onyx/Packages/OnyxKit/Sources/AudioProvider/SystemLevels.swift

import Foundation
import Synchronization
import AudioToolbox
import CoreAudio
import AVFoundation
import OSLog

private let log = Logger(subsystem: "com.scarriffleservices.onyx", category: "Audio")

/// Der höchste Ausschlag seit dem letzten Abholen — als Bitmuster, weil
/// `Atomic` keine Fließkommazahlen führt.
///
/// Sperrenfrei, weil geschrieben wird, während der Audiothread läuft. Eine
/// gewöhnliche Eigenschaft wäre dort ein Wettlauf, eine Sperre ein Aussetzer.
final class PeakMeter: Sendable {
    private let bits = Atomic<UInt32>(0)

    func record(_ magnitude: Float) {
        let previous = Float(bitPattern: bits.load(ordering: .relaxed))
        if magnitude > previous { bits.store(magnitude.bitPattern, ordering: .relaxed) }
    }

    /// Holt den Höchstwert ab und setzt zurück, damit die Anzeige abfällt,
    /// statt auf der Spitze stehen zu bleiben.
    func take() -> Float { Float(bitPattern: bits.exchange(0, ordering: .relaxed)) }
}

/// Misst, was gerade aus dem Lautsprecher kommt.
///
/// Über einen globalen Tap, also denselben Weg wie der Mixer — nur ohne
/// Stummschalten und ohne Ausgabe. Ausgenommen werden die Programme, die der
/// Mixer bereits abgreift: deren Originalton ist stummgeschaltet, aber ein Tap
/// sieht ihn trotzdem. Sie zählten sonst doppelt — einmal als Original, das
/// niemand hört, und einmal als das, was Onyx daraus macht.
final class OutputMeter {

    let peak = PeakMeter()
    private(set) var excluded: [AudioObjectID] = []
    private var tapID = AudioObjectID(kAudioObjectUnknown)
    private var aggregateID = AudioObjectID(kAudioObjectUnknown)
    private var procID: AudioDeviceIOProcID?

    var isRunning: Bool { procID != nil }

    deinit { stop() }

    func start(excluding processes: [AudioObjectID], outputDeviceUID: String) {
        stop()
        excluded = processes

        let tapUUID = UUID()
        let description = CATapDescription(stereoGlobalTapButExcludeProcesses: processes)
        description.uuid = tapUUID
        description.name = "Onyx – Ausgangspegel"
        description.isPrivate = true
        // Nur zuhören. Ein Pegelmesser, der die Wiedergabe verändert, wäre
        // kein Messgerät.
        description.muteBehavior = .unmuted

        guard AudioHardwareCreateProcessTap(description, &tapID) == noErr else {
            tapID = AudioObjectID(kAudioObjectUnknown)
            return
        }

        let aggregate: [String: Any] = [
            kAudioAggregateDeviceNameKey: "Onyx Pegel",
            kAudioAggregateDeviceUIDKey: ProcessTap.aggregateUIDPrefix + UUID().uuidString,
            kAudioAggregateDeviceIsPrivateKey: true,
            kAudioAggregateDeviceIsStackedKey: false,
            kAudioAggregateDeviceMainSubDeviceKey: outputDeviceUID,
            kAudioAggregateDeviceSubDeviceListKey: [[kAudioSubDeviceUIDKey: outputDeviceUID]],
            kAudioAggregateDeviceTapListKey: [[
                kAudioSubTapUIDKey: tapUUID.uuidString,
                kAudioSubTapDriftCompensationKey: true,
            ]],
        ]
        guard AudioHardwareCreateAggregateDevice(aggregate as CFDictionary, &aggregateID) == noErr
        else {
            aggregateID = AudioObjectID(kAudioObjectUnknown)
            stop()
            return
        }

        var proc: AudioDeviceIOProcID?
        let status = AudioDeviceCreateIOProcIDWithBlock(&proc, aggregateID, nil) {
            [peak] _, inputData, _, outputData, _ in
            let input = UnsafeMutableAudioBufferListPointer(
                UnsafeMutablePointer(mutating: inputData))
            for buffer in input {
                guard let data = buffer.mData else { continue }
                let count = Int(buffer.mDataByteSize) / MemoryLayout<Float>.size
                let samples = data.assumingMemoryBound(to: Float.self)
                var high: Float = 0
                for index in 0..<count {
                    let magnitude = abs(samples[index])
                    if magnitude > high { high = magnitude }
                }
                peak.record(high)
            }
            // Die eigene Ausgabe bleibt still: das Gerät gibt auf denselben
            // Lautsprecher aus, und ungeschriebene Puffer enthalten, was zuletzt
            // darin stand.
            AudioBuffers.silence(outputData)
        }
        guard status == noErr, let proc else { stop(); return }
        procID = proc

        guard AudioDeviceStart(aggregateID, proc) == noErr else { stop(); return }
    }

    func stop() {
        if let procID {
            AudioDeviceStop(aggregateID, procID)
            AudioDeviceDestroyIOProcID(aggregateID, procID)
            self.procID = nil
        }
        if aggregateID != kAudioObjectUnknown {
            AudioHardwareDestroyAggregateDevice(aggregateID)
            aggregateID = AudioObjectID(kAudioObjectUnknown)
        }
        if tapID != kAudioObjectUnknown {
            AudioHardwareDestroyProcessTap(tapID)
            tapID = AudioObjectID(kAudioObjectUnknown)
        }
    }
}

/// Misst, was das Mikrofon hört.
///
/// **Dafür wird tatsächlich aufgenommen** — anders geht es nicht. Es gibt keine
/// Eigenschaft am Gerät, die den Ausschlag verrät; einen Pegel bekommt nur, wer
/// das Signal liest. Genau das meldet macOS mit dem orangen Punkt, und das ist
/// richtig so. Deshalb läuft diese Messung nur, solange jemand hinschaut, und
/// hört mit dem Schließen des Popovers sofort wieder auf.
final class InputMeter {

    let peak = PeakMeter()
    private var deviceID = AudioObjectID(kAudioObjectUnknown)
    private var procID: AudioDeviceIOProcID?

    var isRunning: Bool { procID != nil }

    deinit { stop() }

    func start(device: AudioObjectID) {
        stop()
        guard device != kAudioObjectUnknown, Self.deliversFloat(device) else { return }
        deviceID = device

        var proc: AudioDeviceIOProcID?
        let status = AudioDeviceCreateIOProcIDWithBlock(&proc, device, nil) {
            [peak] _, inputData, _, outputData, _ in
            let input = UnsafeMutableAudioBufferListPointer(
                UnsafeMutablePointer(mutating: inputData))
            for buffer in input {
                guard let data = buffer.mData else { continue }
                let count = Int(buffer.mDataByteSize) / MemoryLayout<Float>.size
                let samples = data.assumingMemoryBound(to: Float.self)
                var high: Float = 0
                for index in 0..<count {
                    let magnitude = abs(samples[index])
                    if magnitude > high { high = magnitude }
                }
                peak.record(high)
            }
            // Manche Geräte haben Ein- und Ausgang. Der eigene Ausgabepuffer
            // bleibt still — er trägt zum Gerät nur bei, was hier hineingeht.
            AudioBuffers.silence(outputData)
        }
        guard status == noErr, let proc else { stop(); return }
        procID = proc

        if AudioDeviceStart(device, proc) != noErr {
            log.error("Mikrofonpegel: Gerät startet nicht")
            stop()
        }
    }

    func stop() {
        if let procID {
            AudioDeviceStop(deviceID, procID)
            AudioDeviceDestroyIOProcID(deviceID, procID)
            self.procID = nil
        }
        deviceID = AudioObjectID(kAudioObjectUnknown)
    }

    /// Liefert das Gerät Fließkommawerte?
    ///
    /// Ohne diese Prüfung würden Ganzzahlwerte als Fließkomma gelesen — das
    /// ergibt keinen zu hohen oder zu niedrigen Pegel, sondern Unsinn.
    private static func deliversFloat(_ device: AudioObjectID) -> Bool {
        var address = AudioObjectPropertyAddress(
            mSelector: kAudioStreamPropertyVirtualFormat,
            mScope: kAudioObjectPropertyScopeInput,
            mElement: kAudioObjectPropertyElementMain)
        var format = AudioStreamBasicDescription()
        var size = UInt32(MemoryLayout<AudioStreamBasicDescription>.size)
        guard AudioObjectGetPropertyData(device, &address, 0, nil, &size, &format) == noErr
        else { return false }
        return format.mFormatFlags & kAudioFormatFlagIsFloat != 0
    }
}

enum AudioBuffers {
    /// Füllt alle Puffer mit Nullen.
    static func silence(_ list: UnsafeMutablePointer<AudioBufferList>) {
        for buffer in UnsafeMutableAudioBufferListPointer(list) {
            guard let data = buffer.mData else { continue }
            memset(data, 0, Int(buffer.mDataByteSize))
        }
    }
}

/// Die Pegel von Ausgabe und Eingabe.
///
/// Sie laufen nur, solange jemand hinschaut: beide brauchen einen offenen
/// Audioweg, der Mikrofonpegel obendrein den orangen Punkt. Ein Messgerät, das
/// im Hintergrund weiterläuft, wäre bei beidem falsch.
@MainActor
@Observable
public final class SystemLevels {

    public private(set) var output: Double = 0
    public private(set) var input: Double = 0

    /// Ob gerade tatsächlich das Mikrofon gelesen wird.
    ///
    /// **Nur auf Knopfdruck.** Ein Eingangsstrom ist bei Bluetooth-Hörern kein
    /// stiller Mitleser: macOS schaltet sie dabei ins Telefonprofil. Gemessen
    /// an AirPods Pro fällt die Abtastrate von 48 auf 24 kHz, und der
    /// Lautstärkeregler des Geräts springt von 0,0 auf 0,6 — die Musik wird
    /// hörbar lauter und schlechter. Das darf nicht passieren, weil jemand ein
    /// Lautstärkefenster aufmacht.
    public private(set) var isListeningToInput = false

    /// Prozesse, deren Originalton der Mixer bereits stummgeschaltet hat.
    ///
    /// Wird von außen gesetzt, weil nur der Mixer sie kennt. Ohne die Angabe
    /// zählte jedes geregelte Programm doppelt.
    public var mutedProcesses: @MainActor () -> [AudioObjectID] = { [] }

    @ObservationIgnored private let outputMeter = OutputMeter()
    @ObservationIgnored private let inputMeter = InputMeter()
    @ObservationIgnored private var consumers = 0
    @ObservationIgnored private var timer: Timer?

    public init() {}

    /// Ein Zähler statt eines Schalters: Popover und Panel können gleichzeitig
    /// offen sein, und das zweite Schließen darf nicht abschalten, was das erste
    /// noch braucht.
    public func addConsumer() {
        consumers += 1
        guard consumers == 1 else { return }
        startOutputMeter()
        let timer = Timer(timeInterval: 1.0 / 15, repeats: true) { [weak self] _ in
            Task { @MainActor in self?.sample() }
        }
        RunLoop.main.add(timer, forMode: .common)
        self.timer = timer
    }

    public func removeConsumer() {
        consumers = max(0, consumers - 1)
        guard consumers == 0 else { return }
        timer?.invalidate()
        timer = nil
        outputMeter.stop()
        // Das Mikrofon geht in jedem Fall mit aus — auch wenn es noch
        // eingeschaltet war. Es soll nie länger offen sein als die Ansicht.
        stopInputMetering()
        output = 0
        input = 0
    }

    /// Schaltet die Mikrofonmessung an oder aus.
    public func toggleInputMetering() {
        if isListeningToInput {
            stopInputMetering()
        } else {
            inputMeter.start(device: Self.defaultDevice(kAudioHardwarePropertyDefaultInputDevice))
            isListeningToInput = inputMeter.isRunning
        }
    }

    private func stopInputMetering() {
        inputMeter.stop()
        isListeningToInput = false
        input = 0
    }

    private func startOutputMeter() {
        guard let uid = Self.defaultDeviceUID(kAudioHardwarePropertyDefaultOutputDevice)
        else { return }
        outputMeter.start(excluding: mutedProcesses(), outputDeviceUID: uid)
    }

    private func sample() {
        // Ändert sich, welche Programme der Mixer abgreift, muss der Tap neu
        // aufgebaut werden — sonst zählte ein gerade erst geregeltes Programm
        // ab dem nächsten Puffer doppelt.
        let muted = mutedProcesses()
        if outputMeter.isRunning, muted.sorted() != outputMeter.excluded.sorted() {
            if let uid = Self.defaultDeviceUID(kAudioHardwarePropertyDefaultOutputDevice) {
                outputMeter.start(excluding: muted, outputDeviceUID: uid)
            }
        }

        // Schnell hoch, langsam runter — wie bei den Programmzeilen, damit
        // beide Balken dieselbe Sprache sprechen.
        output = decay(output, toward: Double(outputMeter.peak.take()))
        input = isListeningToInput ? decay(input, toward: Double(inputMeter.peak.take())) : 0
    }

    private func decay(_ current: Double, toward peak: Double) -> Double {
        peak > current ? peak : current * 0.72
    }

    // MARK: - Core Audio

    private static func defaultDevice(_ selector: AudioObjectPropertySelector) -> AudioObjectID {
        var address = AudioObjectPropertyAddress(
            mSelector: selector, mScope: kAudioObjectPropertyScopeGlobal,
            mElement: kAudioObjectPropertyElementMain)
        var device = AudioObjectID(kAudioObjectUnknown)
        var size = UInt32(MemoryLayout<AudioObjectID>.size)
        guard AudioObjectGetPropertyData(AudioObjectID(kAudioObjectSystemObject),
                                         &address, 0, nil, &size, &device) == noErr
        else { return AudioObjectID(kAudioObjectUnknown) }
        return device
    }

    private static func defaultDeviceUID(_ selector: AudioObjectPropertySelector) -> String? {
        let device = defaultDevice(selector)
        guard device != kAudioObjectUnknown else { return nil }
        var address = AudioObjectPropertyAddress(
            mSelector: kAudioDevicePropertyDeviceUID,
            mScope: kAudioObjectPropertyScopeGlobal,
            mElement: kAudioObjectPropertyElementMain)
        var result: CFString?
        var size = UInt32(MemoryLayout<CFString?>.size)
        let status = withUnsafeMutablePointer(to: &result) {
            AudioObjectGetPropertyData(device, &address, 0, nil, &size, $0)
        }
        guard status == noErr, let result else { return nil }
        return result as String
    }
}