android audiomanager获取音频流

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IT狼人9号 2024-12-20 17:20:47

文章标签 数据 android 音频流 文章分类 Android 移动开发

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

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：

1. bool ToneGenerator::initAudioTrack() { 
2. // Open audio track in mono, PCM 16bit
3. //, default sampling rate, default buffer size 
4. new AudioTrack(); 
5.     mpAudioTrack->set(mStreamType, 
6. 0, 
7.                       AudioSystem::PCM_16_BIT, 
8.                       AudioSystem::CHANNEL_OUT_MONO, 
9. 0, 
10. 0, 
11.                       audioCallback, 
12. this, 
13. 0, 
14. 0, 
15.                       mThreadCanCallJava); 
16. if (mpAudioTrack->initCheck() != NO_ERROR) { 
17. "AudioTrack->initCheck failed"); 
18. goto initAudioTrack_exit; 
19.     } 
20.     mpAudioTrack->setVolume(mVolume, mVolume); 
21.     mState = TONE_INIT; 
22.     ...... 
23.  }

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：

1. void ToneGenerator::audioCallback(int event, void* user, void *info) { 
2. if (event != AudioTrack::EVENT_MORE_DATA) return; 
3. static_cast<AudioTrack::Buffer *>(info); 
4. static_cast<ToneGenerator *>(user); 
5. short *lpOut = buffer->i16; 
6. int lNumSmp = buffer->size/sizeof(short); 
7. const ToneDescriptor *lpToneDesc = lpToneGen->mpToneDesc; 
8. if (buffer->size == 0) return; 
9.  
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：

1. enum event_type { 
2.         EVENT_MORE_DATA = 0,
3. // Request to write more data to PCM buffer. 
4.         EVENT_UNDERRUN = 1,
5. // PCM buffer underrun occured. 
6.         EVENT_LOOP_END = 2,
7. // Sample loop end was reached; playback restarted from loop start if loop count was not 0. 
8.         EVENT_MARKER = 3,
9. // Playback head is at the specified marker position (See setMarkerPosition()). 
10.         EVENT_NEW_POS = 4,
11. // Playback head is at a new position (See setPositionUpdatePeriod()). 
12.         EVENT_BUFFER_END = 5
13. // Playback head is at the end of the buffer. 
14. };

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。

1. uint32_t audio_track_cblk_t::framesAvailable_l() 
2. { 
3. this->user; 
4. this->server; 
5. if (out) { 
6.         uint32_t limit = (s < loopStart) ? s : loopStart; 
7. return limit + frameCount - u; 
8. else { 
9. return frameCount + u - s; 
10.     } 
11. }

framesReady()用于获取FIFO中可读取的空间大小。

1. uint32_t audio_track_cblk_t::framesReady() 
2. { 
3. this->user; 
4. this->server; 
5. if (out) { 
6. if (u < loopEnd) { 
7. return u - s; 
8. else { 
9.             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：

1. uint32_t audio_track_cblk_t::stepUser(uint32_t frameCount) 
2. { 
3. this->user; 
4.     u += frameCount; 
5.     ...... 
6. if (u >= userBase + this->frameCount) { 
7. this->frameCount; 
8.     } 
9. this->user = u; 
10.     ...... 
11. return u; 
12. } 
13. bool audio_track_cblk_t::stepServer(uint32_t frameCount) 
14. { 
15. // the code below simulates lock-with-timeout 
16. // we MUST do this to protect the AudioFlinger server 
17. // as this lock is shared with the client. 
18.     status_t err; 
19.     err = lock.tryLock(); 
20. if (err == -EBUSY) { // just wait a bit 
21.         usleep(1000); 
22.         err = lock.tryLock(); 
23.     } 
24. if (err != NO_ERROR) { 
25. // probably, the client just died. 
26. return false; 
27.     } 
28. this->server; 
29.     s += frameCount; 
30. // 省略部分代码 
31. // ...... 
32. if (s >= serverBase + this->frameCount) { 
33. this->frameCount; 
34.     } 
35. this->server = s; 
36.     cv.signal(); 
37.     lock.unlock(); 
38. return true; 
39. } 
40. void* audio_track_cblk_t::buffer(uint32_t offset) const 
41. { 
42. return (int8_t *)this->buffers + (offset - userBase) * this->frameSize; 
43. }

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：

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. 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. char*)mCblk + sizeof(audio_track_cblk_t); 
26. else { 
27.         ..........         
28.     }

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