Android 4.1 Audio 系统变化说明之一

Android 4.1，英文代号简称JB。在国人眼里，JB这个词还和动物有点关系。Google如此频繁修改Android，终于推出了一个可以被大家整天JB JB挂在嘴上的版本。以后我的文章也可以一面用JB表示版本号，一面用JB表示毛主席常说的”战略上的鄙视了“。请大家根据上下文揣摩我写下JB一词的心情。
今天将稍深入得介绍一下JB 4.1在Audio系统做的翻天覆地的改动。这里先啰嗦几句：就像80后经常抱怨自己晚生了几年一样，马上就会有很多码农抱怨接触Android太晚了。为何？JB Audio系统的难度相对4.0, 2.3, 2.2已经非常非常大了。99%的情况下，在你没有看到这个NB（这不是脏话，4.1 Audio系统中就有一个类叫NBAIO，篮球控不要搞错成NBA了，原意是Non-block Audio I/O。看到了吧，非阻塞I/O，各位自问下，有多少人对这个东西有深刻理解？）东西演化的基础上，不太可能能看懂JB Audio系统。所以，建议这99%中的没有见识过Audio演化历史的屌丝同学们，先仔细研究（以前我仅仅建议大家看看，现在提高要求为仔细研究）《深入理解Android 卷I》Audio系统。BTW，此书在某个章节里特意提醒过大家要去研究下各种I/O模型，不知道有几个人屌过我了。
本文将分几个部分，事前没有打草稿，所以会有点乱。
先从Java层AudioTrack类说起
一 AudioTrack Java类变化说明
  • 声道数上，以前只有单声道（MONO）和立体声（STEREO），现在拓展到最NB八声道（7.1 HiFi啊）。参数名为CHANNEL_OUT_7POINT1_SURROUND。看到这个参数，我下巴咣当就掉下来了。这玩意，一时半会我还弄不明白是个什么道理。有知晓的屌丝码农们不妨告诉大家。 当然，最终的输出还是双声道。多声道（大于2）的时候会使用downmixer处理（下变换处理，同学们可搜索之）
  • 其他的变化也有，但不大了。我这里先挑一些吸引眼球的。BTW，放心，不会像那个泷泽萝拉首秀片子一样只让大家看见大鼻孔的。
二 AudioTrack JNI层变化说明
这一层包括JNI层和AudioTrack本身
  • JNI层变化不大。
  • Audio Native核心代码移到了framework/av下。对，你没看错。真的是av。这就是JB Audio一个比较大的变化。Audio Native核心代码全部移到了frameworks/AV目录下。
  • AudioTrack增加了一个变量，用于控制使用它的进程的调度优先级（前文说错了，这里确实设置的是nicer值）。如果处于播放状态的话，将设置进程调度优先级为ANDROID_PRIORITY_AUDIO。就像你们看到马赛克时一定会嘟喃一样。我这里也要特别啰嗦几句。在单核CPU的情况下，设置优先级是比较愚蠢的(ANDROID_PRIORITY_AUDIO的值为-16，优先级极高，单核设置个这么高的怪物，不知道其他app还怎么玩。如果你不知道我在说什么，先看看这篇文章吧，http://blog.csdn.net/innost/article/details/6940136)。但现在2核，4核已经比较常见了，这里就可以来玩玩调度方面的事情。对屌丝码农的真正考验是：多核并行编程，linux os的原理，需要各位屌丝同学努力掌握。Audio已经不那么能轻易被你们任意蹂躏了。另外，低端手机，求求你们别移植4.1了，这个真的不是低端能玩的。
  • AudioTrack升级为父亲了。JB为它定义了一个莫名其妙的的TimedAudioTrack子类。这个类在编解码的aah_rtp（我现在还不知道aah是什么）里边用到了。从注释上看，该类是一个带时间戳（有时间戳，就可以做同步了）的音频输出接口。详细理解的话，就需要结合具体应用场景去分析了（主要是rtp这一块）。搞编解码的同学们，抓紧了！
  • 另外一个超级复杂的变化，是Audio定义了几个输出flag（见audio.h的audio_output_flags_t枚举定义）。根据注释，该值有两个作用，一个是AT的使用者可以指明自己想使用怎样的outputDevice。另外一个是设备厂商可以通过它声明自己支持的输出设备（看来，设备初始化的时候，又增添了参数读取和配置这方面的工作）。不过，从该枚举的定义来看，我还看不出它和硬件有什么关系。它定义的值如下：
typedef enum {
AUDIO_OUTPUT_FLAG_NONE = 0x0, // no attributes
AUDIO_OUTPUT_FLAG_DIRECT = 0x1, // this output directly connects a track
// to one output stream: no software mixer
AUDIO_OUTPUT_FLAG_PRIMARY = 0x2, // this output is the primary output of
// the device. It is unique and must be
// present. It is opened by default and
// receives routing, audio mode and volume
// controls related to voice calls.
AUDIO_OUTPUT_FLAG_FAST = 0x4, // output supports "fast tracks", 《==什么叫fast track？太难理解了！目前，java层的audiotrack只会使用第一个标志。
// defined elsewhere
AUDIO_OUTPUT_FLAG_DEEP_BUFFER = 0x8 // use deep audio buffers 《==deep buffer是个什么玩意？这个马赛克是不是太大了点？现在完全看不清楚啊？？！
} audio_output_flags_t;
  • AudioTrack其他变化不大。AudioTrack.cpp总共才1600多行，so easy！
OK，上面有好几个马赛克，平常看看日本大片的时候也就撸过去了，但分析Audio可不行。把去马赛克的希望寄托在下一步AudioFlinger的分析上吧！
三 AudioFlinger变化说明
我们将根据AF工作的主要流程来介绍下变化情况：
  • AF创建，包括其onFirstRef函数
  • openOutput函数及MixerThread对象的创建
  • AudioTrack调用createTrack函数
  • AudioTrack调用start函数
  • AF混音，然后输出
3.1 AF创建和onFirstRef
恩，没什么太大变化。有三个点：
  • 现在对Primary设备的音量有了更为细致的控制，例如有些设备能设音量，有些不能设置音量，所以定义了一个master_volume_support（AudioFlinger.h）枚举，用来判断Primary设备的音量控制能力。
  • 以前播放过程的standby时间（就是为了节电而用）是写死的，现在可由ro.audio.flinger_standbytime_ms控制，如果没有这个属性，则默认是3秒。AF还增加了其他变量控制，例如有一个gScreenState变量，用来表示屏幕是开还是关。可通过AudioSystem::setParameters来控制。另外还定义了一个和蓝牙SCO相关的mBtNrecIsOff变量，是用于控制蓝牙SCO（录音时用，蓝牙上的一个专业术语叫，NREC。不知道是什么，用懂的人告诉我一下）时禁止AEC和NS特效的。请参考AudioParameter.cpp
3.2 openOutput函数
openOutput函数比较关键，其中会见到以前的老朋友MixerThread，AudioStreamOutput等。整个流程包括加载Audio相关的硬件so。这部分工作在4.0的时候就有了，谈不上太多的变化。但物是人非，老朋友已经发生巨大变化了。先来看MixerThread家族。

图1 PlaybackThread家族
图1稍加解释：
  • ThreadBase从Thread派生，所以它会运行在一个单独的线程中（啰嗦一句，线程和对象其实没有关系的，不懂多线程编程的码农们请务必认真学习多线程）。它定义了一个枚举type_t，用来表示子类的类型，这几个类型包括MIXER,DIRECT,RECORD,DUPLICATING等。这个应该比较好懂吧？
  • ThreadBase的内部类TrackBase从ExtendedAudioBufferProvider派生，这个应该是新增加的。TrackBase嘛，大家把它理解成一个Buffer Container就好了。
  • ThreadBase的内部类PMDeathRecipient用来监听PowerManagerService的死亡消息。这个设计有点搞，因为PMS运行在SystemService中，只有SS挂了，PMS才会挂。而SS挂了，mediaserver也会被init.rc的规则给弄死，所以AudioFlinger也会死。既然大家都一起死，速度很快。故，设置这个PMDeathRecipient有何大的意义呢？
再来看ThreadBase的一个重要子类PlaybackThread，这个类应该是做过大整容了。
  • 其定义了一个枚举mixer_state，用来反映当前混音工作的状态，有MIXER_IDLE，MIXER_READY和MIXER_ENABLED
  • 定义了几个虚函数，需要子类实现，包括threadLoop_mix，prepareTracks_l等。这几个函数的抽象工作做得还是可以。但变化之大让人防不胜防啊。
  • Track类增加了从VolumeProvider派生，这个VP是用来控制音量的。根据前面的介绍，在JB中，音量管理比以前来得细致
  • 新增定义了TimedTrack。这个类的作用和前面提到的rtp aah有关。等同学们学完本篇，即可开展相应研究，打响歼灭战！
接下来看图2。

图2 MixerThread和它的弟兄们
图2，简单介绍一下：
  • MixerThread从PlaybackThread派生，这个关系至始至终不会变化，相信以后也不会。
  • MT最大的变化是其中几个重要的成员变量。大家肯定认识其中的AudioMixer，它是用来混音的。
  • 新增一个Soaker对象（由编译宏控制），它是一个线程。这个单词的前缀soak在webster词典（相信经历过，那些年，我们一起GRE的日子 的人知道什么是webster）中最贴切的一条解释是to cause to pay an exorbitant amount。还是不很明白是干嘛的？再一看代码。原来，soaker就是一个专职玩弄CPU的线程。它的工作就是不断得做运算，拉高CPU使用率。它的存在应该是为了测试新AF框架在多核CPU上的效率等等等的问题。所以，低端智能机们，你们不要玩JB了。
  • 另外一条证明低端智能机不能随便玩JB的铁证就是：我们看到MT中新增了一个FastMixer，它也是一个线程。明白了？在JB中，多核智能机上，混音工作可以放到FastMixer所在的线程来做，当然速度，效率会高了。
  • FastMixer工作流程比较复杂，又牵扯到多线程同步。所以，这里定义了一个FastMixerStateQueue，它由typedef StateQueue<FastMixerState>得到。首先它是一个StateQueue（简单把它当做数组吧）。其数组元素的类型为FastMixerState。一个StateQueue通过mStats变量保存4个FasetMixerState成员。
  • FasetMixerState类似状态机，有一个enum Command，用来控制状态的。FastMixerState中含有一个八元组的FastTracks数组。FastTrack是用来完成FastMixer的一个功能类。
  • 每个FastTrack都有一个mBufferProvider，该成员类型为SourceAudioBufferProvider。
以上的内容已经比较复杂了，下面来介绍下MixerThread对象创建中碰到的其他内容：
3.3 MixerThread创建
通过图1和图2，应该对AF的几个主要成员有了认识。可惜啊，上面MixerThread中还有一个mOutputSink成员，没看到吧？它就和我们前面提到的NBAIO（Non-block Audio I/O ）有重大关系。NBAIO的存在，是为了想实现非阻塞的音频输入输出操作。下面是这个类的注释：
NBAIO注释：
// This header file has the abstract interfaces only. Concrete implementation classes are declared
// elsewhere. Implementations _should_ be non-blocking for all methods, especially read() and
// write(), but this is not enforced. In general, implementations do not need to be multi-thread
// safe, and any exceptions are noted in the particular implementation.
NBAIO只是定义了一个接口，需要去实现具体的实现类。当然，它要求read/write函数是非阻塞的，真实实现到底是不是阻塞，由实现者去控制。
个人感觉这部分框架还没有完全成熟，但NBIO的引入，需要同学们小心，相对而言，难度也比较大。下面我们通过图3来看看NBAIO的一些内容。

图3 NBAIO相关内容
图3解释如下：
  • NBAIO包括三个主要类，一个是NBAIO_Port，代表I/O端点，其中定义了一个negotiate函数，用于调用者和I/O端点进行参数协调。注意，并不是为I/O端点设置参数。因为I/O端点往往和硬件相关，而硬件有些参数是不能像软件一般随意变化的。例如硬件只支持最多44.1KHZ的采样率，而调用者传递48KHz的采样率，这直接就需要一个协商和匹配的过程。这个函数的比较难用，主要是规则较多。同学们可以参考其注释说明。
  • NBAIO_Sink对应output端点，其定义了write和writeVia函数，writeVia函数需要传递一个回调函数via，其内部将调用这个via函数获取数据。类似数据的推/拉两种模式。
  • NBAIO_Source对应input端点，其定义了read和readVia函数。意义同NBAIO_Sink。
  • 定义一个MonoPipe和MonoPipeReader。Pipe即管道，MonoPipe和LINUX中的IPC通信Pipe没毛关系，只不过借用了这个管道概念和思路。MonoPipe即只支持单个读者的Pipe（AF中，它是MonoPipeReader）。这两个Pipe，代表了Audio的Output和Input端点。
  • MT中由mOutputSink指向AudioStreamOutSink，此类用NBAIO_Sink派生，用于普通的mixer的输出。mPipeSink指向MonoPipe，本意是用于FastMixer的。另外，还有一个变量mNormalSink，它将根据FastMixer的情况，指向mPipeSink，或者是mOutputSink。这段控制的逻辑如下：
switch (kUseFastMixer) { //kUseFastMixer用于控制FastMixer的使用情况，一共4种：
case FastMixer_Never: //永远不使用FastMixer，这个选项用于调试，即关闭FastMixer的情况
case FastMixer_Dynamic: //根据情况，动态使用。根据注释，这个功能似乎还没有完全实现好
mNormalSink = mOutputSink;
break;
case FastMixer_Always: //永远使用FastMixer，调试用
mNormalSink = mPipeSink;
break;
case FastMixer_Static://静态。默认就是这个。但具体是否使用mPipeSink，将收到initFastMixer的控制
mNormalSink = initFastMixer ? mPipeSink : mOutputSink;
break;
}
由上所述，kUseFastMixer默认是FastMixer_Static，但mNormalSink是否指向mPipeSink，还由initFastMixer控制。这个变量本身又有mFrameCount和
mNormalFrameCount的大小决定，只有mFrameCount小于mNormalFrameCount时，initFastMixer才为真。晕了....这两个frameCount由PlaybackThread的
readOutputParameters得到。请同学们自己研究这段代码吧，就是一些简单的计算。想要搞明白的话，最好带着参数进去，把值都算出来。
好了，MixerThread的创建就分析到此，最好还是把这段代码多研究研究。了解几个兄弟对象是做什么的....
3.4 createTrack和start说明
createTrack中最大的变化就是新增了对MediaSyncEvent同步机制的处理。MediaSyncEvent的目的很简单，其Java API的解释如下：startRecording(MediaSyncEvent) is used to start capture only when the playback on a particular audio session is complete. The audio session ID is retrieved from a player (e.g MediaPlayer, AudioTrack or ToneGenerator) by use of the getAudioSessionId() method. 简单点讲，就是必须等上一个player工作完毕了，才能开始下一个播放或者录制。这个机制解决了Android长久以来的声音经常混着出来的问题（目前一个恶心但却实效的方法就是加一个sleep，以错开多个player不同步的问题。）。注意，iPhone上就没有这个问题。
另外，这个机制的潜在好处就是解放了做AudioPolicy AudioRoute工作的同学们，似乎（个人感觉是可以解决这个问题的）可以不用再去琢磨到底sleep多少时间，在哪加sleep的问题了
在AF中，MediaSyncEvent机制的代表是SyncEvent。大家自己看看就好。
start函数的变化不大，其中加了对SyncEvent的处理。
另外，createTrack中还涉及到FastMixer和TimedTrack处理。核心在PlaybackThread的createTrack_l和Track构造函数中。尤其是和FastMixer的关系。
根据图2，FM(FastMixer简写)内部用得数据结构是FastTrack，而MT用得是Track，所以这里存在一一对应的关系。FM的FastTrack是保存在数组中的，所以
使用FM的Track将通过mFastIndex来指向这个FastTrack。
现在搞清楚FastTrack和Track之间的关系即可，后续的数据流动还需要详细讨论
下面来看看MixerThread的工作流程。这部分是重头戏！
3.5 MixerThread的工作流程
这部分难的还是在FastMixer的工作原理上。不过这里提前和大家说：目前这个功能还没有做完，代码里边一堆的FIXME...。但屌丝们不要happy太早了，
估计马上、很快、必须得下个版本就好了。现在看看这个不成熟的东西，可以缓解以后看到成熟的东西的心理压力。
MT是一个线程，其工作内容主要在threadLoop中完成，而这个函数是由其基类PlaybackThread定义的，大体变化如下：
  • PlaybackThread的threadLoop定义了整个音频处理的大体流程，具体的细节通过几个虚函数（如prepareTracks_l,threadLoop_mix,threadLoop_write）交给子类去实现了
  • MT变化大的首先是prepareTracks_l，首先处理的是FastMix类型的Track，判断标准是该Track是否设置了TRACK_FAST标志（爽了，目前JB中还没有哪个地方使用了这个标志）。这部分判断比较复杂。首先FastMixer维护了一个状态机，另外，这个FastMixer运行在自己的线程里，所以线程同步是必须的。这里采用的是状态来控制FastMixer的工作流程。由于涉及到多线程，所以音频的underrun,overrun状态（不知道是什么吗？看前面提到的参考书！）也是一个需要处理的棘手问题。另外，一个MT是带一个AudioMixer对象，这个对象将完成数据的混音，下变换等等超难度，数字音频处理等方面的工作。也就是说，对于混音来说，前期的prepare工作还是由MT线程来完成，因为这样可以做到统一管理（有些Track并不需要使用FastMixer。但仔细一想，谁都希望处理越快越好，在多核CPU上，将混音工作交给多个线程处理是充分利用CPU资源的典范，这应该是未来Android演化的趋势。所以，我估计这个JB还没完全长大....）。对FastMixer感兴趣的屌丝们，请务必认真研究prepareTracks_l函数。
  • MT下一个重要函数就是threadLoop_mix了，由于存在一个TimedTrack类，那么AudioMixer的process函数就带上了一个时间戳，PTS，presentation timestamp。从编解码角度来说，还有一个DTS，Decode timestamp。这里要闲扯下PTS和DTS的区别了。DTS是解码时间，但编码的时候由于有可能会根据未来帧来编码当前帧。所以，解码的时候会先解未来帧，然后解出当前帧，但是。你播放的时候可不能先播未来帧。只能老老实实得按播放顺序来先播当前帧，然后播未来帧（尽管先解出来的是未来帧）。关于PTS/DTS，请屌丝们研究下IBP相关的知识吧。回到MT，这个PTS是从硬件hal对象取的，应该是HAL内部维护的时间戳。这个时间戳原则上会比较准确。
  • 混音完了，再做特效处理（和以前的版本差不多），然后调用threadLoop_write。MT的threadLoop_write函数的输出端点就是前面那个坑爹的mNormalSink，如果不为空，就调用它的write函数。想着是调用NBAIO_Sink的非阻塞的write函数。根据图2的分析，它有可能是那个MonoPipe，也有可能就是AudioStreamOutputSink，这个sink节点用得就是以前的AudioStreamOutput。而MonoPipe的write其内部就是一个buffer。并没有和真实的AUDIO HAL Output挂上关系。这.....咋整？？（大胆假设，小心求证。只能是FastMixer把这个buffer取出来，然后再写到真实的Audio HAL中了。因为在MixerThread构造函数中，曾经为FastTrack保存过mOutputSink，这个就是用来和AudioStreamOutput联系的）
另外，DulicatingThread,DirectOuptutThread没有太大变化。
 
四 FastMixer工作原理简单说明
我以前想得是：混音工作由FastMixer线程和MixerThread线程共同完成，但输出工作依然在MixerThread做。从上面MonoPipe的分析来看，这个判断可能不准。
既有可能是输出工作也交给FastMixer来做，而MixerThread仅做一部分混音工作，然后把数据通过MonoPipe传给FastMixer线程。FastMixer线程将自己的FastTrack的混音结果和MT的混音结果再做一次混音，然后再由FastMixer输出。
FM定义在FastMixer.cpp中，核心就是一个ThreadLoop。由于AF所有Track的预备工作由MT线程来做，所以FM的threadLoop基本上就是根据状态来做对应处理。
这里的同步使用了LINUX中很底层的futex（Fast Userspace Mutex）。晕，futex是POSIX Mutex的实现基础。不知道写这段代码的人为何不直接用Mutex（估计还是嫌效率的问题，但是 妈的，用了Mutex效率能差多少？代码是写给人看的，太B4我们了...）。玩多线程玩到这种地步，佩服啊！不懂多线程编程的屌丝们，请仔细研究Posix MultiThread Programming吧
  • FastMixer内部还使用了一个AudioMixer，用于它的混音
  • 然后再write出去.....
这里是FM的简单说明，详细内容，没有拿个真机给我，我也没法整啊....欢迎乐善好施的兄弟们刷个4.1的机器，然后借给我研究下...
（这玩意，个人感觉也不是太难。东西嘛，耐不住琢磨，总能搞透的）。兄弟们今天知道FM和MT的大体工作流程就可以了。
 
五 其他变化
其他变化包括：
  • 非常注重调试了，加了大量的XXXDump类。看来，Google自己开发的时候也碰到不少问题。简单的功能，谁会想着去dump呢？
  • 增加AudioWatchdog类，用来监控AF性能的，如CPU使用情况等。
六 总结
我记得在研究2.2 AF的时候，AudioFlinger才3k多行，而JB已经有9K多行了。还没算其他的辅助类。从整体上看，JB变化趋势为：
  • 要充分利用多核资源，所以FastMixer的出现是必然。还包括NBAIO接口。感觉对HAL编写会有大的挑战。
  • 增加TimedTrack和SyncEvent，对于RTP或者多个player间的同步会带来比较好的用户体验。
  • 增加native层往java层通知的接口。
还有其他的东西.....今天先到这了。
对屌丝的考验：
  1. LINUX OS编程和POSIX编程必须熟练掌握。
  2. 复杂代码分析能力必须尽快提高。否则，后面根本看不懂。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
posted @ 2012-07-16 11:39  innost  阅读(14639)  评论(13)  编辑  收藏  举报