Add note that stream callbacks must read the whole requested length.
[apps/agl-service-can-low-level.git] / docs / concepts.rst
1 ======================
2 Nanopb: Basic concepts
3 ======================
4
5 .. include :: menu.rst
6
7 The things outlined here are the underlying concepts of the nanopb design.
8
9 .. contents::
10
11 Proto files
12 ===========
13 All Protocol Buffers implementations use .proto files to describe the message format.
14 The point of these files is to be a portable interface description language.
15
16 Compiling .proto files for nanopb
17 ---------------------------------
18 Nanopb uses the Google's protoc compiler to parse the .proto file, and then a python script to generate the C header and source code from it::
19
20     user@host:~$ protoc -omessage.pb message.proto
21     user@host:~$ python ../generator/nanopb_generator.py message.pb
22     Writing to message.h and message.c
23     user@host:~$
24
25 Compiling .proto files with nanopb options
26 ------------------------------------------
27 Nanopb defines two extensions for message fields described in .proto files: *max_size* and *max_count*.
28 These are the maximum size of a string and maximum count of items in an array::
29
30     required string name = 1 [(nanopb).max_size = 40];
31     repeated PhoneNumber phone = 4 [(nanopb).max_count = 5];
32
33 To use these extensions, you need to place an import statement in the beginning of the file::
34
35     import "nanopb.proto";
36
37 This file, in turn, requires the file *google/protobuf/descriptor.proto*. This is usually installed under */usr/include*. Therefore, to compile a .proto file which uses options, use a protoc command similar to::
38
39     protoc -I/usr/include -Inanopb/generator -I. -omessage.pb message.proto
40
41 Streams
42 =======
43
44 Nanopb uses streams for accessing the data in encoded format.
45 The stream abstraction is very lightweight, and consists of a structure (*pb_ostream_t* or *pb_istream_t*) which contains a pointer to a callback function.
46
47 There are a few generic rules for callback functions:
48
49 #) Return false on IO errors. The encoding or decoding process will abort immediately.
50 #) Use state to store your own data, such as a file descriptor.
51 #) *bytes_written* and *bytes_left* are updated by pb_write and pb_read.
52 #) Your callback may be used with substreams. In this case *bytes_left*, *bytes_written* and *max_size* have smaller values than the original stream. Don't use these values to calculate pointers.
53 #) Always read or write the full requested length of data. For example, POSIX *recv()* needs the *MSG_WAITALL* parameter to accomplish this.
54
55 Output streams
56 --------------
57
58 ::
59
60  struct _pb_ostream_t
61  {
62     bool (*callback)(pb_ostream_t *stream, const uint8_t *buf, size_t count);
63     void *state;
64     size_t max_size;
65     size_t bytes_written;
66  };
67
68 The *callback* for output stream may be NULL, in which case the stream simply counts the number of bytes written. In this case, *max_size* is ignored.
69
70 Otherwise, if *bytes_written* + bytes_to_be_written is larger than *max_size*, pb_write returns false before doing anything else. If you don't want to limit the size of the stream, pass SIZE_MAX.
71  
72 **Example 1:**
73
74 This is the way to get the size of the message without storing it anywhere::
75
76  Person myperson = ...;
77  pb_ostream_t sizestream = {0};
78  pb_encode(&sizestream, Person_fields, &myperson);
79  printf("Encoded size is %d\n", sizestream.bytes_written);
80
81 **Example 2:**
82
83 Writing to stdout::
84
85  bool callback(pb_ostream_t *stream, const uint8_t *buf, size_t count)
86  {
87     FILE *file = (FILE*) stream->state;
88     return fwrite(buf, 1, count, file) == count;
89  }
90  
91  pb_ostream_t stdoutstream = {&callback, stdout, SIZE_MAX, 0};
92
93 Input streams
94 -------------
95 For input streams, there are a few extra rules:
96
97 #) If buf is NULL, read from stream but don't store the data. This is used to skip unknown input.
98 #) You don't need to know the length of the message in advance. After getting EOF error when reading, set bytes_left to 0 and return false. Pb_decode will detect this and if the EOF was in a proper position, it will return true.
99
100 Here is the structure::
101
102  struct _pb_istream_t
103  {
104     bool (*callback)(pb_istream_t *stream, uint8_t *buf, size_t count);
105     void *state;
106     size_t bytes_left;
107  };
108
109 The *callback* must always be a function pointer. *Bytes_left* is an upper limit on the number of bytes that will be read. You can use SIZE_MAX if your callback handles EOF as described above.
110
111 **Example:**
112
113 This function binds an input stream to stdin:
114
115 :: 
116
117  bool callback(pb_istream_t *stream, uint8_t *buf, size_t count)
118  {
119     FILE *file = (FILE*)stream->state;
120     bool status;
121     
122     if (buf == NULL)
123     {
124         while (count-- && fgetc(file) != EOF);
125         return count == 0;
126     }
127     
128     status = (fread(buf, 1, count, file) == count);
129     
130     if (feof(file))
131         stream->bytes_left = 0;
132     
133     return status;
134  }
135  
136  pb_istream_t stdinstream = {&callback, stdin, SIZE_MAX};
137
138 Data types
139 ==========
140
141 Most Protocol Buffers datatypes have directly corresponding C datatypes, such as int32 is int32_t, float is float and bool is bool. However, the variable-length datatypes are more complex:
142
143 1) Strings, bytes and repeated fields of any type map to callback functions by default.
144 2) If there is a special option *(nanopb).max_size* specified in the .proto file, string maps to null-terminated char array and bytes map to a structure containing a char array and a size field.
145 3) If there is a special option *(nanopb).max_count* specified on a repeated field, it maps to an array of whatever type is being repeated. Another field will be created for the actual number of entries stored.
146
147 =============================================================================== =======================
148       field in .proto                                                           autogenerated in .h
149 =============================================================================== =======================
150 required string name = 1;                                                       pb_callback_t name;
151 required string name = 1 [(nanopb).max_size = 40];                              char name[40];
152 repeated string name = 1 [(nanopb).max_size = 40];                              pb_callback_t name;
153 repeated string name = 1 [(nanopb).max_size = 40, (nanopb).max_count = 5];      | size_t name_count;
154                                                                                 | char name[5][40];
155 required bytes data = 1 [(nanopb).max_size = 40];                               | typedef struct {
156                                                                                 |    size_t size;
157                                                                                 |    uint8_t bytes[40];
158                                                                                 | } Person_data_t;
159                                                                                 | Person_data_t data;
160 =============================================================================== =======================
161
162 The maximum lengths are checked in runtime. If string/bytes/array exceeds the allocated length, *pb_decode* will return false.
163
164 Note: for the *bytes* datatype, the field length checking may not be exact.
165 The compiler may add some padding to the *pb_bytes_t* structure, and the nanopb runtime doesn't know how much of the structure size is padding. Therefore it uses the whole length of the structure for storing data, which is not very smart but shouldn't cause problems. In practise, this means that if you specify *(nanopb).max_size=5* on a *bytes* field, you may be able to store 6 bytes there. For the *string* field type, the length limit is exact.
166
167 Field callbacks
168 ===============
169 When a field has dynamic length, nanopb cannot statically allocate storage for it. Instead, it allows you to handle the field in whatever way you want, using a callback function.
170
171 The `pb_callback_t`_ structure contains a function pointer and a *void* pointer you can use for passing data to the callback. If the function pointer is NULL, the field will be skipped. The actual behavior of the callback function is different in encoding and decoding modes.
172
173 .. _`pb_callback_t`: reference.html#pb-callback-t
174
175 Encoding callbacks
176 ------------------
177 ::
178
179     bool (*encode)(pb_ostream_t *stream, const pb_field_t *field, const void *arg);
180
181 When encoding, the callback should write out complete fields, including the wire type and field number tag. It can write as many or as few fields as it likes. For example, if you want to write out an array as *repeated* field, you should do it all in a single call.
182
183 Usually you can use `pb_encode_tag_for_field`_ to encode the wire type and tag number of the field. However, if you want to encode a repeated field as a packed array, you must call `pb_encode_tag`_ instead to specify a wire type of *PB_WT_STRING*.
184
185 If the callback is used in a submessage, it will be called multiple times during a single call to `pb_encode`_. In this case, it must produce the same amount of data every time. If the callback is directly in the main message, it is called only once.
186
187 .. _`pb_encode`: reference.html#pb-encode
188 .. _`pb_encode_tag_for_field`: reference.html#pb-encode-tag-for-field
189 .. _`pb_encode_tag`: reference.html#pb-encode-tag
190
191 This callback writes out a dynamically sized string::
192
193     bool write_string(pb_ostream_t *stream, const pb_field_t *field, const void *arg)
194     {
195         char *str = get_string_from_somewhere();
196         if (!pb_encode_tag_for_field(stream, field))
197             return false;
198         
199         return pb_encode_string(stream, (uint8_t*)str, strlen(str));
200     }
201
202 Decoding callbacks
203 ------------------
204 ::
205
206     bool (*decode)(pb_istream_t *stream, const pb_field_t *field, void *arg);
207
208 When decoding, the callback receives a length-limited substring that reads the contents of a single field. The field tag has already been read. For *string* and *bytes*, the length value has already been parsed, and is available at *stream->bytes_left*.
209
210 The callback will be called multiple times for repeated fields. For packed fields, you can either read multiple values until the stream ends, or leave it to `pb_decode`_ to call your function over and over until all values have been read.
211
212 .. _`pb_decode`: reference.html#pb-decode
213
214 This callback reads multiple integers and prints them::
215
216     bool read_ints(pb_istream_t *stream, const pb_field_t *field, void *arg)
217     {
218         while (stream->bytes_left)
219         {
220             uint64_t value;
221             if (!pb_decode_varint(stream, &value))
222                 return false;
223             printf("%lld\n", value);
224         }
225         return true;
226     }
227
228 Field description array
229 =======================
230
231 For using the *pb_encode* and *pb_decode* functions, you need an array of pb_field_t constants describing the structure you wish to encode. This description is usually autogenerated from .proto file.
232
233 For example this submessage in the Person.proto file::
234
235  message Person {
236     message PhoneNumber {
237         required string number = 1 [(nanopb).max_size = 40];
238         optional PhoneType type = 2 [default = HOME];
239     }
240  }
241
242 generates this field description array for the structure *Person_PhoneNumber*::
243
244  const pb_field_t Person_PhoneNumber_fields[3] = {
245     {1, PB_HTYPE_REQUIRED | PB_LTYPE_STRING,
246     offsetof(Person_PhoneNumber, number), 0,
247     pb_membersize(Person_PhoneNumber, number), 0, 0},
248
249     {2, PB_HTYPE_OPTIONAL | PB_LTYPE_VARINT,
250     pb_delta(Person_PhoneNumber, type, number),
251     pb_delta(Person_PhoneNumber, has_type, type),
252     pb_membersize(Person_PhoneNumber, type), 0,
253     &Person_PhoneNumber_type_default},
254
255     PB_LAST_FIELD
256  };
257
258
259 Return values and error handling
260 ================================
261
262 Most functions in nanopb return bool: *true* means success, *false* means failure. There is also some support for error messages for debugging purposes: the error messages go in *stream->errmsg*.
263
264 The error messages help in guessing what is the underlying cause of the error. The most common error conditions are:
265
266 1) Running out of memory. Because everything is allocated from the stack, nanopb can't detect this itself. Encoding or decoding the same type of a message always takes the same amount of stack space. Therefore, if it works once, it works always.
267 2) Invalid field description. These are usually stored as constants, so if it works under the debugger, it always does.
268 3) IO errors in your own stream callbacks.
269 4) Errors that happen in your callback functions.
270 5) Exceeding the max_size or bytes_left of a stream.
271 6) Exceeding the max_size of a string or array field
272 7) Invalid protocol buffers binary message.