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：
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：
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：
{
/*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：
#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：
|
Device Name
|
Description
|
|
AUDIO_DEVICE_OUT_EARPIECE |
听筒 |
|
AUDIO_DEVICE_OUT_SPEAKER |
喇叭 |
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AUDIO_DEVICE_OUT_WIRED_HEADSET |
带话筒的耳机 |
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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：
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-> &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 (* 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：
{
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。
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：
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<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:
{ …
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:
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：
{
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。
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