supernova: fix for small audio vector sizes
[supercollider.git] / HelpSource / Guides / WritingUGens.schelp
bloba471c0e09688cea0e685567d474dc89008a22a06
1 title:: Writing Unit Generators
2 summary:: Get started with writing unit generators
3 categories:: Internals
4 related::
6 section:: How Unit Generator plug-ins work.
8 The server loads unit generator plug-ins when it starts up. Unit Generator plug-ins are dynamically loaded libraries
9 written in C++. Each library may contain one or multiple unit generator definitions. A plug-in can also define things
10 other than unit generators such as buffer fill ("/b_gen") commands. Plug-ins are loaded during the startup of the
11 synthesis server. Therefore the server will have to be restarted after (re-)compiling the plugin.
14 section:: The Entry Point
16 When the library is loaded the server calls a function in the library, which is defined by the code::PluginLoad()::
17 macro.  This entry point has two responsibilities:
19 list::
20 ## It needs to store the passed in pointer to the InterfaceTable in a global variable.
21 ## It registers the unit generators.
24 Unit Generators are defined by calling a function in the InterfaceTable and passing it the name of the unit generator,
25 the size of its C data struct, and pointers to functions for constructing and destructing it. There are 4 macros, which
26 can be used to simplify the process.
28 definitionList::
29 ## DefineSimpleUnit || Define a `simple' unit generator
30 ## DefineDtorUnit || Define a unit generator with a descructor
31 ## DefineSimpleCantAliasUnit || Define a `simple' unit generator, whose input and output buffers cannot alias
32 ## DefineDtorCantAliasUnit || Define a unit generator with a destructor, whose input and output buffers cannot alias
35 These macros depend on a specific naming convention:
36 list::
37 ## The unit generator struct is named like the plug-in.
38 ## The unit generator constructor is named code::PluginName_Ctor::
39 ## The unit generator destructor is named code::PluginName_Dtor::
43 section:: A Simple Unit Generator Plugin
45 Unit generator plugins require two parts: A C++ part, which implements the server-side code that is loaded as a
46 dynamically loaded library, and an SCLang class, that is required to build the link::Classes/SynthDef::. The following
47 example implements a simple Sawtooth oscillator
49 subsection:: C++-side Definition of Unit Generators
51 The following code shows the C++ source of a simple unit generator.
53 code::
54 #include "SC_Plugin.h"
56 // InterfaceTable contains pointers to functions in the host (server).
57 static InterfaceTable *ft;
59 // declare struct to hold unit generator state
60 struct MySaw : public Unit
62         double mPhase; // phase of the oscillator, from -1 to 1.
63         float mFreqMul; // a constant for multiplying frequency
66 // declare unit generator functions
67 static void MySaw_next_a(MySaw *unit, int inNumSamples);
68 static void MySaw_next_k(MySaw *unit, int inNumSamples);
69 static void MySaw_Ctor(MySaw* unit);
72 //////////////////////////////////////////////////////////////////
74 // Ctor is called to initialize the unit generator.
75 // It only executes once.
77 // A Ctor usually does 3 things.
78 // 1. set the calculation function.
79 // 2. initialize the unit generator state variables.
80 // 3. calculate one sample of output.
81 void MySaw_Ctor(MySaw* unit)
83         // 1. set the calculation function.
84         if (INRATE(0) == calc_FullRate) {
85                 // if the frequency argument is audio rate
86                 SETCALC(MySaw_next_a);
87         } else {
88                 // if the frequency argument is control rate (or a scalar).
89                 SETCALC(MySaw_next_k);
90         }
92         // 2. initialize the unit generator state variables.
93         // initialize a constant for multiplying the frequency
94         unit->mFreqMul = 2.0 * SAMPLEDUR;
95         // get initial phase of oscillator
96         unit->mPhase = IN0(1);
98         // 3. calculate one sample of output.
99         MySaw_next_k(unit, 1);
103 //////////////////////////////////////////////////////////////////
105 // The calculation function executes once per control period
106 // which is typically 64 samples.
108 // calculation function for an audio rate frequency argument
109 void MySaw_next_a(MySaw *unit, int inNumSamples)
111         // get the pointer to the output buffer
112         float *out = OUT(0);
114         // get the pointer to the input buffer
115         float *freq = IN(0);
117         // get phase and freqmul constant from struct and store it in a
118         // local variable.
119         // The optimizer will cause them to be loaded it into a register.
120         float freqmul = unit->mFreqMul;
121         double phase = unit->mPhase;
123         // perform a loop for the number of samples in the control period.
124         // If this unit is audio rate then inNumSamples will be 64 or whatever
125         // the block size is. If this unit is control rate then inNumSamples will
126         // be 1.
127         for (int i=0; i < inNumSamples; ++i)
128         {
129                 // out must be written last for in place operation
130                 float z = phase;
131                 phase += freq[i] * freqmul;
133                 // these if statements wrap the phase a +1 or -1.
134                 if (phase >= 1.f) phase -= 2.f;
135                 else if (phase <= -1.f) phase += 2.f;
137                 // write the output
138                 out[i] = z;
139         }
141         // store the phase back to the struct
142         unit->mPhase = phase;
145 //////////////////////////////////////////////////////////////////
147 // calculation function for a control rate frequency argument
148 void MySaw_next_k(MySaw *unit, int inNumSamples)
150         // get the pointer to the output buffer
151         float *out = OUT(0);
153         // freq is control rate, so calculate it once.
154         float freq = IN0(0) * unit->mFreqMul;
156         // get phase from struct and store it in a local variable.
157         // The optimizer will cause it to be loaded it into a register.
158         double phase = unit->mPhase;
160         // since the frequency is not changing then we can simplify the loops
161         // by separating the cases of positive or negative frequencies.
162         // This will make them run faster because there is less code inside the loop.
163         if (freq >= 0.f) {
164                 // positive frequencies
165                 for (int i=0; i < inNumSamples; ++i)
166                 {
167                         out[i] = phase;
168                         phase += freq;
169                         if (phase >= 1.f) phase -= 2.f;
170                 }
171         } else {
172                 // negative frequencies
173                 for (int i=0; i < inNumSamples; ++i)
174                 {
175                         out[i] = phase;
176                         phase += freq;
177                         if (phase <= -1.f) phase += 2.f;
178                 }
179         }
181         // store the phase back to the struct
182         unit->mPhase = phase;
186 // the entry point is called by the host when the plug-in is loaded
187 PluginLoad(MySaw)
189     // InterfaceTable *inTable implicitly given as argument to the load function
190         ft = inTable; // store pointer to InterfaceTable
192         DefineSimpleUnit(MySaw);
196 subsection:: SCLang-side Definition of Unit Generators
198 SuperCollider requires an SCLang class in order to build SynthDefs.
200 The arguments to the MySaw UGen are code::freq:: and code::iphase::.  The code::multiNew:: method handles multi channel
201 expansion.  The code::madd:: method provides support for the mul and add arguments. It will create a MulAdd UGen if
202 necessary. You could write the class without mul and add arguments, but providing them makes it more convenient for the
203 user. See link::WritingClasses:: for details on writing sclang classes.
205 code::
206 // without mul and add.
207 MySaw : UGen {
208         *ar { arg freq = 440.0, iphase = 0.0;
209                 ^this.multiNew('audio', freq, iphase)
210         }
211         *kr { arg freq = 440.0, iphase = 0.0;
212                 ^this.multiNew('control', freq, iphase)
213         }
217 subsection:: Building Unit Generator Plugins
219 The most portable way to build plugins is using cmake footnote::http://www.cmake.org::, a cross-platform build
220 system. In order build the example with cmake, the following code should go into a code::CMakeLists.txt:: file.
222 code::
223 cmake_minimum_required (VERSION 2.8)
224 project (MySaw)
226 include_directories(${SC_PATH}/include/plugin_interface)
227 include_directories(${SC_PATH}/include/common)
228 include_directories(${SC_PATH}/external_libraries/libsndfile/)
230 set(CMAKE_SHARED_MODULE_PREFIX "")
231 if(APPLE OR WIN32)
232     set(CMAKE_SHARED_MODULE_SUFFIX ".scx")
233 endif()
235 add_library(MySaw MODULE MySaw.cpp)
239 section:: Coding Guidelines
241 Unit generator plugins are called from the real-time context, which means that special care needs to be taken in order
242 to avoid audio dropouts.
244 definitionList::
245 ## Memory Allocation || Do not allocate memory from the OS via code::malloc:: / code::free:: or code::new::/ code::delete::.
246                         Instead you should use the real-time memory allocator via code::RTAlloc:: / code::RTFree::.
247 ## STL Containers || It is generally not recommended to use STL containers, since they internally allocate memory. The only
248                      way the STL containers can be used is by providing an Allocator, which maps to the allocating functions of
249                      the server.
250 ## Blocking API Calls || Unit generators should not call any code, which could block the execution of the current thread. In
251                          particular, system calls should be avoided. If synchronization with other threads is required, this has to be
252                          done in a lock-free manner.
256 section:: Thread Safety
258 There are two different implementations of the SuperCollider server. strong::scsynth:: is the traditional server and
259 strong::supernova:: is a new implementation with support for multi-processor audio synthesis. Since the plugins in
260 strong::supernova:: can be called at the same time from multiple threads, write access to global data structures needs
261 to be synchronized.
263 definitionList::
264 ## Shared Global Data Structures || Unit generators should not share data structures, which are written to. While it it safe to use
265     global data structures for read-only purposes (e.g. different unit generators could use the same constant wavetable),
266     the data structures that are modified by the unit generators should not be shared among different instances.
268 ## Resource Locking || SuperCollider's buffers and busses are global data structures, and access needs to be synchronized.
269     This is done internally by using reader-writer spinlocks. This is done by using the code::ACQUIRE_::, code::RELEASE_::, and
270     code::LOCK_:: macros, which are defined in SC_Unit.h.
273 subsection:: Deadlock Prevention
275 In order to prevent deadlocks, a simple deadlock prevention scheme is implemented, based on the following constraints.
277 list::
278 ## Lock resources only when required: few unit generators actually require the access to more than one resource at the same time.
279    The main exception of this rule are the FFT Chain ugens, which access multiple buffers at the same time. There is no known unit
280    generator, which accesses both buffers and busses at the same time.
281 ## Acquire reader locks if possible. Since multiple ugens can acquire a reader lock to the same resource at the same time, their
282    use reduces contention.
283 ## Resources have to be acquired in a well-defined order: busses should be acquired before buffers and resources with a high index
284    should be acquired before resources with a low index.