]> git.lizzy.rs Git - rust.git/blob - compiler/rustc_const_eval/src/interpret/intern.rs
54528b1dbf4a0e252fe90929b9c1945ae43ca3a5
[rust.git] / compiler / rustc_const_eval / src / interpret / intern.rs
1 //! This module specifies the type based interner for constants.
2 //!
3 //! After a const evaluation has computed a value, before we destroy the const evaluator's session
4 //! memory, we need to extract all memory allocations to the global memory pool so they stay around.
5 //!
6 //! In principle, this is not very complicated: we recursively walk the final value, follow all the
7 //! pointers, and move all reachable allocations to the global `tcx` memory. The only complication
8 //! is picking the right mutability for the allocations in a `static` initializer: we want to make
9 //! as many allocations as possible immutable so LLVM can put them into read-only memory. At the
10 //! same time, we need to make memory that could be mutated by the program mutable to avoid
11 //! incorrect compilations. To achieve this, we do a type-based traversal of the final value,
12 //! tracking mutable and shared references and `UnsafeCell` to determine the current mutability.
13 //! (In principle, we could skip this type-based part for `const` and promoteds, as they need to be
14 //! always immutable. At least for `const` however we use this opportunity to reject any `const`
15 //! that contains allocations whose mutability we cannot identify.)
16
17 use super::validity::RefTracking;
18 use rustc_data_structures::fx::{FxIndexMap, FxIndexSet};
19 use rustc_errors::ErrorGuaranteed;
20 use rustc_hir as hir;
21 use rustc_middle::mir::interpret::InterpResult;
22 use rustc_middle::ty::{self, layout::TyAndLayout, Ty};
23
24 use rustc_ast::Mutability;
25
26 use super::{
27     AllocId, Allocation, ConstAllocation, InterpCx, MPlaceTy, Machine, MemoryKind, PlaceTy,
28     ValueVisitor,
29 };
30 use crate::const_eval;
31
32 pub trait CompileTimeMachine<'mir, 'tcx, T> = Machine<
33     'mir,
34     'tcx,
35     MemoryKind = T,
36     Provenance = AllocId,
37     ExtraFnVal = !,
38     FrameExtra = (),
39     AllocExtra = (),
40     MemoryMap = FxIndexMap<AllocId, (MemoryKind<T>, Allocation)>,
41 >;
42
43 struct InternVisitor<'rt, 'mir, 'tcx, M: CompileTimeMachine<'mir, 'tcx, const_eval::MemoryKind>> {
44     /// The ectx from which we intern.
45     ecx: &'rt mut InterpCx<'mir, 'tcx, M>,
46     /// Previously encountered safe references.
47     ref_tracking: &'rt mut RefTracking<(MPlaceTy<'tcx>, InternMode)>,
48     /// A list of all encountered allocations. After type-based interning, we traverse this list to
49     /// also intern allocations that are only referenced by a raw pointer or inside a union.
50     leftover_allocations: &'rt mut FxIndexSet<AllocId>,
51     /// The root kind of the value that we're looking at. This field is never mutated for a
52     /// particular allocation. It is primarily used to make as many allocations as possible
53     /// read-only so LLVM can place them in const memory.
54     mode: InternMode,
55     /// This field stores whether we are *currently* inside an `UnsafeCell`. This can affect
56     /// the intern mode of references we encounter.
57     inside_unsafe_cell: bool,
58 }
59
60 #[derive(Copy, Clone, Debug, PartialEq, Hash, Eq)]
61 enum InternMode {
62     /// A static and its current mutability. Below shared references inside a `static mut`,
63     /// this is *immutable*, and below mutable references inside an `UnsafeCell`, this
64     /// is *mutable*.
65     Static(hir::Mutability),
66     /// A `const`.
67     Const,
68 }
69
70 /// Signalling data structure to ensure we don't recurse
71 /// into the memory of other constants or statics
72 struct IsStaticOrFn;
73
74 /// Intern an allocation without looking at its children.
75 /// `mode` is the mode of the environment where we found this pointer.
76 /// `mutability` is the mutability of the place to be interned; even if that says
77 /// `immutable` things might become mutable if `ty` is not frozen.
78 /// `ty` can be `None` if there is no potential interior mutability
79 /// to account for (e.g. for vtables).
80 fn intern_shallow<'rt, 'mir, 'tcx, M: CompileTimeMachine<'mir, 'tcx, const_eval::MemoryKind>>(
81     ecx: &'rt mut InterpCx<'mir, 'tcx, M>,
82     leftover_allocations: &'rt mut FxIndexSet<AllocId>,
83     alloc_id: AllocId,
84     mode: InternMode,
85     ty: Option<Ty<'tcx>>,
86 ) -> Option<IsStaticOrFn> {
87     trace!("intern_shallow {:?} with {:?}", alloc_id, mode);
88     // remove allocation
89     let tcx = ecx.tcx;
90     let Some((kind, mut alloc)) = ecx.memory.alloc_map.remove(&alloc_id) else {
91         // Pointer not found in local memory map. It is either a pointer to the global
92         // map, or dangling.
93         // If the pointer is dangling (neither in local nor global memory), we leave it
94         // to validation to error -- it has the much better error messages, pointing out where
95         // in the value the dangling reference lies.
96         // The `delay_span_bug` ensures that we don't forget such a check in validation.
97         if tcx.try_get_global_alloc(alloc_id).is_none() {
98             tcx.sess.delay_span_bug(ecx.tcx.span, "tried to intern dangling pointer");
99         }
100         // treat dangling pointers like other statics
101         // just to stop trying to recurse into them
102         return Some(IsStaticOrFn);
103     };
104     // This match is just a canary for future changes to `MemoryKind`, which most likely need
105     // changes in this function.
106     match kind {
107         MemoryKind::Stack
108         | MemoryKind::Machine(const_eval::MemoryKind::Heap)
109         | MemoryKind::CallerLocation => {}
110     }
111     // Set allocation mutability as appropriate. This is used by LLVM to put things into
112     // read-only memory, and also by Miri when evaluating other globals that
113     // access this one.
114     if let InternMode::Static(mutability) = mode {
115         // For this, we need to take into account `UnsafeCell`. When `ty` is `None`, we assume
116         // no interior mutability.
117         let frozen = ty.map_or(true, |ty| ty.is_freeze(*ecx.tcx, ecx.param_env));
118         // For statics, allocation mutability is the combination of place mutability and
119         // type mutability.
120         // The entire allocation needs to be mutable if it contains an `UnsafeCell` anywhere.
121         let immutable = mutability == Mutability::Not && frozen;
122         if immutable {
123             alloc.mutability = Mutability::Not;
124         } else {
125             // Just making sure we are not "upgrading" an immutable allocation to mutable.
126             assert_eq!(alloc.mutability, Mutability::Mut);
127         }
128     } else {
129         // No matter what, *constants are never mutable*. Mutating them is UB.
130         // See const_eval::machine::MemoryExtra::can_access_statics for why
131         // immutability is so important.
132
133         // Validation will ensure that there is no `UnsafeCell` on an immutable allocation.
134         alloc.mutability = Mutability::Not;
135     };
136     // link the alloc id to the actual allocation
137     leftover_allocations.extend(alloc.provenance().ptrs().iter().map(|&(_, alloc_id)| alloc_id));
138     let alloc = tcx.intern_const_alloc(alloc);
139     tcx.set_alloc_id_memory(alloc_id, alloc);
140     None
141 }
142
143 impl<'rt, 'mir, 'tcx, M: CompileTimeMachine<'mir, 'tcx, const_eval::MemoryKind>>
144     InternVisitor<'rt, 'mir, 'tcx, M>
145 {
146     fn intern_shallow(
147         &mut self,
148         alloc_id: AllocId,
149         mode: InternMode,
150         ty: Option<Ty<'tcx>>,
151     ) -> Option<IsStaticOrFn> {
152         intern_shallow(self.ecx, self.leftover_allocations, alloc_id, mode, ty)
153     }
154 }
155
156 impl<'rt, 'mir, 'tcx: 'mir, M: CompileTimeMachine<'mir, 'tcx, const_eval::MemoryKind>>
157     ValueVisitor<'mir, 'tcx, M> for InternVisitor<'rt, 'mir, 'tcx, M>
158 {
159     type V = MPlaceTy<'tcx>;
160
161     #[inline(always)]
162     fn ecx(&self) -> &InterpCx<'mir, 'tcx, M> {
163         &self.ecx
164     }
165
166     fn visit_aggregate(
167         &mut self,
168         mplace: &MPlaceTy<'tcx>,
169         fields: impl Iterator<Item = InterpResult<'tcx, Self::V>>,
170     ) -> InterpResult<'tcx> {
171         // We want to walk the aggregate to look for references to intern. While doing that we
172         // also need to take special care of interior mutability.
173         //
174         // As an optimization, however, if the allocation does not contain any references: we don't
175         // need to do the walk. It can be costly for big arrays for example (e.g. issue #93215).
176         let is_walk_needed = |mplace: &MPlaceTy<'tcx>| -> InterpResult<'tcx, bool> {
177             // ZSTs cannot contain pointers, we can avoid the interning walk.
178             if mplace.layout.is_zst() {
179                 return Ok(false);
180             }
181
182             // Now, check whether this allocation could contain references.
183             //
184             // Note, this check may sometimes not be cheap, so we only do it when the walk we'd like
185             // to avoid could be expensive: on the potentially larger types, arrays and slices,
186             // rather than on all aggregates unconditionally.
187             if matches!(mplace.layout.ty.kind(), ty::Array(..) | ty::Slice(..)) {
188                 let Some((size, align)) = self.ecx.size_and_align_of_mplace(&mplace)? else {
189                     // We do the walk if we can't determine the size of the mplace: we may be
190                     // dealing with extern types here in the future.
191                     return Ok(true);
192                 };
193
194                 // If there is no provenance in this allocation, it does not contain references
195                 // that point to another allocation, and we can avoid the interning walk.
196                 if let Some(alloc) = self.ecx.get_ptr_alloc(mplace.ptr, size, align)? {
197                     if !alloc.has_provenance() {
198                         return Ok(false);
199                     }
200                 } else {
201                     // We're encountering a ZST here, and can avoid the walk as well.
202                     return Ok(false);
203                 }
204             }
205
206             // In the general case, we do the walk.
207             Ok(true)
208         };
209
210         // If this allocation contains no references to intern, we avoid the potentially costly
211         // walk.
212         //
213         // We can do this before the checks for interior mutability below, because only references
214         // are relevant in that situation, and we're checking if there are any here.
215         if !is_walk_needed(mplace)? {
216             return Ok(());
217         }
218
219         if let Some(def) = mplace.layout.ty.ty_adt_def() {
220             if def.is_unsafe_cell() {
221                 // We are crossing over an `UnsafeCell`, we can mutate again. This means that
222                 // References we encounter inside here are interned as pointing to mutable
223                 // allocations.
224                 // Remember the `old` value to handle nested `UnsafeCell`.
225                 let old = std::mem::replace(&mut self.inside_unsafe_cell, true);
226                 let walked = self.walk_aggregate(mplace, fields);
227                 self.inside_unsafe_cell = old;
228                 return walked;
229             }
230         }
231
232         self.walk_aggregate(mplace, fields)
233     }
234
235     fn visit_value(&mut self, mplace: &MPlaceTy<'tcx>) -> InterpResult<'tcx> {
236         // Handle Reference types, as these are the only types with provenance supported by const eval.
237         // Raw pointers (and boxes) are handled by the `leftover_allocations` logic.
238         let tcx = self.ecx.tcx;
239         let ty = mplace.layout.ty;
240         if let ty::Ref(_, referenced_ty, ref_mutability) = *ty.kind() {
241             let value = self.ecx.read_immediate(&mplace.into())?;
242             let mplace = self.ecx.ref_to_mplace(&value)?;
243             assert_eq!(mplace.layout.ty, referenced_ty);
244             // Handle trait object vtables.
245             if let ty::Dynamic(..) =
246                 tcx.struct_tail_erasing_lifetimes(referenced_ty, self.ecx.param_env).kind()
247             {
248                 let ptr = mplace.meta.unwrap_meta().to_pointer(&tcx)?;
249                 if let Some(alloc_id) = ptr.provenance {
250                     // Explicitly choose const mode here, since vtables are immutable, even
251                     // if the reference of the fat pointer is mutable.
252                     self.intern_shallow(alloc_id, InternMode::Const, None);
253                 } else {
254                     // Validation will error (with a better message) on an invalid vtable pointer.
255                     // Let validation show the error message, but make sure it *does* error.
256                     tcx.sess
257                         .delay_span_bug(tcx.span, "vtables pointers cannot be integer pointers");
258                 }
259             }
260             // Check if we have encountered this pointer+layout combination before.
261             // Only recurse for allocation-backed pointers.
262             if let Some(alloc_id) = mplace.ptr.provenance {
263                 // Compute the mode with which we intern this. Our goal here is to make as many
264                 // statics as we can immutable so they can be placed in read-only memory by LLVM.
265                 let ref_mode = match self.mode {
266                     InternMode::Static(mutbl) => {
267                         // In statics, merge outer mutability with reference mutability and
268                         // take into account whether we are in an `UnsafeCell`.
269
270                         // The only way a mutable reference actually works as a mutable reference is
271                         // by being in a `static mut` directly or behind another mutable reference.
272                         // If there's an immutable reference or we are inside a `static`, then our
273                         // mutable reference is equivalent to an immutable one. As an example:
274                         // `&&mut Foo` is semantically equivalent to `&&Foo`
275                         match ref_mutability {
276                             _ if self.inside_unsafe_cell => {
277                                 // Inside an `UnsafeCell` is like inside a `static mut`, the "outer"
278                                 // mutability does not matter.
279                                 InternMode::Static(ref_mutability)
280                             }
281                             Mutability::Not => {
282                                 // A shared reference, things become immutable.
283                                 // We do *not* consider `freeze` here: `intern_shallow` considers
284                                 // `freeze` for the actual mutability of this allocation; the intern
285                                 // mode for references contained in this allocation is tracked more
286                                 // precisely when traversing the referenced data (by tracking
287                                 // `UnsafeCell`). This makes sure that `&(&i32, &Cell<i32>)` still
288                                 // has the left inner reference interned into a read-only
289                                 // allocation.
290                                 InternMode::Static(Mutability::Not)
291                             }
292                             Mutability::Mut => {
293                                 // Mutable reference.
294                                 InternMode::Static(mutbl)
295                             }
296                         }
297                     }
298                     InternMode::Const => {
299                         // Ignore `UnsafeCell`, everything is immutable. Validity does some sanity
300                         // checking for mutable references that we encounter -- they must all be
301                         // ZST.
302                         InternMode::Const
303                     }
304                 };
305                 match self.intern_shallow(alloc_id, ref_mode, Some(referenced_ty)) {
306                     // No need to recurse, these are interned already and statics may have
307                     // cycles, so we don't want to recurse there
308                     Some(IsStaticOrFn) => {}
309                     // intern everything referenced by this value. The mutability is taken from the
310                     // reference. It is checked above that mutable references only happen in
311                     // `static mut`
312                     None => self.ref_tracking.track((mplace, ref_mode), || ()),
313                 }
314             }
315             Ok(())
316         } else {
317             // Not a reference -- proceed recursively.
318             self.walk_value(mplace)
319         }
320     }
321 }
322
323 #[derive(Copy, Clone, Debug, PartialEq, Hash, Eq)]
324 pub enum InternKind {
325     /// The `mutability` of the static, ignoring the type which may have interior mutability.
326     Static(hir::Mutability),
327     Constant,
328     Promoted,
329 }
330
331 /// Intern `ret` and everything it references.
332 ///
333 /// This *cannot raise an interpreter error*. Doing so is left to validation, which
334 /// tracks where in the value we are and thus can show much better error messages.
335 #[instrument(level = "debug", skip(ecx))]
336 pub fn intern_const_alloc_recursive<
337     'mir,
338     'tcx: 'mir,
339     M: CompileTimeMachine<'mir, 'tcx, const_eval::MemoryKind>,
340 >(
341     ecx: &mut InterpCx<'mir, 'tcx, M>,
342     intern_kind: InternKind,
343     ret: &MPlaceTy<'tcx>,
344 ) -> Result<(), ErrorGuaranteed> {
345     let tcx = ecx.tcx;
346     let base_intern_mode = match intern_kind {
347         InternKind::Static(mutbl) => InternMode::Static(mutbl),
348         // `Constant` includes array lengths.
349         InternKind::Constant | InternKind::Promoted => InternMode::Const,
350     };
351
352     // Type based interning.
353     // `ref_tracking` tracks typed references we have already interned and still need to crawl for
354     // more typed information inside them.
355     // `leftover_allocations` collects *all* allocations we see, because some might not
356     // be available in a typed way. They get interned at the end.
357     let mut ref_tracking = RefTracking::empty();
358     let leftover_allocations = &mut FxIndexSet::default();
359
360     // start with the outermost allocation
361     intern_shallow(
362         ecx,
363         leftover_allocations,
364         // The outermost allocation must exist, because we allocated it with
365         // `Memory::allocate`.
366         ret.ptr.provenance.unwrap(),
367         base_intern_mode,
368         Some(ret.layout.ty),
369     );
370
371     ref_tracking.track((*ret, base_intern_mode), || ());
372
373     while let Some(((mplace, mode), _)) = ref_tracking.todo.pop() {
374         let res = InternVisitor {
375             ref_tracking: &mut ref_tracking,
376             ecx,
377             mode,
378             leftover_allocations,
379             inside_unsafe_cell: false,
380         }
381         .visit_value(&mplace);
382         // We deliberately *ignore* interpreter errors here. When there is a problem, the remaining
383         // references are "leftover"-interned, and later validation will show a proper error
384         // and point at the right part of the value causing the problem.
385         match res {
386             Ok(()) => {}
387             Err(error) => {
388                 ecx.tcx.sess.delay_span_bug(
389                     ecx.tcx.span,
390                     &format!(
391                         "error during interning should later cause validation failure: {}",
392                         error
393                     ),
394                 );
395             }
396         }
397     }
398
399     // Intern the rest of the allocations as mutable. These might be inside unions, padding, raw
400     // pointers, ... So we can't intern them according to their type rules
401
402     let mut todo: Vec<_> = leftover_allocations.iter().cloned().collect();
403     debug!(?todo);
404     debug!("dead_alloc_map: {:#?}", ecx.memory.dead_alloc_map);
405     while let Some(alloc_id) = todo.pop() {
406         if let Some((_, mut alloc)) = ecx.memory.alloc_map.remove(&alloc_id) {
407             // We can't call the `intern_shallow` method here, as its logic is tailored to safe
408             // references and a `leftover_allocations` set (where we only have a todo-list here).
409             // So we hand-roll the interning logic here again.
410             match intern_kind {
411                 // Statics may point to mutable allocations.
412                 // Even for immutable statics it would be ok to have mutable allocations behind
413                 // raw pointers, e.g. for `static FOO: *const AtomicUsize = &AtomicUsize::new(42)`.
414                 InternKind::Static(_) => {}
415                 // Raw pointers in promoteds may only point to immutable things so we mark
416                 // everything as immutable.
417                 // It is UB to mutate through a raw pointer obtained via an immutable reference:
418                 // Since all references and pointers inside a promoted must by their very definition
419                 // be created from an immutable reference (and promotion also excludes interior
420                 // mutability), mutating through them would be UB.
421                 // There's no way we can check whether the user is using raw pointers correctly,
422                 // so all we can do is mark this as immutable here.
423                 InternKind::Promoted => {
424                     // See const_eval::machine::MemoryExtra::can_access_statics for why
425                     // immutability is so important.
426                     alloc.mutability = Mutability::Not;
427                 }
428                 InternKind::Constant => {
429                     // If it's a constant, we should not have any "leftovers" as everything
430                     // is tracked by const-checking.
431                     // FIXME: downgrade this to a warning? It rejects some legitimate consts,
432                     // such as `const CONST_RAW: *const Vec<i32> = &Vec::new() as *const _;`.
433                     ecx.tcx
434                         .sess
435                         .span_err(ecx.tcx.span, "untyped pointers are not allowed in constant");
436                     // For better errors later, mark the allocation as immutable.
437                     alloc.mutability = Mutability::Not;
438                 }
439             }
440             let alloc = tcx.intern_const_alloc(alloc);
441             tcx.set_alloc_id_memory(alloc_id, alloc);
442             for &(_, alloc_id) in alloc.inner().provenance().ptrs().iter() {
443                 if leftover_allocations.insert(alloc_id) {
444                     todo.push(alloc_id);
445                 }
446             }
447         } else if ecx.memory.dead_alloc_map.contains_key(&alloc_id) {
448             // Codegen does not like dangling pointers, and generally `tcx` assumes that
449             // all allocations referenced anywhere actually exist. So, make sure we error here.
450             let reported = ecx
451                 .tcx
452                 .sess
453                 .span_err(ecx.tcx.span, "encountered dangling pointer in final constant");
454             return Err(reported);
455         } else if ecx.tcx.try_get_global_alloc(alloc_id).is_none() {
456             // We have hit an `AllocId` that is neither in local or global memory and isn't
457             // marked as dangling by local memory. That should be impossible.
458             span_bug!(ecx.tcx.span, "encountered unknown alloc id {:?}", alloc_id);
459         }
460     }
461     Ok(())
462 }
463
464 impl<'mir, 'tcx: 'mir, M: super::intern::CompileTimeMachine<'mir, 'tcx, !>>
465     InterpCx<'mir, 'tcx, M>
466 {
467     /// A helper function that allocates memory for the layout given and gives you access to mutate
468     /// it. Once your own mutation code is done, the backing `Allocation` is removed from the
469     /// current `Memory` and returned.
470     pub fn intern_with_temp_alloc(
471         &mut self,
472         layout: TyAndLayout<'tcx>,
473         f: impl FnOnce(
474             &mut InterpCx<'mir, 'tcx, M>,
475             &PlaceTy<'tcx, M::Provenance>,
476         ) -> InterpResult<'tcx, ()>,
477     ) -> InterpResult<'tcx, ConstAllocation<'tcx>> {
478         let dest = self.allocate(layout, MemoryKind::Stack)?;
479         f(self, &dest.into())?;
480         let mut alloc = self.memory.alloc_map.remove(&dest.ptr.provenance.unwrap()).unwrap().1;
481         alloc.mutability = Mutability::Not;
482         Ok(self.tcx.intern_const_alloc(alloc))
483     }
484 }