compiler/rustc_codegen_ssa/src/back/metadata.rs

   1 //! Reading of the rustc metadata for rlibs and dylibs
   2
   3 use std::fs::File;
   4 use std::io::Write;
   5 use std::path::Path;
   6
   7 use object::write::{self, StandardSegment, Symbol, SymbolSection};
   8 use object::{
   9     elf, pe, Architecture, BinaryFormat, Endianness, FileFlags, Object, ObjectSection,
  10     SectionFlags, SectionKind, SymbolFlags, SymbolKind, SymbolScope,
  11 };
  12
  13 use snap::write::FrameEncoder;
  14
  15 use rustc_data_structures::memmap::Mmap;
  16 use rustc_data_structures::owning_ref::OwningRef;
  17 use rustc_data_structures::rustc_erase_owner;
  18 use rustc_data_structures::sync::MetadataRef;
  19 use rustc_metadata::fs::METADATA_FILENAME;
  20 use rustc_metadata::EncodedMetadata;
  21 use rustc_session::cstore::MetadataLoader;
  22 use rustc_session::Session;
  23 use rustc_target::abi::Endian;
  24 use rustc_target::spec::{RelocModel, Target};
  25
  26 /// The default metadata loader. This is used by cg_llvm and cg_clif.
  27 ///
  28 /// # Metadata location
  29 ///
  30 /// <dl>
  31 /// <dt>rlib</dt>
  32 /// <dd>The metadata can be found in the `lib.rmeta` file inside of the ar archive.</dd>
  33 /// <dt>dylib</dt>
  34 /// <dd>The metadata can be found in the `.rustc` section of the shared library.</dd>
  35 /// </dl>
  36 pub struct DefaultMetadataLoader;
  37
  38 fn load_metadata_with(
  39     path: &Path,
  40     f: impl for<'a> FnOnce(&'a [u8]) -> Result<&'a [u8], String>,
  41 ) -> Result<MetadataRef, String> {
  42     let file =
  43         File::open(path).map_err(|e| format!("failed to open file '{}': {}", path.display(), e))?;
  44     let data = unsafe { Mmap::map(file) }
  45         .map_err(|e| format!("failed to mmap file '{}': {}", path.display(), e))?;
  46     let metadata = OwningRef::new(data).try_map(f)?;
  47     return Ok(rustc_erase_owner!(metadata.map_owner_box()));
  48 }
  49
  50 impl MetadataLoader for DefaultMetadataLoader {
  51     fn get_rlib_metadata(&self, _target: &Target, path: &Path) -> Result<MetadataRef, String> {
  52         load_metadata_with(path, |data| {
  53             let archive = object::read::archive::ArchiveFile::parse(&*data)
  54                 .map_err(|e| format!("failed to parse rlib '{}': {}", path.display(), e))?;
  55
  56             for entry_result in archive.members() {
  57                 let entry = entry_result
  58                     .map_err(|e| format!("failed to parse rlib '{}': {}", path.display(), e))?;
  59                 if entry.name() == METADATA_FILENAME.as_bytes() {
  60                     let data = entry
  61                         .data(data)
  62                         .map_err(|e| format!("failed to parse rlib '{}': {}", path.display(), e))?;
  63                     return search_for_section(path, data, ".rmeta");
  64                 }
  65             }
  66
  67             Err(format!("metadata not found in rlib '{}'", path.display()))
  68         })
  69     }
  70
  71     fn get_dylib_metadata(&self, _target: &Target, path: &Path) -> Result<MetadataRef, String> {
  72         load_metadata_with(path, |data| search_for_section(path, data, ".rustc"))
  73     }
  74 }
  75
  76 pub(super) fn search_for_section<'a>(
  77     path: &Path,
  78     bytes: &'a [u8],
  79     section: &str,
  80 ) -> Result<&'a [u8], String> {
  81     let Ok(file) = object::File::parse(bytes) else {
  82         // The parse above could fail for odd reasons like corruption, but for
  83         // now we just interpret it as this target doesn't support metadata
  84         // emission in object files so the entire byte slice itself is probably
  85         // a metadata file. Ideally though if necessary we could at least check
  86         // the prefix of bytes to see if it's an actual metadata object and if
  87         // not forward the error along here.
  88         return Ok(bytes);
  89     };
  90     file.section_by_name(section)
  91         .ok_or_else(|| format!("no `{}` section in '{}'", section, path.display()))?
  92         .data()
  93         .map_err(|e| format!("failed to read {} section in '{}': {}", section, path.display(), e))
  94 }
  95
  96 pub(crate) fn create_object_file(sess: &Session) -> Option<write::Object<'static>> {
  97     let endianness = match sess.target.options.endian {
  98         Endian::Little => Endianness::Little,
  99         Endian::Big => Endianness::Big,
 100     };
 101     let architecture = match &sess.target.arch[..] {
 102         "arm" => Architecture::Arm,
 103         "aarch64" => Architecture::Aarch64,
 104         "x86" => Architecture::I386,
 105         "s390x" => Architecture::S390x,
 106         "mips" => Architecture::Mips,
 107         "mips64" => Architecture::Mips64,
 108         "x86_64" => {
 109             if sess.target.pointer_width == 32 {
 110                 Architecture::X86_64_X32
 111             } else {
 112                 Architecture::X86_64
 113             }
 114         }
 115         "powerpc" => Architecture::PowerPc,
 116         "powerpc64" => Architecture::PowerPc64,
 117         "riscv32" => Architecture::Riscv32,
 118         "riscv64" => Architecture::Riscv64,
 119         "sparc64" => Architecture::Sparc64,
 120         "avr" => Architecture::Avr,
 121         "msp430" => Architecture::Msp430,
 122         "hexagon" => Architecture::Hexagon,
 123         "bpf" => Architecture::Bpf,
 124         // Unsupported architecture.
 125         _ => return None,
 126     };
 127     let binary_format = if sess.target.is_like_osx {
 128         BinaryFormat::MachO
 129     } else if sess.target.is_like_windows {
 130         BinaryFormat::Coff
 131     } else {
 132         BinaryFormat::Elf
 133     };
 134
 135     let mut file = write::Object::new(binary_format, architecture, endianness);
 136     let e_flags = match architecture {
 137         Architecture::Mips => {
 138             let arch = match sess.target.options.cpu.as_ref() {
 139                 "mips1" => elf::EF_MIPS_ARCH_1,
 140                 "mips2" => elf::EF_MIPS_ARCH_2,
 141                 "mips3" => elf::EF_MIPS_ARCH_3,
 142                 "mips4" => elf::EF_MIPS_ARCH_4,
 143                 "mips5" => elf::EF_MIPS_ARCH_5,
 144                 s if s.contains("r6") => elf::EF_MIPS_ARCH_32R6,
 145                 _ => elf::EF_MIPS_ARCH_32R2,
 146             };
 147             // The only ABI LLVM supports for 32-bit MIPS CPUs is o32.
 148             let mut e_flags = elf::EF_MIPS_CPIC | elf::EF_MIPS_ABI_O32 | arch;
 149             if sess.target.options.relocation_model != RelocModel::Static {
 150                 e_flags |= elf::EF_MIPS_PIC;
 151             }
 152             if sess.target.options.cpu.contains("r6") {
 153                 e_flags |= elf::EF_MIPS_NAN2008;
 154             }
 155             e_flags
 156         }
 157         Architecture::Mips64 => {
 158             // copied from `mips64el-linux-gnuabi64-gcc foo.c -c`
 159             let e_flags = elf::EF_MIPS_CPIC
 160                 | elf::EF_MIPS_PIC
 161                 | if sess.target.options.cpu.contains("r6") {
 162                     elf::EF_MIPS_ARCH_64R6 | elf::EF_MIPS_NAN2008
 163                 } else {
 164                     elf::EF_MIPS_ARCH_64R2
 165                 };
 166             e_flags
 167         }
 168         Architecture::Riscv64 if sess.target.options.features.contains("+d") => {
 169             // copied from `riscv64-linux-gnu-gcc foo.c -c`, note though
 170             // that the `+d` target feature represents whether the double
 171             // float abi is enabled.
 172             let e_flags = elf::EF_RISCV_RVC | elf::EF_RISCV_FLOAT_ABI_DOUBLE;
 173             e_flags
 174         }
 175         _ => 0,
 176     };
 177     // adapted from LLVM's `MCELFObjectTargetWriter::getOSABI`
 178     let os_abi = match sess.target.options.os.as_ref() {
 179         "hermit" => elf::ELFOSABI_STANDALONE,
 180         "freebsd" => elf::ELFOSABI_FREEBSD,
 181         "solaris" => elf::ELFOSABI_SOLARIS,
 182         _ => elf::ELFOSABI_NONE,
 183     };
 184     let abi_version = 0;
 185     file.flags = FileFlags::Elf { os_abi, abi_version, e_flags };
 186     Some(file)
 187 }
 188
 189 pub enum MetadataPosition {
 190     First,
 191     Last,
 192 }
 193
 194 /// For rlibs we "pack" rustc metadata into a dummy object file.
 195 ///
 196 /// Historically it was needed because rustc linked rlibs as whole-archive in some cases.
 197 /// In that case linkers try to include all files located in an archive, so if metadata is stored
 198 /// in an archive then it needs to be of a form that the linker is able to process.
 199 /// Now it's not clear whether metadata still needs to be wrapped into an object file or not.
 200 ///
 201 /// Note, though, that we don't actually want this metadata to show up in any
 202 /// final output of the compiler. Instead this is purely for rustc's own
 203 /// metadata tracking purposes.
 204 ///
 205 /// With the above in mind, each "flavor" of object format gets special
 206 /// handling here depending on the target:
 207 ///
 208 /// * MachO - macos-like targets will insert the metadata into a section that
 209 ///   is sort of fake dwarf debug info. Inspecting the source of the macos
 210 ///   linker this causes these sections to be skipped automatically because
 211 ///   it's not in an allowlist of otherwise well known dwarf section names to
 212 ///   go into the final artifact.
 213 ///
 214 /// * WebAssembly - we actually don't have any container format for this
 215 ///   target. WebAssembly doesn't support the `dylib` crate type anyway so
 216 ///   there's no need for us to support this at this time. Consequently the
 217 ///   metadata bytes are simply stored as-is into an rlib.
 218 ///
 219 /// * COFF - Windows-like targets create an object with a section that has
 220 ///   the `IMAGE_SCN_LNK_REMOVE` flag set which ensures that if the linker
 221 ///   ever sees the section it doesn't process it and it's removed.
 222 ///
 223 /// * ELF - All other targets are similar to Windows in that there's a
 224 ///   `SHF_EXCLUDE` flag we can set on sections in an object file to get
 225 ///   automatically removed from the final output.
 226 pub fn create_wrapper_file(
 227     sess: &Session,
 228     section_name: Vec<u8>,
 229     data: &[u8],
 230 ) -> (Vec<u8>, MetadataPosition) {
 231     let Some(mut file) = create_object_file(sess) else {
 232         // This is used to handle all "other" targets. This includes targets
 233         // in two categories:
 234         //
 235         // * Some targets don't have support in the `object` crate just yet
 236         //   to write an object file. These targets are likely to get filled
 237         //   out over time.
 238         //
 239         // * Targets like WebAssembly don't support dylibs, so the purpose
 240         //   of putting metadata in object files, to support linking rlibs
 241         //   into dylibs, is moot.
 242         //
 243         // In both of these cases it means that linking into dylibs will
 244         // not be supported by rustc. This doesn't matter for targets like
 245         // WebAssembly and for targets not supported by the `object` crate
 246         // yet it means that work will need to be done in the `object` crate
 247         // to add a case above.
 248         return (data.to_vec(), MetadataPosition::Last);
 249     };
 250     let section = file.add_section(
 251         file.segment_name(StandardSegment::Debug).to_vec(),
 252         section_name,
 253         SectionKind::Debug,
 254     );
 255     match file.format() {
 256         BinaryFormat::Coff => {
 257             file.section_mut(section).flags =
 258                 SectionFlags::Coff { characteristics: pe::IMAGE_SCN_LNK_REMOVE };
 259         }
 260         BinaryFormat::Elf => {
 261             file.section_mut(section).flags =
 262                 SectionFlags::Elf { sh_flags: elf::SHF_EXCLUDE as u64 };
 263         }
 264         _ => {}
 265     };
 266     file.append_section_data(section, data, 1);
 267     (file.write().unwrap(), MetadataPosition::First)
 268 }
 269
 270 // Historical note:
 271 //
 272 // When using link.exe it was seen that the section name `.note.rustc`
 273 // was getting shortened to `.note.ru`, and according to the PE and COFF
 274 // specification:
 275 //
 276 // > Executable images do not use a string table and do not support
 277 // > section names longer than 8 characters
 278 //
 279 // https://docs.microsoft.com/en-us/windows/win32/debug/pe-format
 280 //
 281 // As a result, we choose a slightly shorter name! As to why
 282 // `.note.rustc` works on MinGW, see
 283 // https://github.com/llvm/llvm-project/blob/llvmorg-12.0.0/lld/COFF/Writer.cpp#L1190-L1197
 284 pub fn create_compressed_metadata_file(
 285     sess: &Session,
 286     metadata: &EncodedMetadata,
 287     symbol_name: &str,
 288 ) -> Vec<u8> {
 289     let mut compressed = rustc_metadata::METADATA_HEADER.to_vec();
 290     FrameEncoder::new(&mut compressed).write_all(metadata.raw_data()).unwrap();
 291     let Some(mut file) = create_object_file(sess) else {
 292         return compressed.to_vec();
 293     };
 294     let section = file.add_section(
 295         file.segment_name(StandardSegment::Data).to_vec(),
 296         b".rustc".to_vec(),
 297         SectionKind::ReadOnlyData,
 298     );
 299     match file.format() {
 300         BinaryFormat::Elf => {
 301             // Explicitly set no flags to avoid SHF_ALLOC default for data section.
 302             file.section_mut(section).flags = SectionFlags::Elf { sh_flags: 0 };
 303         }
 304         _ => {}
 305     };
 306     let offset = file.append_section_data(section, &compressed, 1);
 307
 308     // For MachO and probably PE this is necessary to prevent the linker from throwing away the
 309     // .rustc section. For ELF this isn't necessary, but it also doesn't harm.
 310     file.add_symbol(Symbol {
 311         name: symbol_name.as_bytes().to_vec(),
 312         value: offset,
 313         size: compressed.len() as u64,
 314         kind: SymbolKind::Data,
 315         scope: SymbolScope::Dynamic,
 316         weak: false,
 317         section: SymbolSection::Section(section),
 318         flags: SymbolFlags::None,
 319     });
 320
 321     file.write().unwrap()
 322 }