->size/sizeof(short);
07. const ToneDescriptor *lpToneDesc = lpToneGen->mpToneDesc;
08. if (buffer->size == 0) return;
09.
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：
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01.enum event_type {
02. EVENT_MORE_DATA = 0, // Request to write more data to PCM buffer.
03. EVENT_UNDERRUN = 1, // PCM buffer underrun occured.
04. EVENT_LOOP_END = 2, // Sample loop end was reached; playback restarted from loop start if loop count was not 0.
05. EVENT_MARKER = 3, // Playback head is at the specified marker position (See setMarkerPosition()).
06. EVENT_NEW_POS = 4, // Playback head is at a new position (See setPositionUpdatePeriod()).
07. EVENT_BUFFER_END = 5 // Playback head is at the end of the buffer.
08. };
开始播放：
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01.mpAudioTrack->start();
停止播放：
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01.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。
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01.uint32_t audio_track_cblk_t::framesAvailable_l()
02.{
03. uint32_t u = this->user;
04. uint32_t s = this->server;
05. if (out) {
06. uint32_t limit = (s < loopStart) ? s : loopStart;
07. return limit + frameCount - u;
08. } else {
09. return frameCount + u - s;
10. }
11.}
framesReady()用于获取FIFO中可读取的空间大小。
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01.uint32_t audio_track_cblk_t::framesReady()
02.{
03. uint32_t u = this->user;
04. uint32_t s = this->server;
05. if (out) {
06. if (u < loopEnd) {
07. return u - s;
08. } else {
09. 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：
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01.uint32_t audio_track_cblk_t::stepUser(uint32_t frameCount)
02.{
03. uint32_t u = this->user;
04. u += frameCount;
05. ......
06. if (u >= userBase + this->frameCount) {
07. userBase += this->frameCount;
08. }
09. this->user = u;
10. ......
11. return u;
12.}
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01.bool audio_track_cblk_t::stepServer(uint32_t frameCount)
02.{
03. // the code below simulates lock-with-timeout
04. // we MUST do this to protect the AudioFlinger server
05. // as this lock is shared with the client.
06. status_t err;
07. err = lock.tryLock();
08. if (err == -EBUSY) { // just wait a bit
09. 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.}
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01.void* audio_track_cblk_t::buffer(uint32_t offset) const
02.{
03. return (int8_t *)this->buffers + (offset - userBase) * this->frameSize;
04.}
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：
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01.sp<IAudioTrack> track = audioFlinger->createTrack(getpid(),
02. streamType,
03. sampleRate,
04. format,
05. channelCount,
06. frameCount,
07. ((uint16_t)flags) << 16,
08. sharedBuffer,
09. 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. }