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Android Audio System 之一：AudioTrack如何与AudioFlinger交换音频数据

分类： 移动开发之Android 2010-10-14 17:39 20555人阅读 评论(33) 收藏 举报

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：

[c-sharp] view plain copy print ?

1. boolToneGenerator::initAudioTrack(){
2. //Openaudiotrackinmono,PCM16bit,defaultsamplingrate,defaultbuffersize
3. mpAudioTrack=newAudioTrack();
4. mpAudioTrack->set(mStreamType,
5. 0,
6. AudioSystem::PCM_16_BIT,
7. AudioSystem::CHANNEL_OUT_MONO,
8. 0,
9. 0,
10. audioCallback,
11. this,
12. 0,
13. 0,
14. mThreadCanCallJava);
15. if(mpAudioTrack->initCheck()!=NO_ERROR){
16. LOGE("AudioTrack->initCheckfailed");
17. gotoinitAudioTrack_exit;
18. }
19. mpAudioTrack->setVolume(mVolume,mVolume);
20. mState=TONE_INIT;
21. ......
22. }

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：

[c-sharp] view plain copy print ?

1. voidToneGenerator::audioCallback(intevent,void*user,void*info){
2. if(event!=AudioTrack::EVENT_MORE_DATA)return;
3. AudioTrack::Buffer*buffer=static_cast<AudioTrack::Buffer*>(info);
4. ToneGenerator*lpToneGen=static_cast<ToneGenerator*>(user);
5. short*lpOut=buffer->i16;
6. unsignedintlNumSmp=buffer->size/sizeof(short);
7. constToneDescriptor*lpToneDesc=lpToneGen->mpToneDesc;
8. if(buffer->size==0)return;
10. //Clearoutputbuffer:WaveGeneratoraccumulatesintolpOutbuffer
11. memset(lpOut,0,buffer->size);
12. ......
13. //以下是产生音调数据的代码，略....
14. }

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：

[c-sharp] view plain copy print ?

1. enumevent_type{
2. EVENT_MORE_DATA=0,//RequesttowritemoredatatoPCMbuffer.
3. EVENT_UNDERRUN=1,//PCMbufferunderrunoccured.
4. EVENT_LOOP_END=2,//Sampleloopendwasreached;playbackrestartedfromloopstartifloopcountwasnot0.
5. EVENT_MARKER=3,//Playbackheadisatthespecifiedmarkerposition(SeesetMarkerPosition()).
6. EVENT_NEW_POS=4,//Playbackheadisatanewposition(SeesetPositionUpdatePeriod()).
7. EVENT_BUFFER_END=5//Playbackheadisattheendofthebuffer.
8. };

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：

[c-sharp] view plain copy print ?

1. mpAudioTrack->start();

mpAudioTrack->start();

停止播放：

[c-sharp] view plain copy print ?

1. mpAudioTrack->stop();

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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1. uint32_taudio_track_cblk_t::framesAvailable_l()
2. {
3. uint32_tu=this->user;
4. uint32_ts=this->server;
5. if(out){
6. uint32_tlimit=(s<loopStart)?s:loopStart;
7. returnlimit+frameCount-u;
8. }else{
9. returnframeCount+u-s;
10. }
11. }

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。

[c-sharp] view plain copy print ?

1. uint32_taudio_track_cblk_t::framesReady()
2. {
3. uint32_tu=this->user;
4. uint32_ts=this->server;
5. if(out){
6. if(u<loopEnd){
7. returnu-s;
8. }else{
9. Mutex::Autolock_l(lock);
10. if(loopCount>=0){
11. return(loopEnd-loopStart)*loopCount+u-s;
12. }else{
13. returnUINT_MAX;
14. }
15. }
16. }else{
17. returns-u;
18. }
19. }

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_startuser(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：

[c-sharp] view plain copy print ?

1. uint32_taudio_track_cblk_t::stepUser(uint32_tframeCount)
2. {
3. uint32_tu=this->user;
4. u+=frameCount;
5. ......
6. if(u>=userBase+this->frameCount){
7. userBase+=this->frameCount;
8. }
9. this->user=u;
10. ......
11. returnu;
12. }

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; } [c-sharp] view plain copy print ?

1. boolaudio_track_cblk_t::stepServer(uint32_tframeCount)
2. {
3. //thecodebelowsimulateslock-with-timeout
4. //weMUSTdothistoprotecttheAudioFlingerserver
5. //asthislockissharedwiththeclient.
6. status_terr;
7. err=lock.tryLock();
8. if(err==-EBUSY){//justwaitabit
9. usleep(1000);
10. err=lock.tryLock();
11. }
12. if(err!=NO_ERROR){
13. //probably,theclientjustdied.
14. returnfalse;
15. }
16. uint32_ts=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. returntrue;
27. }

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; } [c-sharp] view plain copy print ?

1. void*audio_track_cblk_t::buffer(uint32_toffset)const
2. {
3. return(int8_t*)this->buffers+(offset-userBase)*this->frameSize;
4. }

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：

[c-sharp] view plain copy print ?

1. sp<IAudioTrack>track=audioFlinger->createTrack(getpid(),
2. streamType,
3. sampleRate,
4. format,
5. channelCount,
6. frameCount,
7. ((uint16_t)flags)<<16,
8. sharedBuffer,
9. 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. //UpdatebuffersizeincaseithasbeenlimitedbyAudioFlingerduringtrackcreation
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. }
    

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