車機 Android 調節音量的三種方式及底層代碼邏輯

来源:https://www.cnblogs.com/qidi-huang/archive/2023/12/13/three_ways_to_set_volume_in_android_automotive_operating_system.html
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車機環境下的音頻使用場景，相較於原始 Android 的音頻使用場景，存在這些特殊性： + **使用專門的 aDSP 晶元進行音效處理；** + **需要播放/控制原始 Android 預設之外的音源（AudioUsage）；** + **音源間交互行為更加複雜（AudioFocus）；** + ... ...


註意：本文基於 Android 12/S 進行分析
Qidi 2023.07.20 (MarkDown & EnterpriseArchitect & Haroopad)

0. 車機環境下音量調節的特殊性

車機環境下的音頻使用場景，相較於原始 Android 的音頻使用場景，存在這些特殊性：

  • 使用專門的 aDSP 晶元進行音效處理；
  • 需要播放/控制原始 Android 預設之外的音源（AudioUsage）；
  • 音源間交互行為更加複雜（AudioFocus）；
  • 需要響應更複雜的電源模式變化。

其中第一、二點會直接影響用戶從 APP 層調節音量的方式，以及 AudioHAL 的實現。

0.1 在 aDSP 晶元中進行音效處理

眾所周知，Android 在 AudioFlinger::MixerThread 里已經實現了一套調節音量的邏輯，這勢必對 aDSP 中的音量調節效果造成影響。為了使送入 aDSP 的音頻信號完整，就要禁用這部分音量調節功能。

在 Android 框架代碼中，可以將 frameworks/base/core/res/res/values/config.xml 中的 config_useFixedVolume 屬性通過 overlay 的方式（參考 前文中的操作）設置為 true，來禁用 AudioFlinger 中的音量調節。

<resources>
    <bool name="config_useFixedVolume">true</bool>
    ......
</resources>

AudioService.java 在各音量函數入口會檢查該屬性值，從而跳過設置音量到 AudioFlinger::MixerThread 的邏輯。相應代碼片段如下：

public class AudioService ... {
	......
    public AudioService(Context context, AudioSystemAdapter audioSystem,
            SystemServerAdapter systemServer) {
        ......
        mUseFixedVolume = mContext.getResources().getBoolean(
                com.android.internal.R.bool.config_useFixedVolume);
        ......
    }
    private void setStreamVolume(int streamType, int index, int flags, String callingPackage,
            String caller, int uid, boolean hasModifyAudioSettings) {
        ......
        if (mUseFixedVolume) {
            return;
        }
        ......
    }
    ......
}

0.2 調節 Android 預設之外的音源音量

APP 要播放聲音和控制音量，通常需要指定 AudioUsage。但在車機系統上，很多音源在原始 Android 框架里是沒有對應的 AudioUsage 的，比如 ECall、Chime，這樣的音源一般稱之為“外部音源”。 對於這些 Android 預設之外的音源，APP 自然無法通過 AudioManager.setStreamVolume() 等 API 在 AudioFlinger::MixerThread 調節音量，所以我們需要想辦法把音量調節請求發送到 AudioHAL 進行處理，或由 AudioHAL 再轉發給 aDSP 進行處理。

這就需要 AudioHAL 實現 IDevice::setAudioPortConfig() 介面。Android 12 在 hardware/interfaces/audio/7.0/IDevice.hal 中對該介面的描述如下：

    /**
     * Set audio port configuration.
     *
     * @param config audio port configuration.
     * @return retval operation completion status.
     */
    setAudioPortConfig(AudioPortConfig config) generates (Result retval);

1. 通過 AudioManager 調節音量

1.1 混音音源

“混音音源” 指數據要經過 MixerThread 的音源。對於這些音源，為了讓 APP 能使用 AudioManager 的 API 將音量調節命令發送到 aDSP 中，根據上一節說明，我們需要將 config.xml 中的 config_useFixedVolume 屬性值配置為 false。
此外，通過閱讀 Android 框架代碼，發現還需要在 audio_policy_configuration.xml 中給 devicePort 的 gain 節點加上 useForVolume 屬性。 如下：

    <devicePort tagName="Speaker" role="sink" type="AUDIO_DEVICE_OUT_SPEAKER" address="">
        <profile name="" format="AUDIO_FORMAT_PCM_16_BIT"
                 samplingRates="48000" channelMasks="AUDIO_CHANNEL_OUT_STEREO"/>
        <gains>
            <gain name="gain_1" mode="AUDIO_GAIN_MODE_JOINT"
                  minValueMB="-8400"
                  maxValueMB="4000"
                  defaultValueMB="0"
                  stepValueMB="100"
                  useForVolume="true"/>
        </gains>
    </devicePort>

因為 SwAudioOutputDescriptor::setVolume() 函數中會判斷這個屬性值。只有當 useForVolume 屬性值為 true 時，才會調用 AudioFlinger::setAudioPortConfig()。相應代碼片段如下：

bool SwAudioOutputDescriptor::setVolume(float volumeDb,
                                        VolumeSource vs, const StreamTypeVector &streamTypes,
                                        const DeviceTypeSet& deviceTypes,
                                        uint32_t delayMs,
                                        bool force)
{
    ......
    for (const auto& devicePort : devices()) {
        if (isSingleDeviceType(deviceTypes, devicePort->type()) &&
                devicePort->hasGainController(true) && isActive(vs)) {
            ......

            audio_port_config config = {};
            devicePort->toAudioPortConfig(&config);
            config.config_mask = AUDIO_PORT_CONFIG_GAIN;
            config.gain.values[0] = gainValueMb;
            return mClientInterface->setAudioPortConfig(&config, 0) == NO_ERROR;
        }
    }
    ......
}

如此修改後，對 “混音音源” 調節音量的命令，就會同時發送給 MixerThread 和 AudioHAL。 時序圖如下：
image

AudioHAL 可以直接進行音量調節處理，或者將命令轉發給 aDSP 進行處理。

1.2 非混音音源

“非混音音源” 指數據不經過 MixerThread，而是送到 DirectOutputThread、OffloadThread、MmapThread 的音源。
為了拉起這些線程，我們（AudioHAL 開發人員）需要在 audio_policy_configuration.xml 里給對應的 mixPort 分別配置下列 flags 屬性：

  • AUDIO_OUTPUT_FLAG_DIRECT
  • AUDIO_OUTPUT_FLAG_COMPRESS_OFFLOAD
  • AUDIO_OUTPUT_FLAG_MMAP_NOIRQ

並且由於 AudioPolicyManager 使用 “優先比對 flags 是否匹配” 的策略來選擇播放線程，所以 APP 開發人員創建 AudioTrack 時，也要進行以下操作，才能保證數據不被寫到 MixerThread 線程上：

  • 設置音頻格式為 non-linear PCM 格式之一，比如 ENCODING_MP3、ENCODING_AAC_LC、ENCODING_IEC61937 等（框架代碼會據此自動添加 AUDIO_OUTPUT_FLAG_COMPRESS_OFFLOAD 標記位。代碼片段如下）；
status_t AudioTrack::set(...)
{
	......
    // force direct flag if format is not linear PCM
    // or offload was requested
    if ((flags & AUDIO_OUTPUT_FLAG_COMPRESS_OFFLOAD)
            || !audio_is_linear_pcm(format)) {
        ALOGV( (flags & AUDIO_OUTPUT_FLAG_COMPRESS_OFFLOAD)
                    ? "%s(): Offload request, forcing to Direct Output"
                    : "%s(): Not linear PCM, forcing to Direct Output",
                    __func__);
        flags = (audio_output_flags_t)
                // FIXME why can't we allow direct AND fast?
                ((flags | AUDIO_OUTPUT_FLAG_DIRECT) & ~AUDIO_OUTPUT_FLAG_FAST);
    }
    ......
}
  • 或者，設置數據傳輸模式為 MODE_STREAM，並通過 AudioTrack.Builder.setOffloadedPlayback(true) 顯式設置播放模式為 offload（框架代碼據此會自動添加 AUDIO_OUTPUT_FLAG_COMPRESS_OFFLOAD 標記位。代碼片段如下）；
static jint android_media_AudioTrack_setup(...)
{
		......
        switch (memoryMode) {
        case MODE_STREAM:
            status = lpTrack->set(......,
                                  offload ? AUDIO_OUTPUT_FLAG_COMPRESS_OFFLOAD
                                          : AUDIO_OUTPUT_FLAG_NONE,
                                  ......
                                  );
            break;
        ......
        }
        ......
}
  • 或者，在其使用的 AudioAttributes 變數里設置 AUDIO_OUTPUT_FLAG_HW_AV_SYNC 標記位（框架代碼據此會自動添加 AUDIO_OUTPUT_DIRECT 標記位。代碼片段如下）。
static inline void audio_flags_to_audio_output_flags(
                                           const audio_flags_mask_t audio_flags,
                                           audio_output_flags_t *flags)
{
    if ((audio_flags & AUDIO_FLAG_HW_AV_SYNC) != 0) {
        *flags = (audio_output_flags_t)(*flags |
            AUDIO_OUTPUT_FLAG_HW_AV_SYNC | AUDIO_OUTPUT_FLAG_DIRECT);
    }
    if ((audio_flags & AUDIO_FLAG_LOW_LATENCY) != 0) {
        *flags = (audio_output_flags_t)(*flags | AUDIO_OUTPUT_FLAG_FAST);
    }
    // check deep buffer after flags have been modified above
    if (*flags == AUDIO_OUTPUT_FLAG_NONE && (audio_flags & AUDIO_FLAG_DEEP_BUFFER) != 0) {
        *flags = AUDIO_OUTPUT_FLAG_DEEP_BUFFER;
    }
}

因為 “非混音音源” 數據不參與 AudioMixer 混音，所以理論上來說，在非車機環境上調節這些音源音量的代碼，可以不加修改地直接在車機環境上使用。 APP 通過 AudioManager API 調節這些音源的音量，對 aDSP 接收到的數據沒有副作用。

通過 AudioManager API 調節 “非混音音源” 的音量，其 Java 層的處理邏輯與調節 “混音音源” 音量的邏輯相同，故可參考上個時序圖；其 Native 層的處理邏輯與通過 AudioTrack API 調節音量的處理邏輯相同，故可參考下一節的時序圖。此處省略時序圖繪製。

2. 通過 AudioTrack 調節音量

除了 AudioManager，當 APP 直接使用 AudioTrack 播放聲音時，也可以通過 AudioTrack.setVolume() 來調節音量。

基本步驟有兩個。第一步，新的音量值通過 AudioTrackClientProxy 以 audio_track_cblk_t 結構體的形式被存儲到共用記憶體里；第二步，在 PlaybackThread、DirectOutputThread 等線程的 threadLoop() 函數中，通過 AudioTrackServerProxy 讀取 audio_track_cblk_t 中的音量值。根據線程類型不同，音量值會被送給 AudioMixer 進行混音，或者通過 StreamOut::setVolume() 發給 AudioHAL。

時序圖如下：
image

PS: 不知道大家是怎麼理解 cblk 這個字串的含義的。雖然沒有官方說明，但我認為它應該是 Control Block 的意思。

3. 通過 CarAudioManager 調節音量

車機 Android 上還有個特有的組件可用於音量調節，就是 CarAudioManager。APP 通過 CarAudioManager.setGroupVolume() 介面可以設置指定音量組的音量。底層實現這個功能的介面仍然是 IDevice::setAudioPortConfig()。

要使用 CarAudioManager API 調節音量，必須將 packages/services/Car/service/res/values/config.xml 中的 audioUseDynamicRouting 屬性通過 overlay 方式設置為 true。 如下：

<resources>
    <bool name="audioUseDynamicRouting">true</bool>
    ......
</resources>

否則，代碼會回滾為使用 AudioManager.setStreamVolume() 進行調節。相應代碼如下：

public class CarAudioService extends ICarAudio.Stub implements CarServiceBase {
	......
    public CarAudioService(Context context) {
        ......

        mUseDynamicRouting = mContext.getResources().getBoolean(R.bool.audioUseDynamicRouting);
        ......
    }
    ......
    @Override
    public void setGroupVolume(int zoneId, int groupId, int index, int flags) {
        enforcePermission(Car.PERMISSION_CAR_CONTROL_AUDIO_VOLUME);
        callbackGroupVolumeChange(zoneId, groupId, flags);
        // For legacy stream type based volume control
        if (!mUseDynamicRouting) {
            mAudioManager.setStreamVolume(
                    CarAudioDynamicRouting.STREAM_TYPES[groupId], index, flags);
            return;
        }
        synchronized (mImplLock) {
            CarVolumeGroup group = getCarVolumeGroupLocked(zoneId, groupId);
            group.setCurrentGainIndex(index);
        }
    }
    ......
}

時序圖如下（AudioSystem 之後會經過 AudioFlinger 調用到 AudioHAL 實現的 IDevice::setAudioPortConfig()，此圖略去）：
image

以上就是車機 Android 環境下的三種音量調節方式，及底層代碼邏輯。


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