Android音频通路的切换

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Android音频通路的切换

Android支持多种设备的的输出。一台正常的机子，本身就自带话筒，扬声器，麦克风等多个声音输入输出设备，再加上五花八门的外置设备（通过耳机，蓝牙，wifi等方式连接），使声音的输出更具多样性。Android支持如此多的设备连接，那么android内部是怎样对设备的输出输出进行控制的呢？这一次我们主要来看看音频通路的切换。

音频流、设备、音频策略

要想知道Andorid是怎样对设备的输出输出进行控制的，我们首先来了解一些音频相关的基本知识： stream_type、content_type、devices、routing_strategy。
stream_type:音频流的类型。在当前系统中，Android(6.0)一共定义了11种stream_type以供开发者使用。Android上层开发要想要发出声音，都必须先确定当前当前的音频类型。
content_type:具体输出类型。虽然当前一共有11种stream_type,但一旦进入到Attribute，Android就只将其整理成几种类型。这才是实际的类型。
device:音频输入输出设备。Android定义了多种设备输入输出设备（具体物理设备可能还是那几个，但是输出场景不尽相同）。
routing_strategy:音频路由策略。默认情况下，Android是根据路由策略去选择设备负责输出输入音频的。

stream_type在android中java层与c++层均有定义。并且对应的值是保持一致的。

device与stream_type一样，在java层和C++层均有定义，并且会根据使用的情况不同蕴含多个定义：

 
相对stream_type，routing_strategy只是一个定义在RountingStrategy.h的一个简单的枚举结构体：

usecase只是qcom内部定义的一个数据结构，位于hal层，用作处理处理内部声卡逻辑和输出方案。输出方案与声卡中的mixer_path_xxx.xml相联。而mixer_path等相关文件，才是具体的音频输出方案。

我们通过查看当前的声卡情况确定了当前具体的mixer_path文件——mixer_path_skue.xml。xml文件内部就是我们预定义的usecase的具体情况：

在mixer_path类文件中，一个标准的path就如上面的红框那样。有名字，有一定的参数。另外，一个patch之中，还可以嵌套另外一个patch。
由于usecase只是目前高通hal层独有的定义，所以本文不会花太多时间和精力去探讨usecase的相关设置和内容。目前来说，对这个有一定的认知就可。

AudioPolicy和AudioPolicyService
在了解完Audio一些基本的定义设定之后，我们来看一下Android的Audio整体架构。
Audio内部系统从上到下包含各方面的东西。对于声音输出的设备的选择与切换，我们主要需要关注2个地方。第一处，是外接设备如耳机，蓝牙设备等连接的通知。第二处就是Audio系统中核心的AudioFinger与AudioPolicyService的处理内容。
AudioFinger是Audio系统的工作引擎，管理者系统中输入输出音频流，并承担音频数据混音，以及读写Audio硬件等工作以实现数据的输入输出功能。AudioPolicyService是Audio系统策略控制中心，具体负责掌管系统中声音设备的选择和切换，音量控制等功能。
AudioFinger与AudioPolicyService的类图关系：

在AudioFlinger和AudioPolicyService的运作中其实包含着很多类，但同时，我们也可以发现，在Audio系统中， AudioFinger与AudioPolicyService是紧密相连的。总得来说，AudioFinger与AudioPolicyService是Audio系统的核心。所以下面我们很多内容的主角，都是他们2个。
基本的声音输出调用
发出声音是Android机器的一个最基本的功能。但是，Android是怎么发出声音的呢？就算不连接外设，Android最基本还有听筒和扬声器2个设备。那么，Android内部，是怎么控制他们2个发出声音的呢？下面我们来具体看 一下Android一般情况下发出声音时选择设备的过程。
我们要想分析Android中的声音输出，当然是先通过播放音频去一步一步了解Android是怎恶魔输出声音的。下面我们以一个最简单的AudioTrack播放音频为例，来看下Android的发生过程。
一个简单的AudioTrack播放的例子如下：

        AudioTrack audioTrack = new AudioTrack(AudioManager.STREAM_MUSIC, 11025/2, AudioFormat.CHANNEL_CONFIGURATION_MONO, AudioFormat.ENCODING_PCM_16BIT,audioLength, AudioTrack.MODE_STREAM);audioTrack.play();audioTrack.write(audioData, 0, sizeInBytes);

AudioTrack在接收参数创建的时候，就会将设置的steamtype保存在对应的AudioAttributes当中（AudioAttributes是一个描述关于音频流的信息的属性集合的类）。
 
我们知道，在android系统中，系统封装的对象是一层一层往下调用的。所以，在我们创建了一个java的AudioTrack对象的时候，其实在同时，在C++当中，我们已经做了很多操作了。下面我们来看一下，AudioTrack对象创建时，主要做了什么：

static jint
android_media_AudioTrack_setup(JNIEnv *env, jobject thiz, jobject weak_this,jobject jaa,jint sampleRateInHertz, jint channelPositionMask, jint channelIndexMask,jint audioFormat, jint buffSizeInBytes, jint memoryMode, jintArray jSession) {//……// create the native AudioTrack objectsp<AudioTrack> lpTrack = new AudioTrack();//……// initialize the native AudioTrack objectstatus_t status = NO_ERROR;switch (memoryMode) {case MODE_STREAM:status = lpTrack->set(AUDIO_STREAM_DEFAULT,sampleRateInHertz,format,nativeChannelMask,frameCount,AUDIO_OUTPUT_FLAG_NONE,audioCallback, &(lpJniStorage->mCallbackData),0,0,true,sessionId,AudioTrack::TRANSFER_SYNC,NULL,                         -1, -1,                       paa);break;//……if (status != NO_ERROR) {ALOGE("Error %d initializing AudioTrack", status);goto native_init_failure;}// save our newly created C++ AudioTrack in the "nativeTrackInJavaObj" field// of the Java object (in mNativeTrackInJavaObj)setAudioTrack(env, thiz, lpTrack);//……}从上面的代码可以看出，在创建java层的AudioTrack对象时，对应的jni也创建出一个C++的AudioTrack对象，并且传入了部分参数和调用了其方法。
接下来我们来看看C++的AudioTrack对象的构造方法：AudioTrack::AudioTrack(): mStatus(NO_INIT),mIsTimed(false),mPreviousPriority(ANDROID_PRIORITY_NORMAL),mPreviousSchedulingGroup(SP_DEFAULT),mPausedPosition(0),mSelectedDeviceId(AUDIO_PORT_HANDLE_NONE),mPlaybackRateSet(false)
{mAttributes.content_type = AUDIO_CONTENT_TYPE_UNKNOWN;mAttributes.usage = AUDIO_USAGE_UNKNOWN;mAttributes.flags = 0x0;strcpy(mAttributes.tags, "");
}

我们可以看到，AudioTrack的无参构造方法只是进行了一些参数的初始化，那么，具体是AudioTrack初始化是进行在哪里呢？
我们再回到上面，发现jni层在创建完AudioTrack对象后，根据memoryMode的不同而进行了不同的AudioTrack->set()操作，只是因为AudioTrack提供2种不同的输出方式（对内存的影响和要求不同）。我来看看看set中主要的操作：

status_t AudioTrack::set(…){//……status_t status = createTrack_l();if (status != NO_ERROR) {if (mAudioTrackThread != 0) {mAudioTrackThread->requestExit();   // see comment in AudioTrack.hmAudioTrackThread->requestExitAndWait();mAudioTrackThread.clear();}return status;//……}

在AudioTrack的set()中，除了部分的参数判断和设置之外，我们可以看到，他调用了自身的createTrack_l()进行了进一步的设置。

status_t AudioTrack::createTrack_l()
{const sp<IAudioFlinger>& audioFlinger = AudioSystem::get_audio_flinger();if (audioFlinger == 0) {ALOGE("Could not get audioflinger");return NO_INIT;}audio_io_handle_t output;audio_stream_type_t streamType = mStreamType;audio_attributes_t *attr = (mStreamType == AUDIO_STREAM_DEFAULT) ? &mAttributes : NULL;//……audio_offload_info_t tOffloadInfo = AUDIO_INFO_INITIALIZER;if (mPlaybackRateSet == true && mOffloadInfo == NULL && mFormat == AUDIO_FORMAT_PCM_16_BIT) {mOffloadInfo = &tOffloadInfo;}status_t status = AudioSystem::getOutputForAttr(attr, &output,(audio_session_t)mSessionId, &streamType, mClientUid,mSampleRate, mFormat, mChannelMask,mFlags, mSelectedDeviceId, mOffloadInfo);//……IAudioFlinger::track_flags_t trackFlags = IAudioFlinger::TRACK_DEFAULT;//……sp<IAudioTrack> track = audioFlinger->createTrack(streamType,mSampleRate,mFormat,mChannelMask,&temp,&trackFlags,mSharedBuffer,output,tid,&mSessionId,mClientUid,&status);//……

上面的代码可以看出，AudioTrack从这里开始，与AudioFlinger等进行大量的交互：获取句柄，获取输出，创建IAudioTrack指针对象等等。所以接下来，就是AudioFlinger的相关内容了。在这里，我们先简单总结下AudioTrack的创建过程：

根据AudioTrack的性质，Java层在创建完成AudioTrack对象直接调用play()和write()操作，那么其实从另一方面我们可以猜想，在Java层创建完成AudioTrack之后，系统已经设置好输出的设备等等操作，只等调用play()和write方法进行播放。所以为了验证我们的猜想，接下来针对AudioFlinger&AudioSystem的相关具体分析验证。

AudioFlinger&AudioPolicyService的控制过程
回到上面的内容，我们可以看到，AudioTrack在调用createTrack_l()的方法的时候，开始通过AudioSystem获取output。所以下面我们来看看AudioSystem的getOutputForAttr():

status_t AudioSystem::getOutputForAttr()
{const sp<IAudioPolicyService>& aps = AudioSystem::get_audio_policy_service();if (aps == 0) return NO_INIT;return aps->getOutputForAttr(attr, output, session, stream, uid,samplingRate, format, channelMask,flags, selectedDeviceId, offloadInfo);
}

从上面我们可以看到，AudioSystem只是作为一个过渡，然后通过获取AudioPolicyService的句柄去getOutputForAttr()。我们继续跟踪AudioPolicyService的情况，会发现其实他只是在AudioPolicyService中也只是作为一个过渡，真正进行getOutputForAttr()的，在AudioPolicyManager之中。

status_t AudioPolicyManager::getOutputForAttr()
{//……*stream = streamTypefromAttributesInt(&attributes);sp<DeviceDescriptor> deviceDesc;for (size_t i = 0; i < mAvailableOutputDevices.size(); i++) {if (mAvailableOutputDevices[i]->getId() == selectedDeviceId) {deviceDesc = mAvailableOutputDevices[i];break;}}mOutputRoutes.addRoute(session, *stream, SessionRoute::SOURCE_TYPE_NA, deviceDesc, uid);//根据strategy获取devicerouting_strategy strategy = (routing_strategy) getStrategyForAttr(&attributes);audio_devices_t device = getDeviceForStrategy(strategy, false /*fromCache*/);if ((attributes.flags & AUDIO_FLAG_HW_AV_SYNC) != 0) {flags = (audio_output_flags_t)(flags | AUDIO_OUTPUT_FLAG_HW_AV_SYNC);}*output = getOutputForDevice(device, session, *stream,samplingRate, format, channelMask,flags, offloadInfo);//……

在AudioPolicyManager的getOutputForAttr()中，我们可以发现关键点在strategy的获取与device的获取当中。而在这当中，关键的参数恰恰是在先前从java层一步一步封装的过来的attributes。我们先来简单看一下attributes这个参数的数据结构：

从audio_attributes_t的结构我们可以看出，audio_attributes_t保存着需要输出音频的应用的相关配置信息。

然后，根据刚刚的代码，我们来了解一下strategy的获取：

uint32_t AudioPolicyManager::getStrategyForAttr(const audio_attributes_t *attr) {// flags to strategy mappingif ((attr->flags & AUDIO_FLAG_BEACON) == AUDIO_FLAG_BEACON) {return (uint32_t) STRATEGY_TRANSMITTED_THROUGH_SPEAKER;}if ((attr->flags & AUDIO_FLAG_AUDIBILITY_ENFORCED) == AUDIO_FLAG_AUDIBILITY_ENFORCED) {return (uint32_t) STRATEGY_ENFORCED_AUDIBLE;}// usage to strategy mappingreturn static_cast<uint32_t>(mEngine->getStrategyForUsage(attr->usage));

虽然在这里，会先对flags参数进行比较，但是，在实际上flags大部分时候都是0。所以最后，都是根据“mEngine->getStrategyForUsage(attr->usage)”去选择StrategyForUsage。当然，再到下一步就到了就是switch和case的过程，这里就不继续展开了。

在获取到strategy之后，我们来看看Audio接着是怎么来确定device的。

先继续看AudioPolicyManager的getDeviceForStrategy():

audio_devices_t AudioPolicyManager::getDeviceForStrategy(routing_strategy strategy,bool fromCache)
{// Routing// see if we have an explicit route// scan the whole RouteMap, for each entry, convert the stream type to a strategy// (getStrategy(stream)).// if the strategy from the stream type in the RouteMap is the same as the argument above,// and activity count is non-zero// the device = the device from the descriptor in the RouteMap, and exit.for (size_t routeIndex = 0; routeIndex < mOutputRoutes.size(); routeIndex++) {sp<SessionRoute> route = mOutputRoutes.valueAt(routeIndex);routing_strategy strat = getStrategy(route->mStreamType);bool strategyMatch = (strat == strategy) ||((strategy == STRATEGY_ACCESSIBILITY) &&((mEngine->getStrategyForUsage(AUDIO_USAGE_ASSISTANCE_ACCESSIBILITY) == strat) ||(strat == STRATEGY_MEDIA)));if (strategyMatch && route->isActive()) {return route->mDeviceDescriptor->type();}}if (fromCache) {ALOGVV("getDeviceForStrategy() from cache strategy %d, device %x",strategy, mDeviceForStrategy[strategy]);return mDeviceForStrategy[strategy];}return mEngine->getDeviceForStrategy(strategy);
}

调用AudioPolicyManager的getDeviceForStrategy()的时候，一般会先查下一下当前的RouteMap，看看有没有匹配的情况的。但由于我们新申请一个output的时候，传入的参数是false，所以这个时候，是会直接通过mEngine去直接获取device。

而在mEngine中，getDeviceForStrategy()又是一堆的选择判断，然后返回设备：

audio_devices_t Engine::getDeviceForStrategy(routing_strategy strategy) const
{const DeviceVector &availableOutputDevices = mApmObserver->getAvailableOutputDevices();const DeviceVector &availableInputDevices = mApmObserver->getAvailableInputDevices();const SwAudioOutputCollection &outputs = mApmObserver->getOutputs();uint32_t device = AUDIO_DEVICE_NONE;uint32_t availableOutputDevicesType = availableOutputDevices.types();switch (strategy) {//……case STRATEGY_MEDIA: {uint32_t device2 = AUDIO_DEVICE_NONE;if (isInCall() && (device == AUDIO_DEVICE_NONE)) {// when in call, get the device for Phone strategydevice = getDeviceForStrategy(STRATEGY_PHONE);break;}if (strategy != STRATEGY_SONIFICATION) {// no sonification on remote submix (e.g. WFD)if (availableOutputDevices.getDevice(AUDIO_DEVICE_OUT_REMOTE_SUBMIX, String8("0")) != 0) {device2 = availableOutputDevices.types() & AUDIO_DEVICE_OUT_REMOTE_SUBMIX;}}if (isInCall() && (strategy == STRATEGY_MEDIA)) {device = getDeviceForStrategy(STRATEGY_PHONE);break;}if ((device2 == AUDIO_DEVICE_NONE) &&(mForceUse[AUDIO_POLICY_FORCE_FOR_MEDIA] != AUDIO_POLICY_FORCE_NO_BT_A2DP) &&(outputs.getA2dpOutput() != 0)) {device2 = availableOutputDevicesType & AUDIO_DEVICE_OUT_BLUETOOTH_A2DP;if (device2 == AUDIO_DEVICE_NONE) {device2 = availableOutputDevicesType & AUDIO_DEVICE_OUT_BLUETOOTH_A2DP_HEADPHONES;}//……ALOGVV("getDeviceForStrategy() strategy %d, device %x", strategy, device);return device;
}

我们就其中一个strategty(STRATEGY_MEDIA)来具体看看Audio系统的选择输出设备:

1）  首先我们会获取当前存在的设备集合availableOutputDevices

2）  然后根据传入的strategty类型进行匹配选择

3）  在选择之前会先检测是否处于特殊情况下（如通话中）

4）  最后按照优先级匹配设备。

然后就这样，选择设备的流程就此结束。简单来说，选择设备的流程，主要是几个参数一步一步去确定然后最后确定合适的设备。具体选择设备的简单流程如图：