[Android] 混音线程MixerThread
MixerThread是Android音频输出的核心部分，所有Android的音频都需要经过MixerThread进行混音后再输出到音频设备。
MixerThread的继承关系如下：
MixerThread--->PlaybackThread--->ThreadBase--->Thread
在PlaybackThread中，重写了Thread的threadLoop,onFirstRef等方法，因此在调用MixerThread这些方法时，实际上就是调用了PlaybackThread的方法。
1. onFirstRef
在getOutput的时候，我们创建了一个MixerThread对象，由于这个对象继承于Thread，因此在创建对象时，会调用它的onFirstRef函数。
void AudioFlinger::PlaybackThread::onFirstRef()
{
run(mName, ANDROID_PRIORITY_URGENT_AUDIO);
}
在该方法内部，调用了run，即开始运行threadLoop。也就是说，其实在new MixerThread的时候就已经开始启动PlaybackThread::threadLoop。
2. threadLoop
在分析threadLoop之前，我们先来了解MixerThread中的几种Audio操作。
在Threads.cpp内有几个threadLoop_xxx方法，这些方法就分别代表不同的Audio操作：
| 操作 | 方法 | 功能 |
| standby | threadLoop_standby | 待机 |
| mix | threadLoop_mix | 混音 |
| write | threadLoop_write | 音频输出 |
| exit | threadLoop_exit | 退出 |
| drain | threadLoop_drain | 只有offload用到，还不清楚作用 |
| sleep | threadLoop_sleepTime | 无音频需要处理，计算睡眠时间 |
另外还有几个非常重要的变量：
| 变量 | 取值 | 含义 |
| tracksToRemove | 需要被移除的Track，一旦所有的Track都被移除，则表明没有音频数据需要处理，那么线程会进入睡眠 | |
| sleepTime | 睡眠时间 | |
| standbyTime | 如果持续睡眠超出standbyTime，则会进入待机 | |
| mStandby | 表明当前是否为待机状态 | |
| mActiveTracks | 需要进行音频处理的Track，如果该Track已经播放完成或者被停止，则会被移入tracksToRemove | |
| mMixerStatus | MIXER_IDLE | Mixer状态，no active tracks，表明不需要混音，而是进入睡眠 |
| mMixerStatus | MIXER_TRACKS_ENABLED | Mixer状态，at least one active track, but no track has any data ready |
| mMixerStatus | MIXER_TRACKS_READY | Mixer状态，at least one active track, and at least one track has data，表明可以进行混音 |
threadLoop循环
threadLoop内有一个循环，MixerThread是与output（输出设备）相关的（在openOutput的时候才会新建MixerThread），基本上都不会跑出循环之外。
bool AudioFlinger::PlaybackThread::threadLoop()
{
while (!exitPending())
{
....
}
}
MixerThread创建
在进入处理循环之前，首先会设置standbyTime、sleepTime。如果目前没有音频需要处理，进入睡眠，如果持续的睡眠时间超出了standbyTime，则会进入待机。不过由于standbyTime设置为当前时间，因此第一次肯定会执行待机动作。执行了待机操作后，MixerThread就会进入睡眠，等待被唤醒
bool AudioFlinger::PlaybackThread::threadLoop()
{
//设置待机时间、睡眠时间
standbyTime = systemTime();
sleepTime = idleSleepTime;
while (!exitPending())
{
//创建MixerThread时，mActiveTracks肯定是空的，并且当前时间会超出standbyTime
if ((!mActiveTracks.size() && systemTime() > standbyTime) || isSuspended()) {
if (shouldStandby_l()) { //创建MixerThread时肯定会进入待机
threadLoop_standby();
mStandby = true; }
}
if (!mActiveTracks.size() && mConfigEvents.isEmpty()) {
//然后MixerThread会在这里睡眠等待,知道AudioTrack:: start发送广播唤醒
mWaitWorkCV.wait(mLock);
standbyTime = systemTime() + standbyDelay;
sleepTime = idleSleepTime;
}
...
}
}
MixerThread处理音频
如上一篇所说，AudioTrack:: start被执行后，就会唤醒MixerThread线程，接下来就会对音频数据进行处理。处理流程如下图：
正常的音频处理时，会在threadLoop循环内不断的进行混音与音频输出，其中分为三个步骤：
- 混音前的准备工作，prepareTracks_l
- 混音，threadLoop_mix
- 音频输出，threadLoop_write
bool AudioFlinger::PlaybackThread::threadLoop()
{
while (!exitPending())
{
mMixerStatus = prepareTracks_l(&tracksToRemove);
if(mMixerStatus == MIXER_TRACKS_READY)
threadLoop_mix();
}
threadLoop_write();
}
}
① prepareTracks_l
准备混音的过程中，主要的目的有三个：
- 设置混音所需要的参数，包括：音量，混音的源buffer，混音目的buffer，音频格式，是否重采样等。
- 删除被加入tracksToRemove的track
- 返回当前状态mMixerStatus
由于在mActiveTracks中维护的track可能会有多个，因此需要对每个track都执行上述步骤，我们可以依据上述目的来对prepareTrack_l进行分析。
AudioFlinger::PlaybackThread::mixer_state AudioFlinger::MixerThread::prepareTracks_l(Vector< sp<Track> > *tracksToRemove)
{
//默认为空闲状态
mixer_state mixerStatus = MIXER_IDLE;
size_t count = mActiveTracks.size();
//对于所有在mActiveTracks里面的Track，都需要进行设置
for (size_t i=0 ; i<count ; i++) {
const sp<Track> t = mActiveTracks[i].promote();
Track* const track = t.get();
//由于不是fastTrack,因此不会跑这里，而且fastTrack也不会在这里进行混音，我是没有发现有跑进过这个条件里面的
if (track->isFastTrack()) {
...
}
//获取track的name，其实是个索引，AudioMixer会最多维护32个track，分别对饮int的32个bit，如果track的name还没定下来的话，会自行选择一个空位
int name = track->name();
//查看当前track是否stop，如果track被stop，那么这个track不需要设置AudioMixer参数，即frameReady = 0
size_t framesReady;
if (track->sharedBuffer() == 0) {
framesReady = track->framesReady();
} else if (track->isStopped()) {
framesReady = 0;
} else {
framesReady = 1;
}
//混音的情况下，frameReady = 1,那么会进入下面的条件，进行AudioMixer参数设置
if ((framesReady >= minFrames) && track->isReady() && !track->isPaused() && !track->isTerminated()) {
//音量参数
...
//设置AudioMixer参数
//源buffer
mAudioMixer->setBufferProvider(name, track);
//使能该track，即可以混音
mAudioMixer->enable(name);
//左音轨
mAudioMixer->setParameter(name, param, AudioMixer::VOLUME0, (void *)vl);
//右音轨
mAudioMixer->setParameter(name, param, AudioMixer::VOLUME1, (void *)vr);
//aux
mAudioMixer->setParameter(name, param, AudioMixer::AUXLEVEL, (void *)va);
//音频格式
mAudioMixer->setParameter(
name,
AudioMixer::TRACK,
AudioMixer::FORMAT, (void *)track->format());
//音轨mask，哪个需要或者不需要混音
mAudioMixer->setParameter(
name,
AudioMixer::TRACK,
AudioMixer::CHANNEL_MASK, (void *)track->channelMask());
//进行重采样
mAudioMixer->setParameter(
name,
AudioMixer::RESAMPLE,
AudioMixer::SAMPLE_RATE,
(void *)reqSampleRate);
//目的buffer
mAudioMixer->setParameter(
name,
AudioMixer::TRACK,
AudioMixer::MAIN_BUFFER, (void *)track->mainBuffer());
//aux
mAudioMixer->setParameter(
name,
AudioMixer::TRACK,
AudioMixer::AUX_BUFFER, (void *)track->auxBuffer());
//当前状态为ready，即可以混音
mixerStatus = MIXER_TRACKS_READY;
}else{
//track stop时才会走这里
...
}
}
//从mActiveTracks删除需要移除的track
removeTracks_l(*tracksToRemove);
//返回mMixerStatus, 正常混音准备时，这里返回的是MIXER_TRACK_READY
}
从上面的代码来看，有一个需要注意的地方：
mAudioMixer->setParameter(
name,
AudioMixer::RESAMPLE,
AudioMixer::SAMPLE_RATE,
(void *)reqSampleRate);
即安卓的MixerThread会对所有的track进行重采样，那么在混音的时候会调用重采样的混音方法。
②threadLoop_mix
在prepareTrack_l返回了mMixerStatus = MIXER_TRACK_READY，那么就可以进入threadLoop_mix进行混音了。有了上面prepareTrack_l设置的参数，在threadLoop_mix所需要做的主要就是调用AudioMixer的process方法进行混音了。不过还需要对某些变量进行更新。
void AudioFlinger::MixerThread::threadLoop_mix()
{
//首先需要获取timestamps，即输出时间戳，用于seek到源buffer的某个位置进行混音？
if (mNormalSink != 0) {
status = mNormalSink->getNextWriteTimestamp(&pts);
}else{
status = mOutputSink->getNextWriteTimestamp(&pts);
}
//AudioMixer混音
mAudioMixer->process(pts);
//混音了多少音频数据
mCurrentWriteLength = mixBufferSize;
//等下不需要睡眠，直接输出音频
sleepTime = 0;
//待机时间更新
standbyTime = systemTime() + standbyDelay;
}
在混音完成过后，混音目的buffer中的数据都会等待输出，mBytesRemaining就代表了又多少数据需要输出，混音完成后需要用mCurrentWriteLength对这个变量进行更新
bool AudioFlinger::PlaybackThread::threadLoop(){
...
threadLoop_mix();
mBytesRemaining = mCurrentWriteLength;
...
}
③threadLoop_write
threadLoop_write用于混音后的音频输出
ssize_t AudioFlinger::MixerThread::threadLoop_write(){
//现在先不讨论fastMixer
if (mFastMixer != NULL) {
...
}
return PlaybackThread::threadLoop_write();
}
ssize_t AudioFlinger::PlaybackThread::threadLoop_write()
{
//调用write方法输出音频
//如果用fastMixer的话其实会走mNormalSink分支的，现在不讨论
if (mNormalSink != 0) {
ssize_t framesWritten = mNormalSink->write(mMixBuffer + offset, count);
}else{
bytesWritten = mOutput->stream->write(mOutput->stream, mMixBuffer + offset, mBytesRemaining);
}
//最后返回输出了多少音频数据
return bytesWritten;
}
每次音频输出后，都需要对混音目的buffer内剩余的数据量进行更新，并且记录一共输出了多少音频数据
bool AudioFlinger::PlaybackThread::threadLoop(){
...
ssize_t ret = threadLoop_write();
mBytesWritten += ret;
mBytesRemaining -= ret;
...
}
这里也需要注意一点，如果在一次的输出后mBytesRemaining不为0，表明混音目的buffer内的数据并没有被完全输出，那么下一场循环就不能进行混音，而是直接继续输出音频。其实进入threadLoop_mix还有一个条件：
bool AudioFlinger::PlaybackThread::threadLoop()
{
...
if(mBytesRemaining == 0){
if(mMixerStatus == MIXER_TRACK_READY){
threadLoop_mix();
}
}
...
}
MixerThread音频处理结束流程
音频处理结束分为两个阶段：
- sleep
- standby
sleep
在sleep阶段，还会在threadLoop内继续执行循环，但是不会再调用threadLoop_mix进行混音，而prepareTrack_l与threadLoop_write还会继续执行。
一般来说，在音频输出结束时，会执行AudioTrack:: stop，这会导致在prepareTrack_l返回状态MIXER_IDLE
AudioFlinger::PlaybackThread::mixer_state AudioFlinger::MixerThread::prepareTracks_l(
Vector< sp<Track> > *tracksToRemove)
{
mixer_state mixerStatus = MIXER_IDLE;
...
if (track->sharedBuffer() == 0) {
framesReady = track->framesReady();
}else if (track->isStopped()) {
//在音频播放完成或者被停止的时候会走这个条件
framesReady = 0;
}else{
framesReady = 1;
}
//并不会走设置混音参数的流程
if ((framesReady >= minFrames) && track->isReady() &&
!track->isPaused() && !track->isTerminated())
{
...
}else{
...
//track 被停止就会把track加入tracksToRemove
if ((track->sharedBuffer() != 0) || track->isTerminated() ||
track->isStopped() || track->isPaused()) {
if (mStandby || track->presentationComplete(framesWritten, audioHALFrames)) {
if (track->isStopped()) {
track->reset();
}
tracksToRemove->add(track);
}
}
//disable，通知AudioMixer不需要对这个track进行混音
mAudioMixer->disable(name);
}
...
//从mActiveTracks删除该track
removeTracks_l(*tracksToRemove);
//返回开头的MIXER_IDLE
return mixerStatus;
}
由于返回的mMixerStatus == MIXER_IDLE，因此并不会走threadLoop_mix进行混音，从而进入另一个分支threadLoop_sleepTime
bool AudioFlinger::PlaybackThread::threadLoop()
{
if (mBytesRemaining == 0) {
mCurrentWriteLength = 0;
if (mMixerStatus == MIXER_TRACKS_READY) {
//在结束的时候不会跑这里
threadLoop_mix();
} else if ((mMixerStatus != MIXER_DRAIN_TRACK)
&& (mMixerStatus != MIXER_DRAIN_ALL)) {
//进入这个分支
threadLoop_sleepTime();
if (sleepTime == 0) {
mCurrentWriteLength = mixBufferSize;
}
}
}
}
在音频处理结束后的每个循环，threadLoop_sleepTime会取代threadLoop_mix，在threadLoop_sleepTime里面计算出来这次循环需要睡眠多久。threadLoop_sleepTime会交替计算出不同的sleepTime，如: 在音频处理结束后的第一个循环，会算出sleepTime = idleSleepTime;在第二个循环，会计算出sleepTime = 0；第三次又是sleepTime = idleSleepTime; 如此交替下去。（为什么需要这样？）
void AudioFlinger::MixerThread::threadLoop_sleepTime()
{
// If no tracks are ready, sleep once for the duration of an output
// buffer size, then write 0s to the output
// 一开始进入这个函数前的前一个循环，是执行的threadLoop_mix，那时候的sleepTime == 0
// 因此会进入下面这个条件
if (sleepTime == 0) {
if (mMixerStatus == MIXER_TRACKS_ENABLED) {
sleepTime = activeSleepTime >> sleepTimeShift;
if (sleepTime < kMinThreadSleepTimeUs) {
sleepTime = kMinThreadSleepTimeUs;
}
// reduce sleep time in case of consecutive application underruns to avoid
// starving the audio HAL. As activeSleepTimeUs() is larger than a buffer
// duration we would end up writing less data than needed by the audio HAL if
// the condition persists.
if (sleepTimeShift < kMaxThreadSleepTimeShift) {
sleepTimeShift++;
}
} else {
// 由于我们现在的状态时MIXER_IDLE，因此会进入这个条件
// idleSleepTime我们打印出来的是11500us
sleepTime = idleSleepTime;
}
} else if (mBytesWritten != 0 || (mMixerStatus == MIXER_TRACKS_ENABLED)) {
// 由于前一次循环赋值sleepTime = idleSpeelTime;第二个循环进来后会进入这个分支，重新设置sleepTime = 0;
memset (mMixBuffer, 0, mixBufferSize);
sleepTime = 0;
}
// TODO add standby time extension fct of effect tail
}
获得sleepTime后，就可以通过sleepTime是否为0来执行write或者sleep了
void AudioFlinger::MixerThread::threadLoop_sleepTime()
{
...
//可以看到只有sleepTime == 0的时候才会调用write，否则会睡眠
if (sleepTime == 0) {
if (mBytesRemaining) {
ssize_t ret = threadLoop_write();
}
} else {
usleep(sleepTime);
}
...
}
也就是说在这个时间段还是会去输出音频数据的，虽然说这些数据都是0（没有声音）
sleep的流程可以参考下图
standby
进入standby模式的时候，只需要执行两个步骤：
- 调用threadLoop_standby使音频设备进入待机模式
- 调用mWaitWorkCV.wait(mLock);使threadLoop进入睡眠，等待下一次播放音频数据的时候唤醒
那么如何才会进入standby模式呢？我们来回顾前面MixerThread创建的时候，已经进入过一次standby模式了。没错，在播放音频结束后还是从这里进入standby模式。
那么看一下进入standby模式的条件：
if ((!mActiveTracks.size() && systemTime() > standbyTime) ||
isSuspended())
正常情况会通过!mActiveTracks.size() && systemTime() > standbyTime这个条件进去。其中
- 在sleep模式的prepareTrack_l已经把mActiveTracks中需要删除的track去除，当mActiveTracks被完全清空，就代表没有track需要混音输出了，此时mActiveTracks.size() == 0
- systemTime取得当前时间，standbyTime最后一次被赋值是在threadLoop_mix的时候：standbyTime = systemTime() + standbyDelay; 这就表示在最后一次混音之后过了standbyDelay时间，即可以进入standby模式
