Merge branch 'master' into windows
[ardour.git] / libs / ardour / ardour / audio_backend.h
1 /*
2     Copyright (C) 2013 Paul Davis
3
4     This program is free software; you can redistribute it and/or modify
5     it under the terms of the GNU General Public License as published by
6     the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
7     (at your option) any later version.
8
9     This program is distributed in the hope that it will be useful,
10     but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
11     MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
12     GNU General Public License for more details.
13
14     You should have received a copy of the GNU General Public License
15     along with this program; if not, write to the Free Software
16     Foundation, Inc., 675 Mass Ave, Cambridge, MA 02139, USA.
17
18 */
19
20 #ifndef __libardour_audiobackend_h__
21 #define __libardour_audiobackend_h__
22
23 #include <string>
24 #include <vector>
25
26 #include <stdint.h>
27 #include <stdlib.h>
28
29 #include <boost/function.hpp>
30
31 #include "ardour/types.h"
32 #include "ardour/audioengine.h"
33 #include "ardour/port_engine.h"
34 #include "ardour/visibility.h"
35
36 #ifdef ARDOURBACKEND_DLL_EXPORTS // defined if we are building the ARDOUR Panners DLLs (instead of using them)
37     #define ARDOURBACKEND_API LIBARDOUR_HELPER_DLL_EXPORT
38 #else
39     #define ARDOURBACKEND_API LIBARDOUR_HELPER_DLL_IMPORT
40 #endif 
41 #define ARDOURBACKEND_LOCAL LIBARDOUR_HELPER_DLL_LOCAL
42
43 namespace ARDOUR {
44
45 class AudioBackend : public PortEngine {
46   public:
47
48     AudioBackend (AudioEngine& e) : PortEngine (e), engine (e) {}
49     virtual ~AudioBackend () {}
50
51     /** Return the name of this backend.
52      *
53      * Should use a well-known, unique term. Expected examples
54      * might include "JACK", "CoreAudio", "ASIO" etc.
55      */
56     virtual std::string name() const = 0;
57
58     /** Return true if the callback from the underlying mechanism/API
59      * (CoreAudio, JACK, ASIO etc.) occurs in a thread subject to realtime
60      * constraints. Return false otherwise.
61     */
62     virtual bool is_realtime () const = 0;
63
64     /* Discovering devices and parameters */
65
66     /** Return true if this backend requires the selection of a "driver"
67      * before any device can be selected. Return false otherwise.
68      *
69      * Intended mainly to differentiate between meta-APIs like JACK
70      * which can still expose different backends (such as ALSA or CoreAudio 
71      * or FFADO or netjack) and those like ASIO or CoreAudio which
72      * do not.
73      */
74     virtual bool requires_driver_selection() const { return false; }
75
76     /** If the return value of requires_driver_selection() is true,
77      * then this function can return the list of known driver names.
78      *
79      * If the return value of requires_driver_selection() is false,
80      * then this function should not be called. If it is called
81      * its return value is an empty vector of strings.
82      */
83     virtual std::vector<std::string> enumerate_drivers() const { return std::vector<std::string>(); }
84
85     /** Returns zero if the backend can successfully use @param name as the
86      * driver, non-zero otherwise.
87      *
88      * Should not be used unless the backend returns true from
89      * requires_driver_selection()
90      */
91     virtual int set_driver (const std::string& /*drivername*/) { return 0; }
92
93     /** used to list device names along with whether or not they are currently
94      *  available. 
95     */
96     struct DeviceStatus {
97         std::string name;
98         bool        available;
99
100         DeviceStatus (const std::string& s, bool avail) : name (s), available (avail) {}
101     };
102
103     /** Returns a collection of DeviceStatuses identifying devices discovered
104      * by this backend since the start of the process.
105      *
106      * Any of the names in each DeviceStatus may be used to identify a
107      * device in other calls to the backend, though any of them may become
108      * invalid at any time.
109      */
110     virtual std::vector<DeviceStatus> enumerate_devices () const = 0;
111
112     /** Returns a collection of float identifying sample rates that are
113      * potentially usable with the hardware identified by @param device.
114      * Any of these values may be supplied in other calls to this backend
115      * as the desired sample rate to use with the name device, but the
116      * requested sample rate may turn out to be unavailable, or become invalid
117      * at any time.
118      */
119     virtual std::vector<float> available_sample_rates (const std::string& device) const = 0;
120
121     /* Returns the default sample rate that will be shown to the user when
122      * configuration options are first presented. If the derived class
123      * needs or wants to override this, it can. It also MUST override this
124      * if there is any chance that an SR of 44.1kHz is not in the list
125      * returned by available_sample_rates()
126      */
127     virtual float default_sample_rate () const {
128             return 44100.0;
129     }
130
131     /** Returns a collection of uint32 identifying buffer sizes that are
132      * potentially usable with the hardware identified by @param device.
133      * Any of these values may be supplied in other calls to this backend
134      * as the desired buffer size to use with the name device, but the
135      * requested buffer size may turn out to be unavailable, or become invalid
136      * at any time.
137      */
138     virtual std::vector<uint32_t> available_buffer_sizes (const std::string& device) const = 0;
139
140     /* Returns the default buffer size that will be shown to the user when
141      * configuration options are first presented. If the derived class
142      * needs or wants to override this, it can. It also MUST override this
143      * if there is any chance that a buffer size of 1024 is not in the list
144      * returned by available_buffer_sizes()
145      */
146     virtual uint32_t default_buffer_size () const {
147             return 1024;
148     }
149
150     /** Returns the maximum number of input channels that are potentially
151      * usable with the hardware identified by @param device.  Any number from 1
152      * to the value returned may be supplied in other calls to this backend as
153      * the input channel count to use with the name device, but the requested
154      * count may turn out to be unavailable, or become invalid at any time.
155      */
156     virtual uint32_t available_input_channel_count (const std::string& device) const = 0;
157
158     /** Returns the maximum number of output channels that are potentially
159      * usable with the hardware identified by @param device.  Any number from 1
160      * to the value returned may be supplied in other calls to this backend as
161      * the output channel count to use with the name device, but the requested
162      * count may turn out to be unavailable, or become invalid at any time.
163      */
164     virtual uint32_t available_output_channel_count (const std::string& device) const = 0;
165
166     /* Return true if the derived class can change the sample rate of the
167      * device in use while the device is already being used. Return false
168      * otherwise. (example: JACK cannot do this as of September 2013)
169      */
170     virtual bool can_change_sample_rate_when_running () const = 0;
171     /* Return true if the derived class can change the buffer size of the
172      * device in use while the device is already being used. Return false
173      * otherwise. 
174      */
175     virtual bool can_change_buffer_size_when_running () const = 0;
176
177     /* Set the hardware parameters.
178      * 
179      * If called when the current state is stopped or paused,
180      * the changes will not take effect until the state changes to running.
181      *
182      * If called while running, the state will change as fast as the
183      * implementation allows.
184      *
185      * All set_*() methods return zero on success, non-zero otherwise.
186      */
187
188     /** Set the name of the device to be used
189      */
190     virtual int set_device_name (const std::string&) = 0;
191     /** Set the sample rate to be used
192      */
193     virtual int set_sample_rate (float) = 0;
194     /** Set the buffer size to be used.
195      *
196      * The device is assumed to use a double buffering scheme, so that one
197      * buffer's worth of data can be processed by hardware while software works
198      * on the other buffer. All known suitable audio APIs support this model
199      * (though ALSA allows for alternate numbers of buffers, and CoreAudio
200      * doesn't directly expose the concept).
201      */
202     virtual int set_buffer_size (uint32_t) = 0;
203     /** Set the preferred underlying hardware sample format
204      *
205      * This does not change the sample format (32 bit float) read and
206      * written to the device via the Port API.
207      */
208     virtual int set_sample_format (SampleFormat) = 0;
209     /** Set the preferred underlying hardware data layout.
210      * If @param yn is true, then the hardware will interleave
211      * samples for successive channels; otherwise, the hardware will store
212      * samples for a single channel contiguously.
213      * 
214      * Setting this does not change the fact that all data streams
215      * to and from Ports are mono (essentially, non-interleaved)
216      */
217     virtual int set_interleaved (bool yn) = 0;
218     /** Set the number of input channels that should be used
219      */
220     virtual int set_input_channels (uint32_t) = 0;
221     /** Set the number of output channels that should be used
222      */
223     virtual int set_output_channels (uint32_t) = 0;
224     /** Set the (additional) input latency that cannot be determined via 
225      * the implementation's underlying code (e.g. latency from
226      * external D-A/D-A converters. Units are samples.
227      */
228     virtual int set_systemic_input_latency (uint32_t) = 0;
229     /** Set the (additional) output latency that cannot be determined via 
230      * the implementation's underlying code (e.g. latency from
231      * external D-A/D-A converters. Units are samples.
232      */
233     virtual int set_systemic_output_latency (uint32_t) = 0;
234
235     /* Retrieving parameters */
236
237     virtual std::string  device_name () const = 0;
238     virtual float        sample_rate () const = 0;
239     virtual uint32_t     buffer_size () const = 0;
240     virtual SampleFormat sample_format () const = 0;
241     virtual bool         interleaved () const = 0;
242     virtual uint32_t     input_channels () const = 0;
243     virtual uint32_t     output_channels () const = 0;
244     virtual uint32_t     systemic_input_latency () const = 0;
245     virtual uint32_t     systemic_output_latency () const = 0;
246
247     /** override this if this implementation returns true from
248      * requires_driver_selection()
249      */
250     virtual std::string  driver_name() const { return std::string(); }
251
252     /** Return the name of a control application for the 
253      * selected/in-use device. If no such application exists,
254      * or if no device has been selected or is in-use,
255      * return an empty string.
256      */
257     virtual std::string control_app_name() const = 0;
258     /** Launch the control app for the currently in-use or
259      * selected device. May do nothing if the control
260      * app is undefined or cannot be launched.
261      */
262     virtual void launch_control_app () = 0;
263
264     /* @return a vector of strings that describe the available
265      * MIDI options. 
266      *
267      * These can be presented to the user to decide which
268      * MIDI drivers, options etc. can be used. The returned strings
269      * should be thought of as the key to a map of possible
270      * approaches to handling MIDI within the backend. Ensure that
271      * the strings will make sense to the user.
272      */
273     virtual std::vector<std::string> enumerate_midi_options () const = 0;
274
275     /* Request the use of the MIDI option named @param option, which
276      * should be one of the strings returned by enumerate_midi_options()
277      *
278      * @return zero if successful, non-zero otherwise
279      */
280     virtual int set_midi_option (const std::string& option) = 0;
281
282     virtual std::string midi_option () const = 0;
283     
284     /* State Control */
285  
286     /** Start using the device named in the most recent call
287      * to set_device(), with the parameters set by various
288      * the most recent calls to set_sample_rate() etc. etc.
289      * 
290      * At some undetermined time after this function is successfully called,
291      * the backend will start calling the ::process_callback() method of
292      * the AudioEngine referenced by @param engine. These calls will
293      * occur in a thread created by and/or under the control of the backend.
294      *
295      * @param for_latency_measurement if true, the device is being started
296      *        to carry out latency measurements and the backend should this
297      *        take care to return latency numbers that do not reflect
298      *        any existing systemic latency settings.
299      *
300      * Return zero if successful, negative values otherwise.
301      *
302      *
303      *
304      *
305      * Why is this non-virtual but ::_start() is virtual ?
306      * Virtual methods with default parameters create possible ambiguity
307      * because a derived class may implement the same method with a different
308      * type or value of default parameter.
309      *
310      * So we make this non-virtual method to avoid possible overrides of
311      * default parameters. See Scott Meyers or other books on C++ to understand
312      * this pattern, or possibly just this:
313      *
314      * http://stackoverflow.com/questions/12139786/good-pratice-default-arguments-for-pure-virtual-method
315      */ 
316     int start (bool for_latency_measurement=false) {
317             return _start (for_latency_measurement);
318     }
319
320     /** Stop using the device currently in use. 
321      *
322      * If the function is successfully called, no subsequent calls to the
323      * process_callback() of @param engine will be made after the function
324      * returns, until parameters are reset and start() are called again.
325      * 
326      * The backend is considered to be un-configured after a successful
327      * return, and requires calls to set hardware parameters before it can be
328      * start()-ed again. See pause() for a way to avoid this. stop() should
329      * only be used when reconfiguration is required OR when there are no 
330      * plans to use the backend in the future with a reconfiguration.
331      *
332      * Return zero if successful, 1 if the device is not in use, negative values on error
333      */
334     virtual int stop () = 0;
335
336     /** While remaining connected to the device, and without changing its
337      * configuration, start (or stop) calling the process_callback() of @param engine
338      * without waiting for the device. Once process_callback() has returned, it
339      * will be called again immediately, thus allowing for faster-than-realtime
340      * processing.
341      *
342      * All registered ports remain in existence and all connections remain
343      * unaltered. However, any physical ports should NOT be used by the
344      * process_callback() during freewheeling - the data behaviour is undefined.
345      *
346      * If @param start_stop is true, begin this behaviour; otherwise cease this
347      * behaviour if it currently occuring, and return to calling
348      * process_callback() of @param engine by waiting for the device.
349      *
350      * Return zero on success, non-zero otherwise.
351      */
352     virtual int freewheel (bool start_stop) = 0;
353
354     /** return the fraction of the time represented by the current buffer
355      * size that is being used for each buffer process cycle, as a value
356      * from 0.0 to 1.0
357      *
358      * E.g. if the buffer size represents 5msec and current processing
359      * takes 1msec, the returned value should be 0.2. 
360      * 
361      * Implementations can feel free to smooth the values returned over
362      * time (e.g. high pass filtering, or its equivalent).
363      */
364     virtual float dsp_load() const  = 0;
365
366     /* Transport Control (JACK is the only audio API that currently offers
367        the concept of shared transport control)
368     */
369     
370     /** Attempt to change the transport state to TransportRolling. 
371      */
372     virtual void transport_start () {}
373     /** Attempt to change the transport state to TransportStopped. 
374      */
375     virtual void transport_stop () {}
376     /** return the current transport state
377      */
378     virtual TransportState transport_state () const { return TransportStopped; }
379     /** Attempt to locate the transport to @param pos
380      */
381     virtual void transport_locate (framepos_t /*pos*/) {}
382     /** Return the current transport location, in samples measured
383      * from the origin (defined by the transport time master)
384      */
385     virtual framepos_t transport_frame() const { return 0; }
386
387     /** If @param yn is true, become the time master for any inter-application transport
388      * timebase, otherwise cease to be the time master for the same.
389      *
390      * Return zero on success, non-zero otherwise
391      * 
392      * JACK is the only currently known audio API with the concept of a shared
393      * transport timebase.
394      */
395     virtual int set_time_master (bool /*yn*/) { return 0; }
396
397     virtual int        usecs_per_cycle () const { return 1000000 * (buffer_size() / sample_rate()); }
398     virtual size_t     raw_buffer_size (DataType t) = 0;
399     
400     /* Process time */
401     
402     /** return the time according to the sample clock in use, measured in
403      * samples since an arbitrary zero time in the past. The value should
404      * increase monotonically and linearly, without interruption from any
405      * source (including CPU frequency scaling).
406      *
407      * It is extremely likely that any implementation will use a DLL, since
408      * this function can be called from any thread, at any time, and must be 
409      * able to accurately determine the correct sample time.
410      *
411      * Can be called from any thread.
412      */
413     virtual pframes_t sample_time () = 0;
414
415     /** Return the time according to the sample clock in use when the most
416      * recent buffer process cycle began. Can be called from any thread.
417      */
418     virtual pframes_t sample_time_at_cycle_start () = 0;
419
420     /** Return the time since the current buffer process cycle started,
421      * in samples, according to the sample clock in use.
422      * 
423      * Can ONLY be called from within a process() callback tree (which
424      * implies that it can only be called by a process thread)
425      */
426     virtual pframes_t samples_since_cycle_start () = 0;
427
428     /** Return true if it possible to determine the offset in samples of the
429      * first video frame that starts within the current buffer process cycle,
430      * measured from the first sample of the cycle. If returning true,
431      * set @param offset to that offset.
432      *
433      * Eg. if it can be determined that the first video frame within the cycle
434      * starts 28 samples after the first sample of the cycle, then this method
435      * should return true and set @param offset to 28.
436      *
437      * May be impossible to support outside of JACK, which has specific support
438      * (in some cases, hardware support) for this feature.
439      *
440      * Can ONLY be called from within a process() callback tree (which implies
441      * that it can only be called by a process thread)
442      */
443     virtual bool get_sync_offset (pframes_t& /*offset*/) const { return false; }
444
445     /** Create a new thread suitable for running part of the buffer process
446      * cycle (i.e. Realtime scheduling, memory allocation, etc. etc are all
447      * correctly setup), with a stack size given in bytes by specified @param
448      * stacksize. The thread will begin executing @param func, and will exit
449      * when that function returns.
450      */
451     virtual int create_process_thread (boost::function<void()> func) = 0;
452
453     /** Wait for all processing threads to exit.
454      * 
455      * Return zero on success, non-zero on failure.
456      */
457     virtual int join_process_threads () = 0;
458
459     /** Return true if execution context is in a backend thread
460      */
461     virtual bool in_process_thread () = 0;
462
463     /** Return the minimum stack size of audio threads in bytes
464      */
465     static size_t thread_stack_size () { return 100000; }
466
467     /** Return number of processing threads
468      */
469     virtual uint32_t process_thread_count () = 0;
470
471     virtual void update_latencies () = 0;
472
473     /** Set @param speed and @param position to the current speed and position
474      * indicated by some transport sync signal.  Return whether the current
475      * transport state is pending, or finalized.
476      *
477      * Derived classes only need implement this if they provide some way to
478      * sync to a transport sync signal (e.g. Sony 9 Pin) that is not
479      * handled by Ardour itself (LTC and MTC are both handled by Ardour).
480      * The canonical example is JACK Transport.
481      */
482      virtual bool speed_and_position (double& speed, framepos_t& position) {
483              speed = 0.0;
484              position = 0;
485              return false;
486      }
487
488   protected:
489     AudioEngine&          engine;
490
491     virtual int _start (bool for_latency_measurement) = 0;
492 };
493
494 struct AudioBackendInfo {
495     const char* name;
496
497     /** Using arg1 and arg2, initialize this audiobackend.
498      * 
499      * Returns zero on success, non-zero otherwise.
500      */
501     int (*instantiate) (const std::string& arg1, const std::string& arg2);
502
503     /** Release all resources associated with this audiobackend
504      */
505     int (*deinstantiate) (void);
506
507     /** Factory method to create an AudioBackend-derived class.
508      * 
509      * Returns a valid shared_ptr to the object if successfull,
510      * or a "null" shared_ptr otherwise.
511      */
512     boost::shared_ptr<AudioBackend> (*factory) (AudioEngine&);
513
514     /** Return true if the underlying mechanism/API has been
515      * configured and does not need (re)configuration in order
516      * to be usable. Return false otherwise.
517      *
518      * Note that this may return true if (re)configuration, even though
519      * not currently required, is still possible.
520      */
521     bool (*already_configured)();
522 };
523
524 } // namespace
525
526 #endif /* __libardour_audiobackend_h__ */
527