车机 Android 调节音量的三种方式及底层代码逻辑

Posted on by hackdl

注意：本文基于 Android 12/S 进行分析
Qidi 2023.07.20 (MarkDown & EnterpriseArchitect & Haroopad)

0. 车机环境下音量调节的特殊性

车机环境下的音频使用场景，相较于原始 Android 的音频使用场景，存在这些特殊性：

  • 使用专门的 aDSP 芯片进行音效处理；
  • 需要播放/控制原始 Android 预设之外的音源（AudioUsage）；
  • 音源间交互行为更加复杂（AudioFocus）；
  • 需要响应更复杂的电源模式变化。

其中第一、二点会直接影响用户从 APP 层调节音量的方式，以及 AudioHAL 的实现。

0.1 在 aDSP 芯片中进行音效处理

众所周知，Android 在 AudioFlinger::MixerThread 里已经实现了一套调节音量的逻辑，这势必对 aDSP 中的音量调节效果造成影响。为了使送入 aDSP 的音频信号完整，就要禁用这部分音量调节功能。

在 Android 框架代码中，可以将 frameworks/base/core/res/res/values/config.xml 中的 config_useFixedVolume 属性通过 overlay 的方式（参考 前文中的操作）设置为 true，来禁用 AudioFlinger 中的音量调节。


    true
    ......

AudioService.java 在各音量函数入口会检查该属性值，从而跳过设置音量到 AudioFlinger::MixerThread 的逻辑。相应代码片段如下：

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 调节 Android 预设之外的音源音量

APP 要播放声音和控制音量，通常需要指定 AudioUsage。但在车机系统上，很多音源在原始 Android 框架里是没有对应的 AudioUsage 的，比如 ECall、Chime，这样的音源一般称之为“外部音源”。 对于这些 Android 预设之外的音源，APP 自然无法通过 AudioManager.setStreamVolume() 等 API 在 AudioFlinger::MixerThread 调节音量，所以我们需要想办法把音量调节请求发送到 AudioHAL 进行处理，或由 AudioHAL 再转发给 aDSP 进行处理。

这就需要 AudioHAL 实现 IDevice::setAudioPortConfig() 接口。Android 12 在 hardware/interfaces/audio/7.0/IDevice.hal 中对该接口的描述如下：

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

1. 通过 AudioManager 调节音量

1.1 混音音源

“混音音源” 指数据要经过 MixerThread 的音源。对于这些音源，为了让 APP 能使用 AudioManager 的 API 将音量调节命令发送到 aDSP 中，根据上一节说明，我们需要将 config.xml 中的 config_useFixedVolume 属性值配置为 false。
此外，通过阅读 Android 框架代码，发现还需要在 audio_policy_configuration.xml 中给 devicePort 的 gain 节点加上 useForVolume 属性。 如下：

因为 SwAudioOutputDescriptor::setVolume() 函数中会判断这个属性值。只有当 useForVolume 属性值为 true 时，才会调用 AudioFlinger::setAudioPortConfig()。相应代码片段如下：

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;
        }
    }
    ......
}

如此修改后，对 “混音音源” 调节音量的命令，就会同时发送给 MixerThread 和 AudioHAL。 时序图如下：

AudioHAL 可以直接进行音量调节处理，或者将命令转发给 aDSP 进行处理。

1.2 非混音音源

“非混音音源” 指数据不经过 MixerThread，而是送到 DirectOutputThread、OffloadThread、MmapThread 的音源。
为了拉起这些线程，我们（AudioHAL 开发人员）需要在 audio_policy_configuration.xml 里给对应的 mixPort 分别配置下列 flags 属性：

  • AUDIO_OUTPUT_FLAG_DIRECT
  • AUDIO_OUTPUT_FLAG_COMPRESS_OFFLOAD
  • AUDIO_OUTPUT_FLAG_MMAP_NOIRQ

并且由于 AudioPolicyManager 使用 “优先比对 flags 是否匹配” 的策略来选择播放线程，所以 APP 开发人员创建 AudioTrack 时，也要进行以下操作，才能保证数据不被写到 MixerThread 线程上：

  • 设置音频格式为 non-linear PCM 格式之一，比如 ENCODING_MP3、ENCODING_AAC_LC、ENCODING_IEC61937 等（框架代码会据此自动添加 AUDIO_OUTPUT_FLAG_COMPRESS_OFFLOAD 标记位。代码片段如下）；
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，设置数据传输模式为 MODE_STREAM，并通过 AudioTrack.Builder.setOffloadedPlayback(true) 显式设置播放模式为 offload（框架代码据此会自动添加 AUDIO_OUTPUT_FLAG_COMPRESS_OFFLOAD 标记位。代码片段如下）；
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 变量里设置 AUDIO_OUTPUT_FLAG_HW_AV_SYNC 标记位（框架代码据此会自动添加 AUDIO_OUTPUT_DIRECT 标记位。代码片段如下）。
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;
    }
}

因为 “非混音音源” 数据不参与 AudioMixer 混音，所以理论上来说，在非车机环境上调节这些音源音量的代码，可以不加修改地直接在车机环境上使用。 APP 通过 AudioManager API 调节这些音源的音量，对 aDSP 接收到的数据没有副作用。

通过 AudioManager API 调节 “非混音音源” 的音量，其 Java 层的处理逻辑与调节 “混音音源” 音量的逻辑相同，故可参考上个时序图；其 Native 层的处理逻辑与通过 AudioTrack API 调节音量的处理逻辑相同，故可参考下一节的时序图。此处省略时序图绘制。

2. 通过 AudioTrack 调节音量

除了 AudioManager，当 APP 直接使用 AudioTrack 播放声音时，也可以通过 AudioTrack.setVolume() 来调节音量。

基本步骤有两个。第一步，新的音量值通过 AudioTrackClientProxy 以 audio_track_cblk_t 结构体的形式被存储到共享内存里；第二步，在 PlaybackThread、DirectOutputThread 等线程的 threadLoop() 函数中，通过 AudioTrackServerProxy 读取 audio_track_cblk_t 中的音量值。根据线程类型不同，音量值会被送给 AudioMixer 进行混音，或者通过 StreamOut::setVolume() 发给 AudioHAL。

时序图如下：

PS: 不知道大家是怎么理解 cblk 这个字串的含义的。虽然没有官方说明，但我认为它应该是 Control Block 的意思。

3. 通过 CarAudioManager 调节音量

车机 Android 上还有个特有的组件可用于音量调节，就是 CarAudioManager。APP 通过 CarAudioManager.setGroupVolume() 接口可以设置指定音量组的音量。底层实现这个功能的接口仍然是 IDevice::setAudioPortConfig()。

要使用 CarAudioManager API 调节音量，必须将 packages/services/Car/service/res/values/config.xml 中的 audioUseDynamicRouting 属性通过 overlay 方式设置为 true。 如下：


    true
    ......

否则，代码会回滚为使用 AudioManager.setStreamVolume() 进行调节。相应代码如下：

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);
        }
    }
    ......
}

时序图如下（AudioSystem 之后会经过 AudioFlinger 调用到 AudioHAL 实现的 IDevice::setAudioPortConfig()，此图略去）：

以上就是车机 Android 环境下的三种音量调节方式，及底层代码逻辑。

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