chiark / gitweb /
separate thread to add to heap
[disorder] / server / speaker.c
index 98ed297a7896467fe0b9de699a76af19e6b9e77e..f9badeb28f28f71b38bb32f063ec4caab4f337d6 100644 (file)
  * Foundation, Inc., 59 Temple Place, Suite 330, Boston, MA 02111-1307
  * USA
  */
-
-/* This program deliberately does not use the garbage collector even though it
- * might be convenient to do so.  This is for two reasons.  Firstly some libao
- * drivers are implemented using threads and we do not want to have to deal
- * with potential interactions between threading and garbage collection.
- * Secondly this process needs to be able to respond quickly and this is not
- * compatible with the collector hanging the program even relatively
- * briefly. */
+/** @file server/speaker.c
+ * @brief Speaker processs
+ *
+ * This program is responsible for transmitting a single coherent audio stream
+ * to its destination (over the network, to some sound API, to some
+ * subprocess).  It receives connections from decoders via file descriptor
+ * passing from the main server and plays them in the right order.
+ *
+ * For the <a href="http://www.alsa-project.org/">ALSA</a> API, 8- and 16- bit
+ * stereo and mono are supported, with any sample rate (within the limits that
+ * ALSA can deal with.)
+ *
+ * When communicating with a subprocess, <a
+ * href="http://sox.sourceforge.net/">sox</a> is invoked to convert the inbound
+ * data to a single consistent format.  The same applies for network (RTP)
+ * play, though in that case currently only 44.1KHz 16-bit stereo is supported.
+ *
+ * The inbound data starts with a structure defining the data format.  Note
+ * that this is NOT portable between different platforms or even necessarily
+ * between versions; the speaker is assumed to be built from the same source
+ * and run on the same host as the main server.
+ *
+ * This program deliberately does not use the garbage collector even though it
+ * might be convenient to do so.  This is for two reasons.  Firstly some sound
+ * APIs use thread threads and we do not want to have to deal with potential
+ * interactions between threading and garbage collection.  Secondly this
+ * process needs to be able to respond quickly and this is not compatible with
+ * the collector hanging the program even relatively briefly.
+ */
 
 #include <config.h>
 #include "types.h"
 # define MACHINE_AO_FMT AO_FMT_LITTLE
 #endif
 
-#define BUFFER_SECONDS 5                /* How many seconds of input to
-                                         * buffer. */
+/** @brief How many seconds of input to buffer
+ *
+ * While any given connection has this much audio buffered, no more reads will
+ * be issued for that connection.  The decoder will have to wait.
+ */
+#define BUFFER_SECONDS 5
 
 #define FRAMES 4096                     /* Frame batch size */
 
-#define NETWORK_BYTES 1024              /* Bytes to send per network packet */
-/* (don't make this too big or arithmetic will start to overflow) */
+/** @brief Bytes to send per network packet
+ *
+ * Don't make this too big or arithmetic will start to overflow.
+ */
+#define NETWORK_BYTES 1024
 
-#define RTP_AHEAD 2                     /* Max RTP playahead (seconds) */
+/** @brief Maximum RTP playahead (seconds) */
+#define RTP_AHEAD 1
 
-#define NFDS 256                        /* Max FDs to poll for */
+/** @brief Maximum number of FDs to poll for */
+#define NFDS 256
 
-/* Known tracks are kept in a linked list.  We don't normally to have
- * more than two - maybe three at the outside. */
+/** @brief Track structure
+ *
+ * Known tracks are kept in a linked list.  Usually there will be at most two
+ * of these but rearranging the queue can cause there to be more.
+ */
 static struct track {
   struct track *next;                   /* next track */
   int fd;                               /* input FD */
@@ -113,8 +146,27 @@ static int ready;                       /* ready to send audio */
 static int forceplay;                   /* frames to force play */
 static int cmdfd = -1;                  /* child process input */
 static int bfd = -1;                    /* broadcast FD */
-static uint32_t rtp_time;               /* RTP timestamp */
-static struct timeval rtp_time_real;    /* corresponding real time */
+
+/** @brief RTP timestamp
+ *
+ * This counts the number of samples played (NB not the number of frames
+ * played).
+ *
+ * The timestamp in the packet header is only 32 bits wide.  With 44100Hz
+ * stereo, that only gives about half a day before wrapping, which is not
+ * particularly convenient for certain debugging purposes.  Therefore the
+ * timestamp is maintained as a 64-bit integer, giving around six million years
+ * before wrapping, and truncated to 32 bits when transmitting.
+ */
+static uint64_t rtp_time;
+
+/** @brief RTP base timestamp
+ *
+ * This is the real time correspoding to an @ref rtp_time of 0.  It is used
+ * to recalculate the timestamp after idle periods.
+ */
+static struct timeval rtp_time_0;
+
 static uint16_t rtp_seq;                /* frame sequence number */
 static uint32_t rtp_id;                 /* RTP SSRC */
 static int idled;                       /* set when idled */
@@ -152,12 +204,12 @@ static void version(void) {
   exit(0);
 }
 
-/* Return the number of bytes per frame in FORMAT. */
+/** @brief Return the number of bytes per frame in @p format */
 static size_t bytes_per_frame(const ao_sample_format *format) {
   return format->channels * format->bits / 8;
 }
 
-/* Find track ID, maybe creating it if not found. */
+/** @brief Find track @p id, maybe creating it if not found */
 static struct track *findtrack(const char *id, int create) {
   struct track *t;
 
@@ -177,7 +229,7 @@ static struct track *findtrack(const char *id, int create) {
   return t;
 }
 
-/* Remove track ID (but do not destroy it). */
+/** @brief Remove track @p id (but do not destroy it) */
 static struct track *removetrack(const char *id) {
   struct track *t, **tt;
 
@@ -189,7 +241,7 @@ static struct track *removetrack(const char *id) {
   return t;
 }
 
-/* Destroy a track. */
+/** @brief Destroy a track */
 static void destroy(struct track *t) {
   D(("destroy %s", t->id));
   if(t->fd != -1) xclose(t->fd);
@@ -197,7 +249,7 @@ static void destroy(struct track *t) {
   free(t);
 }
 
-/* Notice a new FD. */
+/** @brief Notice a new connection */
 static void acquire(struct track *t, int fd) {
   D(("acquire %s %d", t->id, fd));
   if(t->fd != -1)
@@ -206,7 +258,111 @@ static void acquire(struct track *t, int fd) {
   nonblock(fd);
 }
 
-/* Read data into a sample buffer.  Return 0 on success, -1 on EOF. */
+/** @brief Return true if A and B denote identical libao formats, else false */
+static int formats_equal(const ao_sample_format *a,
+                         const ao_sample_format *b) {
+  return (a->bits == b->bits
+          && a->rate == b->rate
+          && a->channels == b->channels
+          && a->byte_format == b->byte_format);
+}
+
+/** @brief Compute arguments to sox */
+static void soxargs(const char ***pp, char **qq, ao_sample_format *ao) {
+  int n;
+
+  *(*pp)++ = "-t.raw";
+  *(*pp)++ = "-s";
+  *(*pp)++ = *qq; n = sprintf(*qq, "-r%d", ao->rate); *qq += n + 1;
+  *(*pp)++ = *qq; n = sprintf(*qq, "-c%d", ao->channels); *qq += n + 1;
+  /* sox 12.17.9 insists on -b etc; CVS sox insists on -<n> etc; both are
+   * deployed! */
+  switch(config->sox_generation) {
+  case 0:
+    if(ao->bits != 8
+       && ao->byte_format != AO_FMT_NATIVE
+       && ao->byte_format != MACHINE_AO_FMT) {
+      *(*pp)++ = "-x";
+    }
+    switch(ao->bits) {
+    case 8: *(*pp)++ = "-b"; break;
+    case 16: *(*pp)++ = "-w"; break;
+    case 32: *(*pp)++ = "-l"; break;
+    case 64: *(*pp)++ = "-d"; break;
+    default: fatal(0, "cannot handle sample size %d", (int)ao->bits);
+    }
+    break;
+  case 1:
+    switch(ao->byte_format) {
+    case AO_FMT_NATIVE: break;
+    case AO_FMT_BIG: *(*pp)++ = "-B"; break;
+    case AO_FMT_LITTLE: *(*pp)++ = "-L"; break;
+    }
+    *(*pp)++ = *qq; n = sprintf(*qq, "-%d", ao->bits/8); *qq += n + 1;
+    break;
+  }
+}
+
+/** @brief Enable format translation
+ *
+ * If necessary, replaces a tracks inbound file descriptor with one connected
+ * to a sox invocation, which performs the required translation.
+ */
+static void enable_translation(struct track *t) {
+  switch(config->speaker_backend) {
+  case BACKEND_COMMAND:
+  case BACKEND_NETWORK:
+    /* These backends need a specific sample format */
+    break;
+  case BACKEND_ALSA:
+    /* ALSA can cope */
+    return;
+  }
+  if(!formats_equal(&t->format, &config->sample_format)) {
+    char argbuf[1024], *q = argbuf;
+    const char *av[18], **pp = av;
+    int soxpipe[2];
+    pid_t soxkid;
+
+    *pp++ = "sox";
+    soxargs(&pp, &q, &t->format);
+    *pp++ = "-";
+    soxargs(&pp, &q, &config->sample_format);
+    *pp++ = "-";
+    *pp++ = 0;
+    if(debugging) {
+      for(pp = av; *pp; pp++)
+        D(("sox arg[%d] = %s", pp - av, *pp));
+      D(("end args"));
+    }
+    xpipe(soxpipe);
+    soxkid = xfork();
+    if(soxkid == 0) {
+      signal(SIGPIPE, SIG_DFL);
+      xdup2(t->fd, 0);
+      xdup2(soxpipe[1], 1);
+      fcntl(0, F_SETFL, fcntl(0, F_GETFL) & ~O_NONBLOCK);
+      close(soxpipe[0]);
+      close(soxpipe[1]);
+      close(t->fd);
+      execvp("sox", (char **)av);
+      _exit(1);
+    }
+    D(("forking sox for format conversion (kid = %d)", soxkid));
+    close(t->fd);
+    close(soxpipe[1]);
+    t->fd = soxpipe[0];
+    t->format = config->sample_format;
+    ready = 0;
+  }
+}
+
+/** @brief Read data into a sample buffer
+ * @param t Pointer to track
+ * @return 0 on success, -1 on EOF
+ *
+ * This is effectively the read callback on @c t->fd.
+ */
 static int fill(struct track *t) {
   size_t where, left;
   int n;
@@ -242,6 +398,8 @@ static int fill(struct track *t) {
       /* Check that our assumptions are met. */
       if(t->format.bits & 7)
         fatal(0, "bits per sample not a multiple of 8");
+      /* If the input format is unsuitable, arrange to translate it */
+      enable_translation(t);
       /* Make a new buffer for audio data. */
       t->size = bytes_per_frame(&t->format) * t->format.rate * BUFFER_SECONDS;
       t->buffer = xmalloc(t->size);
@@ -253,16 +411,7 @@ static int fill(struct track *t) {
   return 0;
 }
 
-/* Return true if A and B denote identical libao formats, else false. */
-static int formats_equal(const ao_sample_format *a,
-                         const ao_sample_format *b) {
-  return (a->bits == b->bits
-          && a->rate == b->rate
-          && a->channels == b->channels
-          && a->byte_format == b->byte_format);
-}
-
-/* Close the sound device. */
+/** @brief Close the sound device */
 static void idle(void) {
   D(("idle"));
 #if API_ALSA
@@ -284,7 +433,7 @@ static void idle(void) {
   ready = 0;
 }
 
-/* Abandon the current track */
+/** @brief Abandon the current track */
 static void abandon(void) {
   struct speaker_message sm;
 
@@ -300,6 +449,7 @@ static void abandon(void) {
 }
 
 #if API_ALSA
+/** @brief Log ALSA parameters */
 static void log_params(snd_pcm_hw_params_t *hwparams,
                        snd_pcm_sw_params_t *swparams) {
   snd_pcm_uframes_t f;
@@ -326,43 +476,11 @@ static void log_params(snd_pcm_hw_params_t *hwparams,
 }
 #endif
 
-static void soxargs(const char ***pp, char **qq, ao_sample_format *ao) {
-  int n;
-
-  *(*pp)++ = "-t.raw";
-  *(*pp)++ = "-s";
-  *(*pp)++ = *qq; n = sprintf(*qq, "-r%d", ao->rate); *qq += n + 1;
-  *(*pp)++ = *qq; n = sprintf(*qq, "-c%d", ao->channels); *qq += n + 1;
-  /* sox 12.17.9 insists on -b etc; CVS sox insists on -<n> etc; both are
-   * deployed! */
-  switch(config->sox_generation) {
-  case 0:
-    if(ao->bits != 8
-       && ao->byte_format != AO_FMT_NATIVE
-       && ao->byte_format != MACHINE_AO_FMT) {
-      *(*pp)++ = "-x";
-    }
-    switch(ao->bits) {
-    case 8: *(*pp)++ = "-b"; break;
-    case 16: *(*pp)++ = "-w"; break;
-    case 32: *(*pp)++ = "-l"; break;
-    case 64: *(*pp)++ = "-d"; break;
-    default: fatal(0, "cannot handle sample size %d", (int)ao->bits);
-    }
-    break;
-  case 1:
-    switch(ao->byte_format) {
-    case AO_FMT_NATIVE: break;
-    case AO_FMT_BIG: *(*pp)++ = "-B"; break;
-    case AO_FMT_LITTLE: *(*pp)++ = "-L"; break;
-    }
-    *(*pp)++ = *qq; n = sprintf(*qq, "-%d", ao->bits/8); *qq += n + 1;
-    break;
-  }
-}
-
-/* Make sure the sound device is open and has the right sample format.  Return
- * 0 on success and -1 on error. */
+/** @brief Enable sound output
+ *
+ * Makes sure the sound device is open and has the right sample format.  Return
+ * 0 on success and -1 on error.
+ */
 static int activate(void) {
   /* If we don't know the format yet we cannot start. */
   if(!playing->got_format) {
@@ -372,43 +490,6 @@ static int activate(void) {
   switch(config->speaker_backend) {
   case BACKEND_COMMAND:
   case BACKEND_NETWORK:
-    /* If we pass audio on to some other agent then we enforce the configured
-     * sample format on the *inbound* audio data. */
-    if(!formats_equal(&playing->format, &config->sample_format)) {
-      char argbuf[1024], *q = argbuf;
-      const char *av[18], **pp = av;
-      int soxpipe[2];
-      pid_t soxkid;
-      *pp++ = "sox";
-      soxargs(&pp, &q, &playing->format);
-      *pp++ = "-";
-      soxargs(&pp, &q, &config->sample_format);
-      *pp++ = "-";
-      *pp++ = 0;
-      if(debugging) {
-        for(pp = av; *pp; pp++)
-          D(("sox arg[%d] = %s", pp - av, *pp));
-        D(("end args"));
-      }
-      xpipe(soxpipe);
-      soxkid = xfork();
-      if(soxkid == 0) {
-        xdup2(playing->fd, 0);
-        xdup2(soxpipe[1], 1);
-        fcntl(0, F_SETFL, fcntl(0, F_GETFL) & ~O_NONBLOCK);
-        close(soxpipe[0]);
-        close(soxpipe[1]);
-        close(playing->fd);
-        execvp("sox", (char **)av);
-        _exit(1);
-      }
-      D(("forking sox for format conversion (kid = %d)", soxkid));
-      close(playing->fd);
-      close(soxpipe[1]);
-      playing->fd = soxpipe[0];
-      playing->format = config->sample_format;
-      ready = 0;
-    }
     if(!ready) {
       pcm_format = config->sample_format;
       bufsize = 3 * FRAMES;
@@ -541,6 +622,7 @@ static void fork_cmd(void) {
   xpipe(pfd);
   cmdpid = xfork();
   if(!cmdpid) {
+    signal(SIGPIPE, SIG_DFL);
     xdup2(pfd[0], 0);
     close(pfd[0]);
     close(pfd[1]);
@@ -553,9 +635,9 @@ static void fork_cmd(void) {
 }
 
 static void play(size_t frames) {
-  size_t avail_bytes, written_frames;
+  size_t avail_bytes, write_bytes, written_frames;
   ssize_t written_bytes;
-  struct rtp header;
+  struct rtp_header header;
   struct iovec vec[2];
 
   if(activate()) {
@@ -586,7 +668,7 @@ static void play(size_t frames) {
 
   switch(config->speaker_backend) {
 #if API_ALSA
-  case BACKEND_ALSA:
+  case BACKEND_ALSA: {
     snd_pcm_sframes_t pcm_written_frames;
     size_t avail_frames;
     int err;
@@ -618,6 +700,7 @@ static void play(size_t frames) {
     written_frames = pcm_written_frames;
     written_bytes = written_frames * bpf;
     break;
+  }
 #endif
   case BACKEND_COMMAND:
     if(avail_bytes > frames * bpf)
@@ -641,19 +724,32 @@ static void play(size_t frames) {
   case BACKEND_NETWORK:
     /* We transmit using RTP (RFC3550) and attempt to conform to the internet
      * AVT profile (RFC3551). */
-    if(rtp_time_real.tv_sec == 0)
-      xgettimeofday(&rtp_time_real, 0);
+
     if(idled) {
+      /* There's been a gap.  Fix up the RTP time accordingly. */
       struct timeval now;
+      uint64_t delta;
+      uint64_t target_rtp_time;
+
+      /* Find the current time */
       xgettimeofday(&now, 0);
-      /* There's been a gap.  Fix up the RTP time accordingly. */
-      rtp_time += (((now.tv_sec + now.tv_usec /1000000.0)
-                    - (rtp_time_real.tv_sec + rtp_time_real.tv_usec / 1000000.0)) 
-                   * playing->format.rate * playing->format.channels);
+      /* Find the number of microseconds elapsed since rtp_time=0 */
+      delta = tvsub_us(now, rtp_time_0);
+      assert(delta <= UINT64_MAX / 88200);
+      target_rtp_time = (delta * playing->format.rate
+                               * playing->format.channels) / 1000000;
+      /* Overflows at ~6 years uptime with 44100Hz stereo */
+      if(target_rtp_time > rtp_time)
+        info("advancing rtp_time by %"PRIu64" samples",
+             target_rtp_time - rtp_time);
+      else if(target_rtp_time < rtp_time)
+        info("reversing rtp_time by %"PRIu64" samples",
+             rtp_time - target_rtp_time);
+      rtp_time = target_rtp_time;
     }
     header.vpxcc = 2 << 6;              /* V=2, P=0, X=0, CC=0 */
     header.seq = htons(rtp_seq++);
-    header.timestamp = htonl(rtp_time);
+    header.timestamp = htonl((uint32_t)rtp_time);
     header.ssrc = rtp_id;
     header.mpt = (idled ? 0x80 : 0x00) | 10;
     /* 10 = L16 = 16-bit x 2 x 44100KHz.  We ought to deduce this value from
@@ -663,6 +759,7 @@ static void play(size_t frames) {
     idled = 0;
     if(avail_bytes > NETWORK_BYTES - sizeof header) {
       avail_bytes = NETWORK_BYTES - sizeof header;
+      /* Always send a whole number of frames */
       avail_bytes -= avail_bytes % bpf;
     }
     /* "The RTP clock rate used for generating the RTP timestamp is independent
@@ -673,45 +770,30 @@ static void play(size_t frames) {
      * generated per second is then the sampling rate times the channel
      * count.)"
      */
-    vec[0].iov_base = (void *)&header;
-    vec[0].iov_len = sizeof header;
-    vec[1].iov_base = playing->buffer + playing->start;
-    vec[1].iov_len = avail_bytes;
-#if 0
-    {
-      char buffer[3 * sizeof header + 1];
-      size_t n;
-      const uint8_t *ptr = (void *)&header;
-      
-      for(n = 0; n < sizeof header; ++n)
-        sprintf(&buffer[3 * n], "%02x ", *ptr++);
-      info(buffer);
-    }
-#endif
-    do {
-      written_bytes = writev(bfd,
-                             vec,
-                             2);
-    } while(written_bytes < 0 && errno == EINTR);
-    if(written_bytes < 0) {
-      error(errno, "error transmitting audio data");
-      ++audio_errors;
-      if(audio_errors == 10)
-        fatal(0, "too many audio errors");
+    write_bytes = avail_bytes;
+    if(write_bytes) {
+      vec[0].iov_base = (void *)&header;
+      vec[0].iov_len = sizeof header;
+      vec[1].iov_base = playing->buffer + playing->start;
+      vec[1].iov_len = avail_bytes;
+      do {
+        written_bytes = writev(bfd,
+                               vec,
+                               2);
+      } while(written_bytes < 0 && errno == EINTR);
+      if(written_bytes < 0) {
+        error(errno, "error transmitting audio data");
+        ++audio_errors;
+        if(audio_errors == 10)
+          fatal(0, "too many audio errors");
       return;
-    }
+      }
+    } else
     audio_errors /= 2;
     written_bytes = avail_bytes;
     written_frames = written_bytes / bpf;
     /* Advance RTP's notion of the time */
     rtp_time += written_frames * playing->format.channels;
-    /* Advance the corresponding real time */
-    assert(NETWORK_BYTES <= 2000);      /* else risk overflowing 32 bits */
-    rtp_time_real.tv_usec += written_frames * 1000000 / playing->format.rate;
-    if(rtp_time_real.tv_usec >= 1000000) {
-      ++rtp_time_real.tv_sec;
-      rtp_time_real.tv_usec -= 1000000;
-    }
     break;
   default:
     assert(!"reached");
@@ -763,7 +845,6 @@ static int addfd(int fd, int events) {
 
 int main(int argc, char **argv) {
   int n, fd, stdin_slot, alsa_slots, cmdfd_slot, bfd_slot, poke, timeout;
-  struct timeval now, delta;
   struct track *t;
   struct speaker_message sm;
   struct addrinfo *res, *sres;
@@ -886,24 +967,42 @@ int main(int argc, char **argv) {
         if(cmdfd >= 0)
           cmdfd_slot = addfd(cmdfd, POLLOUT);
         break;
-      case BACKEND_NETWORK:
-        /* We want to keep the notional playing point somewhere in the near
-         * future.  If it's too near then clients that attempt even the
-         * slightest amount of read-ahead will never catch up, and those that
-         * don't will skip whenever there's a trivial network delay.  If it's
-         * too far ahead then pause latency will be too high.
-         */
+      case BACKEND_NETWORK: {
+        struct timeval now;
+        uint64_t target_us;
+        uint64_t target_rtp_time;
+        const uint64_t samples_ahead = RTP_AHEAD * config->sample_format.rate
+                                              * config->sample_format.channels;
+
+        static unsigned logit;
+
+        /* If we're starting then initialize the base time */
+        if(!rtp_time)
+          xgettimeofday(&rtp_time_0, 0);
+        /* We send audio data whenever we get RTP_AHEAD seconds or more
+         * behind */
         xgettimeofday(&now, 0);
-        delta = tvsub(rtp_time_real, now);
-        if(delta.tv_sec < RTP_AHEAD) {
-          D(("delta = %ld.%06ld", (long)delta.tv_sec, (long)delta.tv_usec));
+        target_us = tvsub_us(now, rtp_time_0);
+        assert(target_us <= UINT64_MAX / 88200);
+        target_rtp_time = (target_us * config->sample_format.rate
+                                     * config->sample_format.channels)
+
+                          / 1000000;
+#if 0
+        /* TODO remove logging guff */
+        if(!(logit++ & 1023))
+          info("rtp_time %llu target %llu difference %lld [%lld]", 
+               rtp_time, target_rtp_time,
+               rtp_time - target_rtp_time,
+               samples_ahead);
+#endif
+        if(rtp_time < target_rtp_time
+           || rtp_time - target_rtp_time < samples_ahead)
           bfd_slot = addfd(bfd, POLLOUT);
-          if(delta.tv_sec < 0)
-            rtp_time_real = now;        /* catch up */
-        }
         break;
+      }
 #if API_ALSA
-      case BACKEND_ALSA:
+      case BACKEND_ALSA: {
         /* We send sample data to ALSA as fast as it can accept it, relying on
          * the fact that it has a relatively small buffer to minimize pause
          * latency. */
@@ -925,6 +1024,7 @@ int main(int argc, char **argv) {
         if(alsa_nslots >= 0)
           fdno += alsa_nslots;
         break;
+      }
 #endif
       default:
         assert(!"unknown backend");