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：

view plainbool 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：

view plainvoid 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：

view plainenum 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：

view plainmpAudioTrack->start();

停止播放：

view plainmpAudioTrack->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。

view plainuint32_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。

view plainuint32_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：

view plainuint32_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;
}

view plainbool 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;
}

view plainvoid* 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：

view plainsp<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 {
..........
}