【Android Audio】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 {
         ..........
     }

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