Android音频系统之AudioFlinger(二)

1.1.1 音频设备的管理

虽然AudioFlinger实体已经成功创建并初始化，但到目前为止它还是一块静态的内存空间，没有涉及到具体的工作。

从职能分布上来讲，AudioPolicyService是策略的制定者，比如什么时候打开音频接口设备、某种Stream类型的音频对应什么设备等等。而AudioFlinger则是策略的执行者，例如具体如何与音频设备通信，如何维护现有系统中的音频设备，以及多个音频流的混音如何处理等等都得由它来完成。

目前Audio系统中支持的音频设备接口(Audio Interface)分为三大类，即：

/*frameworks/av/services/audioflinger/AudioFlinger.cpp*/

static const char * const audio_interfaces[] = {

   AUDIO_HARDWARE_MODULE_ID_PRIMARY, //主音频设备，必须存在

   AUDIO_HARDWARE_MODULE_ID_A2DP, //蓝牙A2DP音频

   AUDIO_HARDWARE_MODULE_ID_USB, //USB音频，早期的版本不支持

};

每种音频设备接口由一个对应的so库提供支持。那么AudioFlinger怎么会知道当前设备中支持上述的哪些接口，每种接口又支持哪些具体的音频设备呢？这是AudioPolicyService的责任之一，即根据用户配置来指导AudioFlinger加载设备接口。

当AudioPolicyManagerBase(AudioPolicyService中持有的Policy管理者，后面小节有详细介绍)构造时，它会读取厂商关于音频设备的描述文件(audio_policy.conf)，然后据此来打开以上三类音频接口(如果存在的话)。这一过程最终会调用loadHwModule@AudioFlinger，如下所示：

/*frameworks/av/services/audioflinger*/

audio_module_handle_t AudioFlinger::loadHwModule(const char *name)/*name就是前面audio_interfaces 数组

                                                            成员中的字符串*/

{

    if (!settingsAllowed()) {

        return 0;

    }

    Mutex::Autolock _l(mLock);

    returnloadHwModule_l(name);

}

这个函数没有做实质性的工作，只是执行了加锁动作，然后接着调用下面的函数：

audio_module_handle_t AudioFlinger::loadHwModule_l(const char *name)

{

                /*Step 1. 是否已经添加了这个interface?*/

    for (size_t i = 0; i <mAudioHwDevs.size(); i++) {

        if(strncmp(mAudioHwDevs.valueAt(i)->moduleName(), name, strlen(name)) == 0) {

           ALOGW("loadHwModule() module %s already loaded", name);

            returnmAudioHwDevs.keyAt(i);

        }

    }

               

                /*Step 2. 加载audio interface*/

    audio_hw_device_t *dev;

    int rc =load_audio_interface(name, &dev);   

…

/*Step 3. 初始化*/

mHardwareStatus = AUDIO_HW_INIT;

rc = dev->init_check(dev);

mHardwareStatus = AUDIO_HW_IDLE;

…

if ((mMasterVolumeSupportLvl !=MVS_NONE) && (NULL != dev->set_master_volume)) {

    AutoMutex lock(mHardwareLock);

    mHardwareStatus = AUDIO_HW_SET_MASTER_VOLUME;

    dev->set_master_volume(dev, mMasterVolume);

    mHardwareStatus = AUDIO_HW_IDLE;

}

/*Step 4. 添加到全局变量中*/

    audio_module_handle_t  handle = nextUniqueId();

    mAudioHwDevs.add(handle,new AudioHwDevice(name, dev));

 

    return handle;

}

Step1@ loadHwModule_l. 首先查找mAudioHwDevs是否已经添加了变量name所指示的audio interface，如果是的话直接返回。第一次进入时mAudioHwDevs的size为0，所以还会继续往下执行。

Step2@ loadHwModule_l. 加载指定的audiointerface，比如“primary”、“a2dp”或者“usb”。函数load_audio_interface用来加载设备所需的库文件，然后打开设备并创建一个audio_hw_device_t实例。音频接口设备所对应的库文件名称是有一定格式的，比如a2dp的模块名可能是audio.a2dp.so或者audio.a2dp.default.so等等。查找路径主要有两个，即：

/** Base path of the hal modules */

#define HAL_LIBRARY_PATH1 "/system/lib/hw"

#define HAL_LIBRARY_PATH2 "/vendor/lib/hw"

当然，因为Android是完全开源的，各开发商可以根据自己的需要来进行相应的修改，比如下面是某手机设备的音频库截图：

             

图 13‑12 音频库实例

 

Step3@ loadHwModule_l，进行初始化操作。其中init_check是为了确定这个audio interface是否已经成功初始化，0是成功，其它值表示失败。接下来如果这个device支持主音量，我们还需要通过set_master_volume进行设置。在每次操作device前，都要先改变mHardwareStatus的状态值，操作结束后将其复原为AUDIO_HW_IDLE(根据源码中的注释，这样做是为了方便dump时正确输出内部状态，这里我们就不去深究了)。

Step4@ loadHwModule_l. 把加载后的设备添加入mAudioHwDevs键值对中，其中key的值是由nextUniqueId生成的，这样做保证了这个audiointerface拥有全局唯一的id号。

 

完成了audiointerface的模块加载只是万里长征的第一步。因为每一个interface包含的设备通常不止一个，Android系统目前支持的音频设备如下列表所示：

表格 13‑4 Android系统支持的音频设备(输出)

Device Name	Description
AUDIO_DEVICE_OUT_EARPIECE	听筒
AUDIO_DEVICE_OUT_SPEAKER	喇叭
AUDIO_DEVICE_OUT_WIRED_HEADSET	带话筒的耳机
AUDIO_DEVICE_OUT_WIRED_HEADPHONE	耳机
AUDIO_DEVICE_OUT_BLUETOOTH_SCO	SCO 蓝牙
AUDIO_DEVICE_OUT_BLUETOOTH_SCO_HEADSET	SCO 蓝牙耳机
AUDIO_DEVICE_OUT_BLUETOOTH_SCO_CARKIT	SCO 车载套件
AUDIO_DEVICE_OUT_BLUETOOTH_A2DP	A2DP 蓝牙
AUDIO_DEVICE_OUT_BLUETOOTH_A2DP_HEADPHONES	A2DP 蓝牙耳机
AUDIO_DEVICE_OUT_BLUETOOTH_A2DP_SPEAKER	A2DP 蓝牙喇叭
AUDIO_DEVICE_OUT_AUX_DIGITAL	AUX IN
AUDIO_DEVICE_OUT_ANLG_DOCK_HEADSET	模拟dock headset
AUDIO_DEVICE_OUT_DGTL_DOCK_HEADSET	数字dock headset
AUDIO_DEVICE_OUT_USB_ACCESSORY	USB配件
AUDIO_DEVICE_OUT_USB_DEVICE	USB设备
AUDIO_DEVICE_OUT_DEFAULT	默认设备
AUDIO_DEVICE_OUT_ALL	上述每种设备只占int值一个bit位，这里是指上述设备的集合
AUDIO_DEVICE_OUT_ALL_A2DP	上述设备中与A2DP蓝牙相关的设备集合
AUDIO_DEVICE_OUT_ALL_SCO	上述设备中与SCO蓝牙相关的设备集合
AUDIO_DEVICE_OUT_ALL_USB	上述设备中与USB相关的设备集合

 

大家可能会有疑问：

Ø 这么多的输出设备，那么当我们回放音频流(录音也是类似的情况)时，该选择哪一种呢？

Ø 而且当前系统中audio interface也很可能不止一个，应该如何选择？

显然这些决策工作将由AudioPolicyService来完成，我们会在下一小节做详细阐述。这里先给大家分析下，AudioFlinger是如何打开一个Output通道的(一个audiointerface可能包含若干个output)。

打开音频输出通道(output)在AF中对应的接口是openOutput(),即：

audio_io_handle_t  AudioFlinger::openOutput(audio_module_handle_tmodule, audio_devices_t *pDevices,

                                          uint32_t *pSamplingRate,audio_format_t *pFormat,

                                          audio_channel_mask_t *pChannelMask,

                                          uint32_t *pLatencyMs, audio_output_flags_t flags)

{

                /*入参中的module是由前面的loadHwModule 获得的，它是一个audiointerface的id号，可以通过此id在mAudioHwDevs中查找到对应的AudioHwDevice对象*/

    status_t status;

    PlaybackThread *thread =NULL;

…

audio_stream_out_t  *outStream = NULL;

    audio_hw_device_t*outHwDev;

                …

    /*Step 1. 查找相应的audio interface

    outHwDev = findSuitableHwDev_l(module, *pDevices);     

                …

                /*Step 2. 为设备打开一个输出流*/

mHardwareStatus =AUDIO_HW_OUTPUT_OPEN;

    status = outHwDev->open_output_stream(outHwDev, id, *pDevices,(audio_output_flags_t)flags,

                                          &config, &outStream);

    mHardwareStatus =AUDIO_HW_IDLE;

    …

if (status == NO_ERROR &&outStream != NULL) {

 /*Step 3.生成AudioStreamOut*/

      AudioStreamOut *output = newAudioStreamOut(outHwDev, outStream);

                 /*Step 4.创建PlaybackThread*/

      if ((flags & AUDIO_OUTPUT_FLAG_DIRECT) ||(config.format != AUDIO_FORMAT_PCM_16_BIT) ||

           (config.channel_mask != AUDIO_CHANNEL_OUT_STEREO)) {

            thread = new DirectOutputThread(this, output, id, *pDevices);

      } else {

            thread = new MixerThread(this, output, id, *pDevices);

      }

      mPlaybackThreads.add(id,thread); //添加播放线程

      …

      /*Step 5.Primary output情况下的处理*/

      if ((mPrimaryHardwareDev== NULL) &&flags & AUDIO_OUTPUT_FLAG_PRIMARY)) {

            ALOGI("Usingmodule %d has the primary audio interface", module);

           mPrimaryHardwareDev = outHwDev;

            AutoMutexlock(mHardwareLock);

            mHardwareStatus =AUDIO_HW_SET_MODE;

           outHwDev->set_mode(outHwDev, mMode);

                                                …

            float initialVolume = 1.0;

           mMasterVolumeSupportLvl = MVS_NONE;

            mHardwareStatus = AUDIO_HW_GET_MASTER_VOLUME; //测试设备是否支持主音量获取

            if ((NULL !=outHwDev->get_master_volume) &&

                (NO_ERROR ==outHwDev->get_master_volume (outHwDev, &initialVolume))) {

               mMasterVolumeSupportLvl = MVS_FULL;

            } else {

               mMasterVolumeSupportLvl = MVS_SETONLY;

                initialVolume= 1.0;

            }

 

            mHardwareStatus = AUDIO_HW_SET_MASTER_VOLUME;//测试是否支持主音量设置

            if ((NULL ==outHwDev->set_master_volume) ||

                (NO_ERROR !=outHwDev->set_master_volume (outHwDev, initialVolume))) {

               mMasterVolumeSupportLvl = MVS_NONE;

            }

            for (size_t i = 0; i <mAudioHwDevs.size(); i++) {

               audio_hw_device_t *dev = mAudioHwDevs.valueAt(i)->hwDevice();

                if ((dev !=mPrimaryHardwareDev) &&

                    (NULL !=dev->set_master_volume)) {

                    dev->set_master_volume(dev,initialVolume);

                }

            }

            mHardwareStatus =AUDIO_HW_IDLE;

            mMasterVolumeSW =(MVS_NONE == mMasterVolumeSupportLvl)? initialVolume: 1.0;

            mMasterVolume   = initialVolume;

        }

        return id;

    }

    return 0;

}

上面这段代码中，颜色加深的部分是我们接下来分析的重点，主要还是围绕outHwDev这个变量所做的一系列操作，即：

·        查找合适的音频接口设备(findSuitableHwDev_l)

·        创建音频输出流(通过open_output_stream获得一个audio_stream_out_t)

·        利用AudioStreamOut来封装audio_stream_out_t与audio_hw_device_t

·        创建播放线程(PlaybackThread)

·        如果当前设备是主设备，则还需要进行相应的设置，包括模式、主音量等等

显然，outHwDev用于记录一个打开的音频接口设备，它的数据类型是audio_hw_device_t，是由HAL规定的一个音频接口设备所应具有的属性集合，如下所示：

struct audio_hw_device {

    struct hw_device_t common;

     …

    int (*set_master_volume)(struct audio_hw_device *dev, float volume);

    int (*set_mode)(struct audio_hw_device *dev, audio_mode_t mode);

    int (*open_output_stream)(struct audio_hw_device *dev,

                             audio_io_handle_t handle,

                             audio_devices_t devices,

                             audio_output_flags_t flags,

                             struct audio_config *config,

                             struct audio_stream_out **stream_out);

…}

其中common代表了HAL层所有设备的共有属性;set_master_volume、set_mode、open_output_stream分别为我们设置audio interface的主音量、设置音频模式类型(比如AUDIO_MODE_RINGTONE、AUDIO_MODE_IN_CALL等等)、打开输出数据流提供了接口。

接下来我们分步来阐述。

Step1@ AudioFlinger::openOutput. 在openOutput中，设备outHwDev是通过查找当前系统来得到的，代码如下：

audio_hw_device_t*  AudioFlinger::findSuitableHwDev_l(audio_module_handle_tmodule, uint32_t devices)

{

    if (module == 0) {

        for (size_t i = 0; i< ARRAY_SIZE(audio_interfaces); i++) {

           loadHwModule_l(audio_interfaces[i]);

        }

    } else {

        AudioHwDevice*audioHwdevice = mAudioHwDevs.valueFor(module);

        if (audioHwdevice !=NULL) {

            returnaudioHwdevice->hwDevice();

        }

    }

    // then try to find amodule supporting the requested device.

    for (size_t i = 0; i <mAudioHwDevs.size(); i++) {

        audio_hw_device_t *dev= mAudioHwDevs.valueAt(i)->hwDevice();

        if((dev->get_supported_devices(dev) & devices) == devices)

            return dev;

    }

    return NULL;

}

变量module值为0的情况，是为了兼容之前的Audio Policy而特别做的处理。当module等于0时，首先加载所有已知的音频接口设备，然后再根据devices来确定其中符合要求的。入参devices的值实际上来源于“表格 13‑4 Android系统支持的音频设备(输出)”所示的设备。可以看到，enum中每个设备类型都对应一个特定的比特位，因而上述代码段中可以通过“与运算”来找到匹配的设备。

当modules为非0值时，说明Audio Policy指定了具体的设备id号，这时就通过查找全局的mAudioHwDevs变量来确认是否存在符合要求的设备。

DefaultKeyedVector<audio_module_handle_t, AudioHwDevice*>  mAudioHwDevs;

变量mAudioHwDevs是一个Vector，以audio_module_handle_t为key，每一个handle值唯一确定了已经添加的音频设备。那么在什么时候添加设备呢？

一种情况就是前面看到的modules为0时，会load所有潜在设备，另一种情况就是AudioPolicyManagerBase在构造时会预加载所有audio_policy.conf中所描述的output。不管是哪一种情况，最终都会调用loadHwModuleàloadHwModule_l，这个函数我们开头就分析过了。

如果modules为非0，且从mAudioHwDevs中也找不到符合要求的设备，程序并不会就此终结——它会退而求其次，遍历数组中的所有元素寻找支持devices的任何一个audio interface。

Step2@ AudioFlinger::openOutput，调用open_output_stream打开一个audio_stream_out_t。如果直接讲解这个函数的作用，大家可能觉得很抽象，所以这里我们提供一个具体硬件方案上的实现。原生态代码中就包括了一些具体音频设备的实现，如samsung的tuna，其源码实现如下：

/*device/samsung/tuna/audio/Audio_hw.c*/

static int  adev_open_output_stream(…structaudio_stream_out **stream_out)

{

    struct tuna_audio_device*ladev = (struct tuna_audio_device *)dev;

    struct tuna_stream_out *out;

    …

    *stream_out = NULL;

    out = (structtuna_stream_out *)calloc(1, sizeof(struct tuna_stream_out));

… 

out->stream.common.set_parameters= out_set_parameters;… 

    *stream_out =&out->stream;

    …

}

我们去掉了其中的大部分代码，只留下核心部分。可以看到，tuna_stream_out类型包含了audio_stream_out，后者就是最后要返回的结果。这种方式在HAL层实现中非常多见，读者应该要熟悉这样的写法。而对于audio_stream_out的操作，无非就是根据入参需要，为它的函数指针做初始化，比如set_parameters的实现就最终指向了out_set_parameters。接下来的实现就涉及linux驱动了，我们这里先不往下分析，后面音量调节小节还会再遇到这个函数。

Step3@ AudioFlinger::openOutput，生成AudioStreamOut对象。这个变量没什么特别的，它把audio_hw_device_t和audio_stream_out_t做为一个整体来封装。

Step4@ AudioFlinger::openOutput. 既然通道已经打开，那么由谁来往通道里放东西呢？这就是PlaybackThread。这里分两种不同的情况：

·        DirectOutput

如果不需要混音

·        Mixer

需要混音

这两种情况分别对应DirectOutputThread和MixerThread两种线程。我们以后者为例来分析下PlaybackThread的工作模式，也会后面小节打下基础。

图 13‑13 Playback各线程类关系

 

如上图所示，用于Playback的线程种类不少，它们的基类都是Thread。

AudioFlinger中用于记录Record和Playback线程的有两个全局变量，如下：

DefaultKeyedVector< audio_io_handle_t, sp<PlaybackThread>>  mPlaybackThreads;

DefaultKeyedVector< audio_io_handle_t, sp<RecordThread>>    mRecordThreads;

在openOutput中，加入mPlaybackThreads的是一个新建的线程类实例，比如MixerThread。它的构造函数如下:

AudioFlinger::MixerThread::MixerThread(…): PlaybackThread(audioFlinger,output, id, device, type),…   

{   …

    mAudioMixer = new AudioMixer(mNormalFrameCount, mSampleRate);

    if (mChannelCount == 1) {

        ALOGE("Invalidaudio hardware channel count");

    }

    mOutputSink = newAudioStreamOutSink(output->stream);

    …

    if (initFastMixer) {

                                …

    } else {

        mFastMixer = NULL;

    }

    …

}

首先生成一个AudioMixer对象，这是混音处理的关键，我们会在后面有详细介绍。然后检查声道数量，在Mixer情况下肯定不止一个声道。接着创建一个NBAIO(Non-blockingaudio I/O interface) sink(即AudioStreamOutSink)，并进行negotiate。最后根据配置(initFastMixer)来判断是否使用fast mixer。

可以想象一下，一个放音线程的任务就是不断处理上层的数据请求，然后将其传递到下一层，最终写入硬件设备。但是在上面这个函数中，似乎并没有看到程序去启动一个新线程，也没有看到进入线程循环的地方，或者去调用其它可能引起线程创建的函数。那么究竟在什么情况下MixerThread才会真正进入线程循环呢？

不知大家有没有注意到之前mPlaybackThreads的定义，我们再次列出如下：

DefaultKeyedVector< audio_io_handle_t, sp<PlaybackThread> > mPlaybackThreads;

它实际上是由audio_io_handle_t和PlaybackThread强指针所组成的键值对。同时也可以判断出，PlaybackThread类的祖先中一定会有RefBase。具体来说，就是它的父类Thread继承自RefBase:

/*frameworks/native/include/utils/Thread.h*/

class Thread : virtual public RefBase

{…

根据强指针的特性，目标对象在第一次被引用时是会调用onFirstRef的，这点在前面小节分析AudioFlinger时我们也见过。这个函数实现如下：

void AudioFlinger::PlaybackThread::onFirstRef()

{

    run(mName,ANDROID_PRIORITY_URGENT_AUDIO);

}

很简单，只是调用了run方法，从而启动一个新线程并间接调用threadLoop，不断地处理Mix业务。这样我们就明白了一个PlaybackThread是如何进入线程循环的了，至于循环中需要做些什么，留在下一小节做详细介绍。

Step5@ AudioFlinger::openOutput，到目前为止，我们已经成功的建立起一个音频通道，就等着AudioTrack往里丢数据了。不过假如当前的output是“primary”的，则还有一些额外的工作要做。程序接着会对此音频设备设置主音量，前提是mMasterVolumeSupportLvl不为MVS_NONE(表示既不支持主音量的设置和获取。另外MVS_SETONLY表示只支持设置不能获取，MVS_FULL表示同时支持设置和获取)。

“测试设备是否支持主音量设置/获取”部分的代码很简单，我们就不详细说明了。不过要注意的是，当确定了主音量后，需要主动为系统当前已经存在的音频设置主音量(也就是openOutput最后的for循环部分)。这和loadHwModule_l中的设置主音量并不矛盾，试想一下主音量在什么时候被设置是不确定的，因而一旦设定后就先将系统已有的设备先做主音量设置，而后加的设备则由loadHwModule_l来完成。

 

我们来整理下这个小节所阐述的内容。

·        当AudioPolicyManagerBase构造时，它会根据用户提供的audio_policy.conf来分析系统中有哪些audio interface(primary,a2dp以及usb),然后通过AudioFlinger::loadHwModule加载各audio interface对应的库文件，并依次打开其中的output(openOutput)和input(openInput)

·        我们详细分析了openOutput所做的工作，包括打开一个audio_stream_out_t通道，生成AudioStreamOut对象，以及新建PlaybackThread等等。此时“万事俱备，只欠东风”，只要AudioTrack不断和AudioFlinger传递数据，整个音频回放就开始了。当然，这其中还涉及很多状态的管理、路由切换、以及数据的跨进程交互等等，这些都是我们后面内容所要解决的。