Android audio介绍

Posted 2021-03-17 北落不吉

开始这篇文章之前，需要先了解<Linux音频编程>

1. 架构

在android中，audio以分层的方式实现，从上到下依次为

- 应用框架: 提供android.media API

音频管理器: AudioManager
音频采集: MediaRecoder, AudioRecord
音频播放: SoundPool, MediaPlayer, AudioTrack
音频编解码: MediaCodec

- JNI: 通过调用libmedia库实现android.media所需的接口，在libandroid_runtime.so中体现
…
- HAL层: 实现audio_hw_device和audio_policy_hal, 实现与ALSA的音频接口, 实现音频路径的创建和连接

2. Audio HAL

Audio HAL架构使用的是比较复杂，混合了HIDL和Legacy HAL，笔者看的也是一头雾水
可参考<Android O Treble架构下Hal进程启动及HIDL服务注册过程>

2.1 HAL接口

HAL接口输出文件如下，主要供libaudiohal来使用

android.hardware.audio.common-util.so
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Audio HAL提供的接口(以2.0为例)主要包括

// 音频设备
IDevice.hal
  |- initCheck()
  |- setMasterVolume(float): 设置除voice call外其他音频活动的音量
  |- getMasterVolume():      获取主音量
  |- setMicMute(bool):       设置麦克风静音状态
  |- getMicMute():           获取麦克风静音状态
  |- setMasterMute(bool):    设置静音状态
  |- getMasterMute(bool):    获取静音状态
  |- getInputBufferSize(AudioConfig): 获取音频输入缓冲区大小
  |- openOutputStream(*):    创建和打开音频硬件输出流
  |- openInputStream(*):     创建和打开音频硬件输入流
  |- supportsAudioPatches(): 判断HAL是否支持AudioPatch
  |- createAudioPatch(*):    为SRC和SINK创建AudioPatch
  |- releaseAudioPatch(*):   释放一个AudioPatch
  |- getAudioPort(*):        获取指定音频端口属性
  |- setAudioPortConfig(*):  配置音频端口
  |- getHwAvSync():          获取设备的硬件同步源
  |- setScreenState(bool):   设置屏幕状态
  |- getParameters(vec<string>): 获取厂商定义的参数值
  |- setParameters(vec<ParameterValue>): 设置厂商定义的参数值

// 音频代理
IDevicesFactory.hal
  |- openDevice(Device):     打开一个音频设备

// 主音频设备
IPrimaryDevice.hal
  |- setMasterVolume(float): 设置voice call音量
  |- setMode(AudioMode):     设置音频模式
  |- getBtScoNrecEnabled():  获取蓝牙ECNR使能状态
  |- setBtScoNrecEnabled():  设置蓝牙ECNR使能状态
  |- getBtScoWidebandEnabled():     获取蓝牙Wideband使能状态
  |- setBtScoWidebandEnabled(bool): 设置蓝牙Wideband使能状态
  |- getTtyMode():           获取当前TTY模式
  |- setTtyMode():           设置当前TTY模式
  |- getHacEnabled():        获取HearingAid使能状态
  |- setHacEnabled():        设置HearingAid使能状态

// 音频流
IStream.hal
  |- getFrameSize():         获取帧大小
  |- getFrameCount():        获取缓冲区帧数
  |- getBufferSize():        获取流的缓冲区大小
  |- getSampleRate():        获取采样率(Hz)
  |- getSupportedSampleRates():  获取流支持的支持的采样率(Hz)
  |- setSampleRate(uint32_t):    设置流的采样率
  |- getChannelMask():       获取流的channel mask
  |- getSupportedChannelMasks(): 获取流支持的channel mask
  |- setChannelMask():       获取流的channel mask
  |- getFormat():            获取流的音频格式
  |- getSupportedFormats():  获取流支持的音频格式
  |- setFormat():            设置流的音频格式
  |- getAudioProperties():   获取流参数
  |- addEffect():            添加音效到流
  |- removeEffect(uint64_t): 从流上停止某音效
  |- standby(uint64_t):      让硬件输入输出进入standby模式
  |- getDevice():            获取流连接的设备
  |- setDevice():            连接设置到流
  |- setConnectedState():    通知设备连接状态
  |- setHwAvSync(AudioHwSync):   设置硬件同步源
  |- getParameters(vec<string>): 获取厂商参数
  |- setParameters(vec<ParameterValue>):  设置厂商参数
  |- start():                开始流操作(mmap模式)
  |- stop():                 停止流操作
  |- createMmapBuffer():     获取audio mmap缓冲区信息
  |- getMmapPosition():      读取audio mmap缓冲区读写位置
  |- close():                关闭和释放流

// 音频输入流
IStreamIn.hal
  |- getAudiosource():       获取输入流的source描述
  |- setGain():              设置音频驱动的输入增益
  |- prepareForReading():    设置必需的传输层以从驱动接收音频缓冲区
  |- getInputFramesLost():   获取丢失的输入帧的数量
  |- getCapturePosition():   获取接收到的音频帧数与时钟时间。

// 音频输出流
IStreamOut.hal
  |- getLatency():           获取硬件传输延迟(毫秒)
  |- setVolume(float, float):    设置音量, 用于混音后
  |- prepareForWriting():    设置必需的传输层将音频缓冲区传递给驱动
  |- getRenderPosition():    获取音频DSP写入DAC的音频帧数
  |- getNextWriteTimestamp():    获取下一次写入音频驱动时间(微秒)
  |- setCallback():          设置回调接口, 用于非阻塞模式
  |- clearCallback():        清楚回调
  |- supportsPauseAndResume():   HAL是否支持暂停和恢复流
  |- pause():                暂停流
  |- resume():               恢复流
  |- supportsDrain():        ???
  |- drain():                ???
  |- flush():                刷新流
  |- getPresentationPosition():  获取音频帧数

// 音频输入流回调
IStreamOutCallback.hal
  |- onWriteReady():         非阻塞写入已完成
  |- onDrainReady():         Drain(?)完成
  |- onError():              出错

2.2 HAL服务

Audio HAL服务需要实现hal接口。

这部分通常是由厂商来定制实现，Android有一个默认实现，但是实际没有什么参考意义。

/*
 * Code:   hardware/interfaces/audio/common/all-versions/default/service/service.cpp
 * Output: /vendor/bin/hw/android.hardware.audio@2.0-service
 */
main()
   // 连接至vndservicemanager
   android::ProcessState::initWithDriver("/dev/vndbinder") 
   android::ProcessState::self()->startThreadPool()

   registerPassthroughServiceImplementation<audio::V4_0::IDevicesFactory>()
   registerPassthroughServiceImplementation<audio::V2_0::IDevicesFactory>()

   registerPassthroughServiceImplementation<audio::effect::V4_0::IEffectsFactory>()
   registerPassthroughServiceImplementation<audio::effect::V2_0::IEffectsFactory>()

   registerPassthroughServiceImplementation<soundtrigger::V2_1::ISoundTriggerHw>()
   registerPassthroughServiceImplementation<soundtrigger::V2_0::ISoundTriggerHw>()

   registerPassthroughServiceImplementation<bluetooth::a2dp::V1_0::IBluetoothAudioOffload>()

   android::hardware::joinRpcThreadpool()

# cat /vendor/etc/init/[e-mail]
service vendor.audio-hal-2-0 /vendor/bin/hw/android.hardware.audio@2.0-service
    class hal
    user audioserver
    oneshot
    interface android.hardware.audio@4.0::IDevicesFactory default
    interface android.hardware.audio@2.0::IDevicesFactory default

# /vendor/etc/vintf/manifest.xml
<manifest version="1.0" type="device" target-level="3">
...
    <hal format="hidl">
        <name>android.hardware.audio</name>
        <transport>hwbinder</transport>
        <version>4.0</version>
        <interface>
            <name>IDevicesFactory</name>
            <instance>default</instance>
        </interface>
    </hal>
...
</manifest>

2.3 libaudiohal

libaudiohal封装了audio hal的接口，以libaudiohal.so的形式供AudioFlinger使用，而libaudiohal又使用了libaudiohal@4.0和libaudiohal@2.0两个库，同时libaudiohal@4.0和libaudiohal@2.0有分别是audio hal接口的封装

libaudiohal最终提供的是DeviceHalInterface、DevicesFactoryHalInterface和EffectsFactoryHalInterface接口

# tree frameworks/av/media/libaudiohal
.
+--- 2.0
|   +--- Android.bp   -- libaudiohal@2.0
+--- 4.0
|   +--- Android.bp   -- libaudiohal@4.0
+--- Android.bp       -- libaudiohal

/*
 * DevicesFactoryHalInterface提供了create和openDevice两个方法
 */
DevicesFactoryHalInterface::create()
    /*
     * 这里仅仅分析了V2_0版本, V4_0类似
     * 提供了两种方式来访问audio hardware
     *   - HIDL:   即DevicesFactoryHalHidl, 用于primary, usb和remote_submix
     *   - Legacy: 即DevicesFactoryHalLocal, 用于a2dp
     */
    new DevicesFactoryHalHybrid()
        new DevicesFactoryHalLocal()
        new DevicesFactoryHalHidl()
            hardware::audio::V2_0::IDevicesFactory::getService()

DevicesFactoryHalInterface::openDevice(char *name, DeviceHalInterface *device)
    DevicesFactoryHalHybrid::openDevice(name, device)
        // 针对hearing_aid和a2dp设备
        DevicesFactoryHalLocal::openDevice(name, device)
            load_audio_interface(name, audio_hw_device_t **dev)
            new DeviceHalLocal(dev)
        // 针对其他设备, 包括primary, usb, remote_submix设备
        DevicesFactoryHalHidl::openDevice(name, device)
            // 获取HIDL接口名
            nameFromHal(name, IDevicesFactory::Device &)
            IDevicesFactory::openDevice()
                new DeviceHalHidl(IDevice)

/* 这里暂不做分析 */
EffectsFactoryHalInterface::create()

3. Native Audio

3.1 audioserver

Native Audio服务在Android N之前存在于mediaserver中，Android N之后由audioserver来启动

audioserver主要启动了两个Native binder服务

- AudioFlinger:      音频系统策略的执行者, 负责音频流设备的管理及音频流数据的处理传输, 由libaudioflinger实现具体功能
- AudioPolicyService: 音频系统策略的制定者, 负责音频设备切换的策略抉择、音量调节策略等, 由libaudiopolicyservice实现具体功能

audioserver的启动的详细过程如下

/*
 * frameworks/av/media/audioserver/audioserver.rc
 */
# cat audioserver.rc
service audioserver /system/bin/audioserver
    class core
    user audioserver
    onrestart restart vendor.audio-hal-2-0
    onrestart restart audio-hal-2-0
/*
 * Code:   frameworks/av/media/audioserver/main_audioserver.cpp
 * Output: /system/bin/audioserver
 */
main()
    AudioFlinger::instantiate()
        BinderService::instantiate()
            BinderService::publish()
                IServiceManager sm = defaultServiceManager()
                sm::addService("media.audio_flinger", new AudioFlinger())
                    AudioFlinger::onFirstRef()
                        new PatchPanel(this)
                        gAudioFlinger = this;

    AudioPolicyService::instantiate()
                sm::addService("media.audio_policy", new AudioPolicyService())
                    AudioPolicyService::onFirstRef()
                        // Tone播放线程
                        new AudioCommandThread("ApmTone", this)
                            AudioCommandThread::onFirstRef()
                                Thread::run()
                                    AudioCommandThread::threadLoop()
                        // Audio命令线程
                        new AudioCommandThread("ApmAudio", this)
                        // 输出命令线程
                        new AudioCommandThread("ApmOutput", this)
                        new AudioPolicyClient(this)
                        createAudioPolicyManager()
                            new AudioPolicyManager(mAudioPolicyClient)
                                AudioPolicyManager::AudioPolicyManager()
                                    /*
                                     * 当定义了USE_XML_AUDIO_POLICY_CONF = 1
                                     * 加载/odm/etc/audio_policy_configuration.xml
                                     *     /vendor/etc/audio_policy_configuration.xml
                                     *     /system/etc/audio_policy_configuration.xml
                                     * 否则加载
                                     *     /system/etc/audio_policy.conf
                                     *     /vendor/etc/audio_policy.conf
                                     */
                                    AudioPolicyManager::loadConfig()
                                        deserializeAudioPolicyXmlConfig()
                                    // FIXME: Do a lot of things
                                    AudioPolicyManager::initialize()
                        new AudioPolicyEffects()
                        new UidPolicy(this)
                        UidPolicy::registerSelf()
    // Oboe Service
    AAudioService::instantiate()
    SoundTriggerHwService::instantiate()

3.2 AudioFlinger

AudioFlinger实现了名为”media.audio_flinger”的binder本地端，而远程端由libaudioclient实现。

// 接口定义
frameworks/av/include/media/IAudioFlinger.h 

// 实现AudioFlinger本地端
libaudioflinger <==> frameworks/av/services/audioflinger/* 

// 实现AudioFlinger远程端
libaudioclient  <==> frameworks/av/media/libaudioclient/*

AudioFlinger主要提供了如下接口

3.3 AudioPolicyService

AudioPolicyService实现了名为”media.audio_policy”的binder本地端，而远程端由libaudioclient实现。

// 接口定义
frameworks/av/include/media/IAudioPolicyService.h

// 实现AudioPolicyService本地端
libaudiopolicyservice <==> frameworks/av/services/audiopolicy/* 

// 实现AudioPolicyService远程端
libaudioclient        <==> frameworks/av/media/libaudioclient/*

AudioPolicyService主要提供了如下接口

3.4 libaudioclient

libaudioclient实现了AudioFlinger和AudioPolicyService的远程端，并实现了如下接口供media JNI使用

// android::media::*  <===> frameworks/av/media/libaudioclient/
// JNI                <===> frameworks/base/core/jni
-----------------------------------------------------
| android::media::* | JNI                           |
-----------------------------------------------------
| AudioSystem.cpp   | android_media_AudioSystem.cpp |
| AudioRecord.cpp   | android_media_AudioRecord.cpp |
| AudioTrack.cpp    | android_media_AudioTrack.cpp  |
-----------------------------------------------------

3.5 AAudio

AAudio是在Android O版本中引入的全新Android C API。此API专为需要低延迟的高性能音频应用而设计。应用通过读取数据并将数据写入流来与AAudio进行通信。

// 接口定义
frameworks/av/media/libaaudio/include/aaudio/AAudio.h

// 实现AAudio服务
libaaudioservice  <==> frameworks/av/services/oboeservice/*

// 实现AAudio客户端
libaaudio         <==> frameworks/av/media/libaaudio/*

这部分目前不做分析，似乎是可选功能

4. Java Audio

在Java层把Audio从功能上分为三类接口

AudioService:   负责的是Audio系统的综合管理功能, 对应的API为AudioManager
AudioTrack:     负责音频数据的输出，即播放
AudioRecorder:  负责音频数据的输出和输入，即录制

4.1 AudioService

AudioService由SystemServer启动，继承自IAudioService.Stub(通过IAudioService.aidl自动生成的)，AudioService位于IAudioService的Bn端；

AudioManager拥有IAudioService的Bp端，是AudioService在客户端的一个代理，几乎所有客户端对AudioManager进行的请求，最终都会交由AudioService实现

AudioService的功能实现依赖AudioSystem类，AudioSystem是Java层到native层的代理；AudioService将通过AudioSystem与AudioPolicyService以及AudioFlinger进行交互

IAudioService  -   frameworks/base/media/java/android/media/IAudioService.aidl)

SystemServer::startOtherServices()
    SystemServiceManager::startService(AudioService.Lifecycle.class)
        new AudioService()
        AudioService::onStart()
            publishBinderService(Context.AUDIO_SERVICE, new AudioService());
                // 向servicemanager注册服务
                ServiceManager.addService( , , , )
        AudioService::onBootPhase(SystemService.PHASE_ACTIVITY_MANAGER_READY)
            AudioService::systemReady()
                AudioHandler::handleMessage(MSG_SYSTEM_READY)
                    AudioService::onSystemReady()
                        AudioHandler::onLoadSoundEffects()
                        // Bluetooth releated config
                        AudioService::onIndicateSystemReady()
                            // 位于android_media_AudioSystem.cpp
                            android_media_AudioSystem_systemReady()
                                // 位于AudioSystem.cpp
                                AudioSystem::systemReady()

AudioService主要是作为AudioManager的后端服务存在

@SystemService(Context.AUDIO_SERVICE)
public class AudioManager {
    ...
    private static IAudioService getService()
    {
        if (sService != null) {
            return sService;
        }
        IBinder b = ServiceManager.getService(Context.AUDIO_SERVICE);
        sService = IAudioService.Stub.asInterface(b);
        return sService;
    }
    ...
}

AudioService/AudioManager的功能主要包括下面三个方面

- 音量控制
- 音频IO设备的管理
- 音频焦点机制

4.2 AudioTrack

Java层的AudioTrack通过JNI的方式使用android_media_AudioTrack.cpp封装的接口，然后调用到libaudioclient中的的android::media::AudioTrack

111

4.3 AudioRecord

Java层的AudioRecord通过JNI的方式使用android_media_AudioRecord.cpp封装的接口

OpenSL ES 和 AAudio

https://www.jianshu.com/p/a676d4d959ae

https://source.android.google.cn/devices/audio/implement

https://blog.csdn.net/Ciellee/article/details/101980726

https://blog.csdn.net/shell812/article/details/73467010

https://www.jianshu.com/p/cf98b3cc6767

https://blog.csdn.net/u013928208/article/details/81667162

<AAudio架构讲解以及实现范例>