Android音频系统之音频框架（转http://blog.csdn.net/uiop78uiop78/article/details/8796492）

1.1 音频框架

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Android的音频系统在很长一段时间内都是外界诟病的焦点。的确，早期的Android系统在音频处理上相比于IOS有一定的差距，这也是很多专业的 音乐播放软件开发商没有推出Android平台产品的一个重要原因。但这并不代表它的音频框架一无是处，相反，基于Linux系统的Android平台有 很多值得我们学习的地方。

1.1.1 Linux下的音频框架

在计算机发展的早期，电脑的声音处理设备是由一个非常简易的loudspeaker外加发声器(Tone Generator)构成的，功能相对局限。后来人们想到了以plug-in的形式来扩展音频设备，“Sound blaster”就是其中很有名的一个。这种早期的声卡以插件方式连接到电脑主板上，并提供了更多复杂的音频设备。可想而知，独立的硬件设计也意味着成本 的增加，于是随着技术的发展，便又出现了板载声卡，也就是我们俗称的“集成声卡”。板载声卡又分为“软声卡”和“硬声卡”。如果声卡本身没有主处理芯片， 而只有解码芯片，需要通过CPU运算来执行处理工作，那么就是“软声卡”，反之就是“硬声卡”。通常面向低端市场的计算机都会包含一个集成的声卡设备以降 低成本。

一个典型的声卡通常包含三个部分：

·          Connectors

用于声卡与外放设备，如扬声器、耳机的连接，又被称为“jacks”

·          Audio Circuits

声卡的主要实现体，它负责信号的放大、混音、以及模拟数字转换等操作

·          Interface

连接声卡与计算机总线的单元，比如PCI总线

我们可以通过“cat/proc/asound/cards”命令来查看计算机中安装的声卡设备，如下例子所示：

目前市面上声卡的种类众多，既有复杂的高性能的，也有低端的简易的，那么对于一个操作系统来说，它如何管理这些音频设备，并向上层应用提供统一的接口呢？

Android严格来讲只是一个Linux系统，它依赖于内核提供的各种驱动支持，包括音频驱动。因此我们有必要先花点时间来学习下Linux平台下的两种主要的音频驱动架构：

·        OSS (Open Sound System)

早期Linux版本采用的是OSS框架，它也是Unix及类Unix系统中广泛使用的一种音频体系。OSS既可以指OSS接口本身，也可以用来表示接口的 实现。OSS的作者是Hannu Savolainen，就职于4Front Technologies公司。由于涉及到知识产权问题，OSS后期的支持与改善不是很好，这也是Linux内核最终放弃OSS的一个原因。

另外，OSS在某些方面也遭到了人们的质疑，比如：

对新音频特性的支持不足;

缺乏对最新内核特性的支持等等。

当然，OSS做为Unix下统一音频处理操作的早期实现，本身算是比较成功的。它符合“一切都是文件”的设计理念，而且做为一种体系框架，其更多地只是规 定了应用程序与操作系统音频驱动间的交互，因而各个系统可以根据实际的需求进行定制开发。总的来说，OSS使用了如下表所示的设备节点：

表格 13?1 OSS采用的设备节点

更多详情，可以参考OSS的官方说明：http://www.opensound.com/

·        ALSA(Advanced Linux Sound Architecture)

ALSA是Linux社区为了取代OSS而提出的一种框架，是一个源代码完全开放的系统(遵循GNU GPL和GNU LGPL)。ALSA在Kernel 2.5版本中被正式引入后，OSS就逐步被排除在内核之外。当然，OSS本身还是在不断维护的，只是不再为Kernel所采用而已。

ALSA相对于OSS提供了更多，也更为复杂的API接口，因而开发难度相对来讲加大了一些。为此，ALSA专门提供了一个供开发者使用的工具库，以帮助他们更好地使用ALSA的API。根据官方文档的介绍，ALSA有如下特性：

Ø  高效支持大多数类型的audio interface(不论是消费型或者是专业型的多声道声卡)

Ø  高度模块化的声音驱动

Ø  SMP及线程安全(thread-safe)设计

Ø  在用户空间提供了alsa-lib来简化应用程序的编写

Ø  与OSS API保持兼容，这样子可以保证老的OSS程序在系统中正确运行

ALSA主要由下表所示的几个部分组成：

表格 13?2 Alsa-project Package

Alsa主要的文件节点如下：

1. Information Interface (/proc/asound)
2. Control Interface (/dev/snd/controlCX)
3. Mixer Interface (/dev/snd/mixerCXDX)
4. PCM Interface (/dev/snd/pcmCXDX)
5. Raw MIDI Interface (/dev/snd/midiCXDX)
6. Sequencer Interface (/dev/snd/seq)
7. Timer Interface (/dev/snd/timer)

关于ALSA的更多知识，建议大家可以自行参阅相关文档，这对于后面理解整个Audio系统是不无裨益的。

1.1.2 TinyAlsa

一看“Tiny”这个词，大家应该能猜到这是一个ALSA的缩减版本。实际上在Android系统的其它地方也可以看到类似的做法——既想用开源项目，又嫌工程太大太繁琐，怎么办？那就只能瘦身了，于是很多Tiny-XXX就出现了。

在早期版本中，Android系统的音频架构主要是基于ALSA的，其上层实现可以看做是ALSA的一种“应用”。后来可能是由于ALSA所存在的一些不 足，Android后期版本开始不再依赖于ALSA提供的用户空间层的实现，因而我们在它的库文件夹中已经找不到alsa相关的lib了，如下图所示：

图 13?7 Android4.1与早期版本在音频库上的区别

而取代它的是tinyalsa相关的库文件，如下图所示：

同时我们可以看到externl目录下多了一个“tinyalsa”文件夹，其中包含了为数不多的几个源码文件，如下所示：

表格 13?3 Tiny-alsa工程文件

可见TinyAlsa与原版Alsa的差异还是相当大的，它只是部分支持了其中的两种Interface，而像Raw MIDI、Sequencer、Timer等Interface则没有涉及到——当然这对于一般的嵌入式设备还是足够了。

TinyAlsa作为Alsa-lib的一个替代品，自面世已来得到的公众评价有褒有贬，不能一概而论——对于每个厂商来说，合适自己的就是最好的。而且各厂商也可以在此基础上扩展自己的功能，真正的把ALSA利用到极致。

1.1.3 Android系统上的音频框架

一个好的系统架构，需要尽可能地降低上层与具体硬件的耦合，这既是操作系统的设计目的，对于音频系统也是如此。音频系统的雏形框架可以简单的用下图来表示：

图 13?8 音频系统的雏形框架

在这个图中，除去Linux本身的Audio驱动外，整个Android音频实现都被看成了User。因而我们可以认为Audio Driver就是上层与硬件间的“隔离板”。但是如果单纯采用上图所示的框架来设计音频系统，对上层应用使用音频功能是不小的负担，显然Android开 发团队还会根据自身的实际情况来进一步细化“User”部分。

细化的根据自然还是Android的几个层次结构，包括应用层、framework层、库层以及HAL层，如下图所示：

图 13?9 音频框架在Android系统中的进一步细化

我们可以结合目前已有的知识，想一下每一个层次都会包含哪些模块(先不考虑蓝牙音频部分)？

·        APP

这是整个音频体系的最上层，因而并不是Android系统实现的重点。比如厂商根据特定需求自己写的一个音乐播放器，游戏中使用到声音，或者调节音频的一类软件等等。

·        Framework

相信大家可以马上想到MediaPlayer和MediaRecorder，因为这是我们在开发音频相关产品时使用最广泛的两个类。实际上，Android也提供了另两个相似功能的类，即AudioTrack和AudioRecorder，MediaPlayerService内部的实现就是通过它们来完成的,只不过MediaPlayer/MediaRecorder提供了更强大的控制功能，相比前者也更易于使用。我们后面还会有详细介绍。

除此以外，Android系统还为我们控制音频系统提供了AudioManager、AudioService及AudioSystem类。这些都是framework为便利上层应用开发所设计的。

·        Libraries

我们知道，framework层的很多类，实际上只是应用程序使用Android库文件的“中介”而已。因为上层应用采用java语言编写，它们需要最直 接的java接口的支持，这就是framework层存在的意义之一。而作为“中介”，它们并不会真正去实现具体的功能，或者只实现其中的一部分功能，而 把主要重心放在库中来完成。比如上面的AudioTrack、AudioRecorder、MediaPlayer和MediaRecorder等等在库 中都能找到相对应的类。

这一部分代码集中放置在工程的frameworks/av/media/libmedia中，多数是C++语言编写的。

除了上面的类库实现外，音频系统还需要一个“核心中控”，或者用Android中通用的实现来讲，需要一个系统服务(比如ServiceManager、LocationManagerService、ActivityManagerService等等)，这就是AudioFlinger和AudioPolicyService。它们的代码放置在frameworks/av/services/audioflinger，生成的最主要的库叫做libaudioflinger。

音频体系中另一个重要的系统服务是MediaPlayerService，它的位置在frameworks/av/media/libmediaplayerservice。

因为涉及到的库和相关类是非常多的，建议大家在理解的时候分为两条线索。

其一，以库为线索。比如AudioPolicyService和AudioFlinger都是在libaudioflinger库中;而AudioTrack、AudioRecorder等一系列实现则在libmedia库中。

其二，以进程为线索。库并不代表一个进程，进程则依赖于库来运行。虽然有的类是在同一个库中实现的，但并不代表它们会在同一个进程中被调用。比如AudioFlinger和AudioPolicyService都驻留于名为mediaserver的系统进程中;而AudioTrack/AudioRecorder和MediaPlayer/MediaRecorder一样实际上只是应用进程的一部分，它们通过binder服务来与其它系统进程通信。

在分析源码的过程中，一定要紧抓这两条线索，才不至于觉得混乱。

·        HAL

从设计上来看，硬件抽象层是AudioFlinger直接访问的对象。这说明了两个问题，一方面AudioFlinger并不直接调用底层的驱动程序;另 一方面，AudioFlinger上层(包括和它同一层的MediaPlayerService)的模块只需要与它进行交互就可以实现音频相关的功能了。 因而我们可以认为AudioFlinger是Android音频系统中真正的“隔离板”，无论下面如何变化，上层的实现都可以保持兼容。

音频方面的硬件抽象层主要分为两部分，即AudioFlinger和AudioPolicyService。实际上后者并不是一个真实的设备，只是采用虚拟设备的方式来让厂商可以方便地定制出自己的策略。

抽象层的任务是将AudioFlinger/AudioPolicyService真正地与硬件设备关联起来， 但又必须提供灵活的结构来应对变化——特别是对于Android这个更新相当频繁的系统。比如以前Android系统中的Audio系统依赖于ALSA- lib，但后期就变为了tinyalsa，这样的转变不应该对上层造成破坏。因而Audio HAL提供了统一的接口来定义它与AudioFlinger/AudioPolicyService之间的通信方式，这就是 audio_hw_device、audio_stream_in及audio_stream_out等等存在的目的，这些Struct数据类型内部大多 只是函数指针的定义，是一些“壳”。当AudioFlinger/AudioPolicyService初始化时，它们会去寻找系统中最匹配的实现(这些 实现驻留在以audio.primary.*,audio.a2dp.*为名的各种库中)来填充这些“壳”。

根据产品的不同，音频设备存在很大差异，在Android的音频架构中，这些问题都是由HAL层的audio.primary等等库来解决的，而不需要大规模地修改上层实现。换句话说，厂商在定制时的重点就是如何提供这部分库的高效实现了。

基于上面的分析，我们给出一个完整的Android音频系统框架来给大家参考(没有列出Linux层的实现，比如ALSADriver等等)，如下所示：

 图 13?10 Android音频系统框架全图

接下来的小节，我们将分别介绍上述框架图中的几个重点模块，包括 AudioFlinger,AudioTrack/AudioRecorder,AudioManager/AudioPolicyService,并简 单地介绍上层的一些模块如MediaPlayerService等等。