]> git.lizzy.rs Git - rust.git/blob - compiler/rustc_middle/src/mir/interpret/allocation.rs
Auto merge of #95466 - Dylan-DPC:rollup-g7ddr8y, r=Dylan-DPC
[rust.git] / compiler / rustc_middle / src / mir / interpret / allocation.rs
1 //! The virtual memory representation of the MIR interpreter.
2
3 use std::borrow::Cow;
4 use std::convert::{TryFrom, TryInto};
5 use std::fmt;
6 use std::iter;
7 use std::ops::{Deref, Range};
8 use std::ptr;
9
10 use rustc_ast::Mutability;
11 use rustc_data_structures::intern::Interned;
12 use rustc_data_structures::sorted_map::SortedMap;
13 use rustc_span::DUMMY_SP;
14 use rustc_target::abi::{Align, HasDataLayout, Size};
15
16 use super::{
17     read_target_uint, write_target_uint, AllocId, InterpError, InterpResult, Pointer, Provenance,
18     ResourceExhaustionInfo, Scalar, ScalarMaybeUninit, UndefinedBehaviorInfo, UninitBytesAccess,
19     UnsupportedOpInfo,
20 };
21 use crate::ty;
22
23 /// This type represents an Allocation in the Miri/CTFE core engine.
24 ///
25 /// Its public API is rather low-level, working directly with allocation offsets and a custom error
26 /// type to account for the lack of an AllocId on this level. The Miri/CTFE core engine `memory`
27 /// module provides higher-level access.
28 #[derive(Clone, Debug, Eq, PartialEq, PartialOrd, Ord, Hash, TyEncodable, TyDecodable)]
29 #[derive(HashStable)]
30 pub struct Allocation<Tag = AllocId, Extra = ()> {
31     /// The actual bytes of the allocation.
32     /// Note that the bytes of a pointer represent the offset of the pointer.
33     bytes: Box<[u8]>,
34     /// Maps from byte addresses to extra data for each pointer.
35     /// Only the first byte of a pointer is inserted into the map; i.e.,
36     /// every entry in this map applies to `pointer_size` consecutive bytes starting
37     /// at the given offset.
38     relocations: Relocations<Tag>,
39     /// Denotes which part of this allocation is initialized.
40     init_mask: InitMask,
41     /// The alignment of the allocation to detect unaligned reads.
42     /// (`Align` guarantees that this is a power of two.)
43     pub align: Align,
44     /// `true` if the allocation is mutable.
45     /// Also used by codegen to determine if a static should be put into mutable memory,
46     /// which happens for `static mut` and `static` with interior mutability.
47     pub mutability: Mutability,
48     /// Extra state for the machine.
49     pub extra: Extra,
50 }
51
52 /// Interned types generally have an `Outer` type and an `Inner` type, where
53 /// `Outer` is a newtype around `Interned<Inner>`, and all the operations are
54 /// done on `Outer`, because all occurrences are interned. E.g. `Ty` is an
55 /// outer type and `TyS` is its inner type.
56 ///
57 /// Here things are different because only const allocations are interned. This
58 /// means that both the inner type (`Allocation`) and the outer type
59 /// (`ConstAllocation`) are used quite a bit.
60 #[derive(Copy, Clone, PartialEq, Eq, PartialOrd, Ord, Hash, HashStable)]
61 #[cfg_attr(not(bootstrap), rustc_pass_by_value)]
62 pub struct ConstAllocation<'tcx, Tag = AllocId, Extra = ()>(
63     pub Interned<'tcx, Allocation<Tag, Extra>>,
64 );
65
66 impl<'tcx> fmt::Debug for ConstAllocation<'tcx> {
67     fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter<'_>) -> fmt::Result {
68         // This matches how `Allocation` is printed. We print it like this to
69         // avoid having to update expected output in a lot of tests.
70         write!(f, "{:?}", self.inner())
71     }
72 }
73
74 impl<'tcx, Tag, Extra> ConstAllocation<'tcx, Tag, Extra> {
75     pub fn inner(self) -> &'tcx Allocation<Tag, Extra> {
76         self.0.0
77     }
78 }
79
80 /// We have our own error type that does not know about the `AllocId`; that information
81 /// is added when converting to `InterpError`.
82 #[derive(Debug)]
83 pub enum AllocError {
84     /// Encountered a pointer where we needed raw bytes.
85     ReadPointerAsBytes,
86     /// Partially overwriting a pointer.
87     PartialPointerOverwrite(Size),
88     /// Using uninitialized data where it is not allowed.
89     InvalidUninitBytes(Option<UninitBytesAccess>),
90 }
91 pub type AllocResult<T = ()> = Result<T, AllocError>;
92
93 impl AllocError {
94     pub fn to_interp_error<'tcx>(self, alloc_id: AllocId) -> InterpError<'tcx> {
95         use AllocError::*;
96         match self {
97             ReadPointerAsBytes => InterpError::Unsupported(UnsupportedOpInfo::ReadPointerAsBytes),
98             PartialPointerOverwrite(offset) => InterpError::Unsupported(
99                 UnsupportedOpInfo::PartialPointerOverwrite(Pointer::new(alloc_id, offset)),
100             ),
101             InvalidUninitBytes(info) => InterpError::UndefinedBehavior(
102                 UndefinedBehaviorInfo::InvalidUninitBytes(info.map(|b| (alloc_id, b))),
103             ),
104         }
105     }
106 }
107
108 /// The information that makes up a memory access: offset and size.
109 #[derive(Copy, Clone, Debug)]
110 pub struct AllocRange {
111     pub start: Size,
112     pub size: Size,
113 }
114
115 /// Free-starting constructor for less syntactic overhead.
116 #[inline(always)]
117 pub fn alloc_range(start: Size, size: Size) -> AllocRange {
118     AllocRange { start, size }
119 }
120
121 impl AllocRange {
122     #[inline(always)]
123     pub fn end(self) -> Size {
124         self.start + self.size // This does overflow checking.
125     }
126
127     /// Returns the `subrange` within this range; panics if it is not a subrange.
128     #[inline]
129     pub fn subrange(self, subrange: AllocRange) -> AllocRange {
130         let sub_start = self.start + subrange.start;
131         let range = alloc_range(sub_start, subrange.size);
132         assert!(range.end() <= self.end(), "access outside the bounds for given AllocRange");
133         range
134     }
135 }
136
137 // The constructors are all without extra; the extra gets added by a machine hook later.
138 impl<Tag> Allocation<Tag> {
139     /// Creates an allocation initialized by the given bytes
140     pub fn from_bytes<'a>(
141         slice: impl Into<Cow<'a, [u8]>>,
142         align: Align,
143         mutability: Mutability,
144     ) -> Self {
145         let bytes = Box::<[u8]>::from(slice.into());
146         let size = Size::from_bytes(bytes.len());
147         Self {
148             bytes,
149             relocations: Relocations::new(),
150             init_mask: InitMask::new(size, true),
151             align,
152             mutability,
153             extra: (),
154         }
155     }
156
157     pub fn from_bytes_byte_aligned_immutable<'a>(slice: impl Into<Cow<'a, [u8]>>) -> Self {
158         Allocation::from_bytes(slice, Align::ONE, Mutability::Not)
159     }
160
161     /// Try to create an Allocation of `size` bytes, failing if there is not enough memory
162     /// available to the compiler to do so.
163     pub fn uninit(size: Size, align: Align, panic_on_fail: bool) -> InterpResult<'static, Self> {
164         let bytes = Box::<[u8]>::try_new_zeroed_slice(size.bytes_usize()).map_err(|_| {
165             // This results in an error that can happen non-deterministically, since the memory
166             // available to the compiler can change between runs. Normally queries are always
167             // deterministic. However, we can be non-deterministic here because all uses of const
168             // evaluation (including ConstProp!) will make compilation fail (via hard error
169             // or ICE) upon encountering a `MemoryExhausted` error.
170             if panic_on_fail {
171                 panic!("Allocation::uninit called with panic_on_fail had allocation failure")
172             }
173             ty::tls::with(|tcx| {
174                 tcx.sess.delay_span_bug(DUMMY_SP, "exhausted memory during interpretation")
175             });
176             InterpError::ResourceExhaustion(ResourceExhaustionInfo::MemoryExhausted)
177         })?;
178         // SAFETY: the box was zero-allocated, which is a valid initial value for Box<[u8]>
179         let bytes = unsafe { bytes.assume_init() };
180         Ok(Allocation {
181             bytes,
182             relocations: Relocations::new(),
183             init_mask: InitMask::new(size, false),
184             align,
185             mutability: Mutability::Mut,
186             extra: (),
187         })
188     }
189 }
190
191 impl Allocation {
192     /// Convert Tag and add Extra fields
193     pub fn convert_tag_add_extra<Tag, Extra>(
194         self,
195         cx: &impl HasDataLayout,
196         extra: Extra,
197         mut tagger: impl FnMut(Pointer<AllocId>) -> Pointer<Tag>,
198     ) -> Allocation<Tag, Extra> {
199         // Compute new pointer tags, which also adjusts the bytes.
200         let mut bytes = self.bytes;
201         let mut new_relocations = Vec::with_capacity(self.relocations.0.len());
202         let ptr_size = cx.data_layout().pointer_size.bytes_usize();
203         let endian = cx.data_layout().endian;
204         for &(offset, alloc_id) in self.relocations.iter() {
205             let idx = offset.bytes_usize();
206             let ptr_bytes = &mut bytes[idx..idx + ptr_size];
207             let bits = read_target_uint(endian, ptr_bytes).unwrap();
208             let (ptr_tag, ptr_offset) =
209                 tagger(Pointer::new(alloc_id, Size::from_bytes(bits))).into_parts();
210             write_target_uint(endian, ptr_bytes, ptr_offset.bytes().into()).unwrap();
211             new_relocations.push((offset, ptr_tag));
212         }
213         // Create allocation.
214         Allocation {
215             bytes,
216             relocations: Relocations::from_presorted(new_relocations),
217             init_mask: self.init_mask,
218             align: self.align,
219             mutability: self.mutability,
220             extra,
221         }
222     }
223 }
224
225 /// Raw accessors. Provide access to otherwise private bytes.
226 impl<Tag, Extra> Allocation<Tag, Extra> {
227     pub fn len(&self) -> usize {
228         self.bytes.len()
229     }
230
231     pub fn size(&self) -> Size {
232         Size::from_bytes(self.len())
233     }
234
235     /// Looks at a slice which may describe uninitialized bytes or describe a relocation. This differs
236     /// from `get_bytes_with_uninit_and_ptr` in that it does no relocation checks (even on the
237     /// edges) at all.
238     /// This must not be used for reads affecting the interpreter execution.
239     pub fn inspect_with_uninit_and_ptr_outside_interpreter(&self, range: Range<usize>) -> &[u8] {
240         &self.bytes[range]
241     }
242
243     /// Returns the mask indicating which bytes are initialized.
244     pub fn init_mask(&self) -> &InitMask {
245         &self.init_mask
246     }
247
248     /// Returns the relocation list.
249     pub fn relocations(&self) -> &Relocations<Tag> {
250         &self.relocations
251     }
252 }
253
254 /// Byte accessors.
255 impl<Tag: Provenance, Extra> Allocation<Tag, Extra> {
256     /// The last argument controls whether we error out when there are uninitialized
257     /// or pointer bytes. You should never call this, call `get_bytes` or
258     /// `get_bytes_with_uninit_and_ptr` instead,
259     ///
260     /// This function also guarantees that the resulting pointer will remain stable
261     /// even when new allocations are pushed to the `HashMap`. `copy_repeatedly` relies
262     /// on that.
263     ///
264     /// It is the caller's responsibility to check bounds and alignment beforehand.
265     fn get_bytes_internal(
266         &self,
267         cx: &impl HasDataLayout,
268         range: AllocRange,
269         check_init_and_ptr: bool,
270     ) -> AllocResult<&[u8]> {
271         if check_init_and_ptr {
272             self.check_init(range)?;
273             self.check_relocations(cx, range)?;
274         } else {
275             // We still don't want relocations on the *edges*.
276             self.check_relocation_edges(cx, range)?;
277         }
278
279         Ok(&self.bytes[range.start.bytes_usize()..range.end().bytes_usize()])
280     }
281
282     /// Checks that these bytes are initialized and not pointer bytes, and then return them
283     /// as a slice.
284     ///
285     /// It is the caller's responsibility to check bounds and alignment beforehand.
286     /// Most likely, you want to use the `PlaceTy` and `OperandTy`-based methods
287     /// on `InterpCx` instead.
288     #[inline]
289     pub fn get_bytes(&self, cx: &impl HasDataLayout, range: AllocRange) -> AllocResult<&[u8]> {
290         self.get_bytes_internal(cx, range, true)
291     }
292
293     /// It is the caller's responsibility to handle uninitialized and pointer bytes.
294     /// However, this still checks that there are no relocations on the *edges*.
295     ///
296     /// It is the caller's responsibility to check bounds and alignment beforehand.
297     #[inline]
298     pub fn get_bytes_with_uninit_and_ptr(
299         &self,
300         cx: &impl HasDataLayout,
301         range: AllocRange,
302     ) -> AllocResult<&[u8]> {
303         self.get_bytes_internal(cx, range, false)
304     }
305
306     /// Just calling this already marks everything as defined and removes relocations,
307     /// so be sure to actually put data there!
308     ///
309     /// It is the caller's responsibility to check bounds and alignment beforehand.
310     /// Most likely, you want to use the `PlaceTy` and `OperandTy`-based methods
311     /// on `InterpCx` instead.
312     pub fn get_bytes_mut(
313         &mut self,
314         cx: &impl HasDataLayout,
315         range: AllocRange,
316     ) -> AllocResult<&mut [u8]> {
317         self.mark_init(range, true);
318         self.clear_relocations(cx, range)?;
319
320         Ok(&mut self.bytes[range.start.bytes_usize()..range.end().bytes_usize()])
321     }
322
323     /// A raw pointer variant of `get_bytes_mut` that avoids invalidating existing aliases into this memory.
324     pub fn get_bytes_mut_ptr(
325         &mut self,
326         cx: &impl HasDataLayout,
327         range: AllocRange,
328     ) -> AllocResult<*mut [u8]> {
329         self.mark_init(range, true);
330         self.clear_relocations(cx, range)?;
331
332         assert!(range.end().bytes_usize() <= self.bytes.len()); // need to do our own bounds-check
333         let begin_ptr = self.bytes.as_mut_ptr().wrapping_add(range.start.bytes_usize());
334         let len = range.end().bytes_usize() - range.start.bytes_usize();
335         Ok(ptr::slice_from_raw_parts_mut(begin_ptr, len))
336     }
337 }
338
339 /// Reading and writing.
340 impl<Tag: Provenance, Extra> Allocation<Tag, Extra> {
341     /// Validates that `ptr.offset` and `ptr.offset + size` do not point to the middle of a
342     /// relocation. If `allow_uninit_and_ptr` is `false`, also enforces that the memory in the
343     /// given range contains neither relocations nor uninitialized bytes.
344     pub fn check_bytes(
345         &self,
346         cx: &impl HasDataLayout,
347         range: AllocRange,
348         allow_uninit_and_ptr: bool,
349     ) -> AllocResult {
350         // Check bounds and relocations on the edges.
351         self.get_bytes_with_uninit_and_ptr(cx, range)?;
352         // Check uninit and ptr.
353         if !allow_uninit_and_ptr {
354             self.check_init(range)?;
355             self.check_relocations(cx, range)?;
356         }
357         Ok(())
358     }
359
360     /// Reads a *non-ZST* scalar.
361     ///
362     /// ZSTs can't be read because in order to obtain a `Pointer`, we need to check
363     /// for ZSTness anyway due to integer pointers being valid for ZSTs.
364     ///
365     /// It is the caller's responsibility to check bounds and alignment beforehand.
366     /// Most likely, you want to call `InterpCx::read_scalar` instead of this method.
367     pub fn read_scalar(
368         &self,
369         cx: &impl HasDataLayout,
370         range: AllocRange,
371     ) -> AllocResult<ScalarMaybeUninit<Tag>> {
372         // `get_bytes_with_uninit_and_ptr` tests relocation edges.
373         // We deliberately error when loading data that partially has provenance, or partially
374         // initialized data (that's the check below), into a scalar. The LLVM semantics of this are
375         // unclear so we are conservative. See <https://github.com/rust-lang/rust/issues/69488> for
376         // further discussion.
377         let bytes = self.get_bytes_with_uninit_and_ptr(cx, range)?;
378         // Uninit check happens *after* we established that the alignment is correct.
379         // We must not return `Ok()` for unaligned pointers!
380         if self.is_init(range).is_err() {
381             // This inflates uninitialized bytes to the entire scalar, even if only a few
382             // bytes are uninitialized.
383             return Ok(ScalarMaybeUninit::Uninit);
384         }
385         // Now we do the actual reading.
386         let bits = read_target_uint(cx.data_layout().endian, bytes).unwrap();
387         // See if we got a pointer.
388         if range.size != cx.data_layout().pointer_size {
389             // Not a pointer.
390             // *Now*, we better make sure that the inside is free of relocations too.
391             self.check_relocations(cx, range)?;
392         } else {
393             // Maybe a pointer.
394             if let Some(&prov) = self.relocations.get(&range.start) {
395                 let ptr = Pointer::new(prov, Size::from_bytes(bits));
396                 return Ok(ScalarMaybeUninit::from_pointer(ptr, cx));
397             }
398         }
399         // We don't. Just return the bits.
400         Ok(ScalarMaybeUninit::Scalar(Scalar::from_uint(bits, range.size)))
401     }
402
403     /// Writes a *non-ZST* scalar.
404     ///
405     /// ZSTs can't be read because in order to obtain a `Pointer`, we need to check
406     /// for ZSTness anyway due to integer pointers being valid for ZSTs.
407     ///
408     /// It is the caller's responsibility to check bounds and alignment beforehand.
409     /// Most likely, you want to call `InterpCx::write_scalar` instead of this method.
410     pub fn write_scalar(
411         &mut self,
412         cx: &impl HasDataLayout,
413         range: AllocRange,
414         val: ScalarMaybeUninit<Tag>,
415     ) -> AllocResult {
416         assert!(self.mutability == Mutability::Mut);
417
418         let val = match val {
419             ScalarMaybeUninit::Scalar(scalar) => scalar,
420             ScalarMaybeUninit::Uninit => {
421                 self.mark_init(range, false);
422                 return Ok(());
423             }
424         };
425
426         // `to_bits_or_ptr_internal` is the right method because we just want to store this data
427         // as-is into memory.
428         let (bytes, provenance) = match val.to_bits_or_ptr_internal(range.size) {
429             Err(val) => {
430                 let (provenance, offset) = val.into_parts();
431                 (u128::from(offset.bytes()), Some(provenance))
432             }
433             Ok(data) => (data, None),
434         };
435
436         let endian = cx.data_layout().endian;
437         let dst = self.get_bytes_mut(cx, range)?;
438         write_target_uint(endian, dst, bytes).unwrap();
439
440         // See if we have to also write a relocation.
441         if let Some(provenance) = provenance {
442             self.relocations.0.insert(range.start, provenance);
443         }
444
445         Ok(())
446     }
447 }
448
449 /// Relocations.
450 impl<Tag: Copy, Extra> Allocation<Tag, Extra> {
451     /// Returns all relocations overlapping with the given pointer-offset pair.
452     pub fn get_relocations(&self, cx: &impl HasDataLayout, range: AllocRange) -> &[(Size, Tag)] {
453         // We have to go back `pointer_size - 1` bytes, as that one would still overlap with
454         // the beginning of this range.
455         let start = range.start.bytes().saturating_sub(cx.data_layout().pointer_size.bytes() - 1);
456         self.relocations.range(Size::from_bytes(start)..range.end())
457     }
458
459     /// Checks that there are no relocations overlapping with the given range.
460     #[inline(always)]
461     fn check_relocations(&self, cx: &impl HasDataLayout, range: AllocRange) -> AllocResult {
462         if self.get_relocations(cx, range).is_empty() {
463             Ok(())
464         } else {
465             Err(AllocError::ReadPointerAsBytes)
466         }
467     }
468
469     /// Removes all relocations inside the given range.
470     /// If there are relocations overlapping with the edges, they
471     /// are removed as well *and* the bytes they cover are marked as
472     /// uninitialized. This is a somewhat odd "spooky action at a distance",
473     /// but it allows strictly more code to run than if we would just error
474     /// immediately in that case.
475     fn clear_relocations(&mut self, cx: &impl HasDataLayout, range: AllocRange) -> AllocResult
476     where
477         Tag: Provenance,
478     {
479         // Find the start and end of the given range and its outermost relocations.
480         let (first, last) = {
481             // Find all relocations overlapping the given range.
482             let relocations = self.get_relocations(cx, range);
483             if relocations.is_empty() {
484                 return Ok(());
485             }
486
487             (
488                 relocations.first().unwrap().0,
489                 relocations.last().unwrap().0 + cx.data_layout().pointer_size,
490             )
491         };
492         let start = range.start;
493         let end = range.end();
494
495         // We need to handle clearing the relocations from parts of a pointer. See
496         // <https://github.com/rust-lang/rust/issues/87184> for details.
497         if first < start {
498             if Tag::ERR_ON_PARTIAL_PTR_OVERWRITE {
499                 return Err(AllocError::PartialPointerOverwrite(first));
500             }
501             self.init_mask.set_range(first, start, false);
502         }
503         if last > end {
504             if Tag::ERR_ON_PARTIAL_PTR_OVERWRITE {
505                 return Err(AllocError::PartialPointerOverwrite(
506                     last - cx.data_layout().pointer_size,
507                 ));
508             }
509             self.init_mask.set_range(end, last, false);
510         }
511
512         // Forget all the relocations.
513         self.relocations.0.remove_range(first..last);
514
515         Ok(())
516     }
517
518     /// Errors if there are relocations overlapping with the edges of the
519     /// given memory range.
520     #[inline]
521     fn check_relocation_edges(&self, cx: &impl HasDataLayout, range: AllocRange) -> AllocResult {
522         self.check_relocations(cx, alloc_range(range.start, Size::ZERO))?;
523         self.check_relocations(cx, alloc_range(range.end(), Size::ZERO))?;
524         Ok(())
525     }
526 }
527
528 /// "Relocations" stores the provenance information of pointers stored in memory.
529 #[derive(Clone, PartialEq, Eq, PartialOrd, Ord, Hash, Debug, TyEncodable, TyDecodable)]
530 pub struct Relocations<Tag = AllocId>(SortedMap<Size, Tag>);
531
532 impl<Tag> Relocations<Tag> {
533     pub fn new() -> Self {
534         Relocations(SortedMap::new())
535     }
536
537     // The caller must guarantee that the given relocations are already sorted
538     // by address and contain no duplicates.
539     pub fn from_presorted(r: Vec<(Size, Tag)>) -> Self {
540         Relocations(SortedMap::from_presorted_elements(r))
541     }
542 }
543
544 impl<Tag> Deref for Relocations<Tag> {
545     type Target = SortedMap<Size, Tag>;
546
547     fn deref(&self) -> &Self::Target {
548         &self.0
549     }
550 }
551
552 /// A partial, owned list of relocations to transfer into another allocation.
553 pub struct AllocationRelocations<Tag> {
554     relative_relocations: Vec<(Size, Tag)>,
555 }
556
557 impl<Tag: Copy, Extra> Allocation<Tag, Extra> {
558     pub fn prepare_relocation_copy(
559         &self,
560         cx: &impl HasDataLayout,
561         src: AllocRange,
562         dest: Size,
563         count: u64,
564     ) -> AllocationRelocations<Tag> {
565         let relocations = self.get_relocations(cx, src);
566         if relocations.is_empty() {
567             return AllocationRelocations { relative_relocations: Vec::new() };
568         }
569
570         let size = src.size;
571         let mut new_relocations = Vec::with_capacity(relocations.len() * (count as usize));
572
573         for i in 0..count {
574             new_relocations.extend(relocations.iter().map(|&(offset, reloc)| {
575                 // compute offset for current repetition
576                 let dest_offset = dest + size * i; // `Size` operations
577                 (
578                     // shift offsets from source allocation to destination allocation
579                     (offset + dest_offset) - src.start, // `Size` operations
580                     reloc,
581                 )
582             }));
583         }
584
585         AllocationRelocations { relative_relocations: new_relocations }
586     }
587
588     /// Applies a relocation copy.
589     /// The affected range, as defined in the parameters to `prepare_relocation_copy` is expected
590     /// to be clear of relocations.
591     pub fn mark_relocation_range(&mut self, relocations: AllocationRelocations<Tag>) {
592         self.relocations.0.insert_presorted(relocations.relative_relocations);
593     }
594 }
595
596 ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
597 // Uninitialized byte tracking
598 ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
599
600 type Block = u64;
601
602 /// A bitmask where each bit refers to the byte with the same index. If the bit is `true`, the byte
603 /// is initialized. If it is `false` the byte is uninitialized.
604 #[derive(Clone, Debug, Eq, PartialEq, PartialOrd, Ord, Hash, TyEncodable, TyDecodable)]
605 #[derive(HashStable)]
606 pub struct InitMask {
607     blocks: Vec<Block>,
608     len: Size,
609 }
610
611 impl InitMask {
612     pub const BLOCK_SIZE: u64 = 64;
613
614     #[inline]
615     fn bit_index(bits: Size) -> (usize, usize) {
616         // BLOCK_SIZE is the number of bits that can fit in a `Block`.
617         // Each bit in a `Block` represents the initialization state of one byte of an allocation,
618         // so we use `.bytes()` here.
619         let bits = bits.bytes();
620         let a = bits / InitMask::BLOCK_SIZE;
621         let b = bits % InitMask::BLOCK_SIZE;
622         (usize::try_from(a).unwrap(), usize::try_from(b).unwrap())
623     }
624
625     #[inline]
626     fn size_from_bit_index(block: impl TryInto<u64>, bit: impl TryInto<u64>) -> Size {
627         let block = block.try_into().ok().unwrap();
628         let bit = bit.try_into().ok().unwrap();
629         Size::from_bytes(block * InitMask::BLOCK_SIZE + bit)
630     }
631
632     pub fn new(size: Size, state: bool) -> Self {
633         let mut m = InitMask { blocks: vec![], len: Size::ZERO };
634         m.grow(size, state);
635         m
636     }
637
638     pub fn set_range(&mut self, start: Size, end: Size, new_state: bool) {
639         let len = self.len;
640         if end > len {
641             self.grow(end - len, new_state);
642         }
643         self.set_range_inbounds(start, end, new_state);
644     }
645
646     pub fn set_range_inbounds(&mut self, start: Size, end: Size, new_state: bool) {
647         let (blocka, bita) = Self::bit_index(start);
648         let (blockb, bitb) = Self::bit_index(end);
649         if blocka == blockb {
650             // First set all bits except the first `bita`,
651             // then unset the last `64 - bitb` bits.
652             let range = if bitb == 0 {
653                 u64::MAX << bita
654             } else {
655                 (u64::MAX << bita) & (u64::MAX >> (64 - bitb))
656             };
657             if new_state {
658                 self.blocks[blocka] |= range;
659             } else {
660                 self.blocks[blocka] &= !range;
661             }
662             return;
663         }
664         // across block boundaries
665         if new_state {
666             // Set `bita..64` to `1`.
667             self.blocks[blocka] |= u64::MAX << bita;
668             // Set `0..bitb` to `1`.
669             if bitb != 0 {
670                 self.blocks[blockb] |= u64::MAX >> (64 - bitb);
671             }
672             // Fill in all the other blocks (much faster than one bit at a time).
673             for block in (blocka + 1)..blockb {
674                 self.blocks[block] = u64::MAX;
675             }
676         } else {
677             // Set `bita..64` to `0`.
678             self.blocks[blocka] &= !(u64::MAX << bita);
679             // Set `0..bitb` to `0`.
680             if bitb != 0 {
681                 self.blocks[blockb] &= !(u64::MAX >> (64 - bitb));
682             }
683             // Fill in all the other blocks (much faster than one bit at a time).
684             for block in (blocka + 1)..blockb {
685                 self.blocks[block] = 0;
686             }
687         }
688     }
689
690     #[inline]
691     pub fn get(&self, i: Size) -> bool {
692         let (block, bit) = Self::bit_index(i);
693         (self.blocks[block] & (1 << bit)) != 0
694     }
695
696     #[inline]
697     pub fn set(&mut self, i: Size, new_state: bool) {
698         let (block, bit) = Self::bit_index(i);
699         self.set_bit(block, bit, new_state);
700     }
701
702     #[inline]
703     fn set_bit(&mut self, block: usize, bit: usize, new_state: bool) {
704         if new_state {
705             self.blocks[block] |= 1 << bit;
706         } else {
707             self.blocks[block] &= !(1 << bit);
708         }
709     }
710
711     pub fn grow(&mut self, amount: Size, new_state: bool) {
712         if amount.bytes() == 0 {
713             return;
714         }
715         let unused_trailing_bits =
716             u64::try_from(self.blocks.len()).unwrap() * Self::BLOCK_SIZE - self.len.bytes();
717         if amount.bytes() > unused_trailing_bits {
718             let additional_blocks = amount.bytes() / Self::BLOCK_SIZE + 1;
719             self.blocks.extend(
720                 // FIXME(oli-obk): optimize this by repeating `new_state as Block`.
721                 iter::repeat(0).take(usize::try_from(additional_blocks).unwrap()),
722             );
723         }
724         let start = self.len;
725         self.len += amount;
726         self.set_range_inbounds(start, start + amount, new_state); // `Size` operation
727     }
728
729     /// Returns the index of the first bit in `start..end` (end-exclusive) that is equal to is_init.
730     fn find_bit(&self, start: Size, end: Size, is_init: bool) -> Option<Size> {
731         /// A fast implementation of `find_bit`,
732         /// which skips over an entire block at a time if it's all 0s (resp. 1s),
733         /// and finds the first 1 (resp. 0) bit inside a block using `trailing_zeros` instead of a loop.
734         ///
735         /// Note that all examples below are written with 8 (instead of 64) bit blocks for simplicity,
736         /// and with the least significant bit (and lowest block) first:
737         ///
738         ///          00000000|00000000
739         ///          ^      ^ ^      ^
740         ///   index: 0      7 8      15
741         ///
742         /// Also, if not stated, assume that `is_init = true`, that is, we are searching for the first 1 bit.
743         fn find_bit_fast(
744             init_mask: &InitMask,
745             start: Size,
746             end: Size,
747             is_init: bool,
748         ) -> Option<Size> {
749             /// Search one block, returning the index of the first bit equal to `is_init`.
750             fn search_block(
751                 bits: Block,
752                 block: usize,
753                 start_bit: usize,
754                 is_init: bool,
755             ) -> Option<Size> {
756                 // For the following examples, assume this function was called with:
757                 //   bits = 0b00111011
758                 //   start_bit = 3
759                 //   is_init = false
760                 // Note that, for the examples in this function, the most significant bit is written first,
761                 // which is backwards compared to the comments in `find_bit`/`find_bit_fast`.
762
763                 // Invert bits so we're always looking for the first set bit.
764                 //        ! 0b00111011
765                 //   bits = 0b11000100
766                 let bits = if is_init { bits } else { !bits };
767                 // Mask off unused start bits.
768                 //          0b11000100
769                 //        & 0b11111000
770                 //   bits = 0b11000000
771                 let bits = bits & (!0 << start_bit);
772                 // Find set bit, if any.
773                 //   bit = trailing_zeros(0b11000000)
774                 //   bit = 6
775                 if bits == 0 {
776                     None
777                 } else {
778                     let bit = bits.trailing_zeros();
779                     Some(InitMask::size_from_bit_index(block, bit))
780                 }
781             }
782
783             if start >= end {
784                 return None;
785             }
786
787             // Convert `start` and `end` to block indexes and bit indexes within each block.
788             // We must convert `end` to an inclusive bound to handle block boundaries correctly.
789             //
790             // For example:
791             //
792             //   (a) 00000000|00000000    (b) 00000000|
793             //       ^~~~~~~~~~~^             ^~~~~~~~~^
794             //     start       end          start     end
795             //
796             // In both cases, the block index of `end` is 1.
797             // But we do want to search block 1 in (a), and we don't in (b).
798             //
799             // We subtract 1 from both end positions to make them inclusive:
800             //
801             //   (a) 00000000|00000000    (b) 00000000|
802             //       ^~~~~~~~~~^              ^~~~~~~^
803             //     start    end_inclusive   start end_inclusive
804             //
805             // For (a), the block index of `end_inclusive` is 1, and for (b), it's 0.
806             // This provides the desired behavior of searching blocks 0 and 1 for (a),
807             // and searching only block 0 for (b).
808             // There is no concern of overflows since we checked for `start >= end` above.
809             let (start_block, start_bit) = InitMask::bit_index(start);
810             let end_inclusive = Size::from_bytes(end.bytes() - 1);
811             let (end_block_inclusive, _) = InitMask::bit_index(end_inclusive);
812
813             // Handle first block: need to skip `start_bit` bits.
814             //
815             // We need to handle the first block separately,
816             // because there may be bits earlier in the block that should be ignored,
817             // such as the bit marked (1) in this example:
818             //
819             //       (1)
820             //       -|------
821             //   (c) 01000000|00000000|00000001
822             //          ^~~~~~~~~~~~~~~~~~^
823             //        start              end
824             if let Some(i) =
825                 search_block(init_mask.blocks[start_block], start_block, start_bit, is_init)
826             {
827                 // If the range is less than a block, we may find a matching bit after `end`.
828                 //
829                 // For example, we shouldn't successfully find bit (2), because it's after `end`:
830                 //
831                 //             (2)
832                 //       -------|
833                 //   (d) 00000001|00000000|00000001
834                 //        ^~~~~^
835                 //      start end
836                 //
837                 // An alternative would be to mask off end bits in the same way as we do for start bits,
838                 // but performing this check afterwards is faster and simpler to implement.
839                 if i < end {
840                     return Some(i);
841                 } else {
842                     return None;
843                 }
844             }
845
846             // Handle remaining blocks.
847             //
848             // We can skip over an entire block at once if it's all 0s (resp. 1s).
849             // The block marked (3) in this example is the first block that will be handled by this loop,
850             // and it will be skipped for that reason:
851             //
852             //                   (3)
853             //                --------
854             //   (e) 01000000|00000000|00000001
855             //          ^~~~~~~~~~~~~~~~~~^
856             //        start              end
857             if start_block < end_block_inclusive {
858                 // This loop is written in a specific way for performance.
859                 // Notably: `..end_block_inclusive + 1` is used for an inclusive range instead of `..=end_block_inclusive`,
860                 // and `.zip(start_block + 1..)` is used to track the index instead of `.enumerate().skip().take()`,
861                 // because both alternatives result in significantly worse codegen.
862                 // `end_block_inclusive + 1` is guaranteed not to wrap, because `end_block_inclusive <= end / BLOCK_SIZE`,
863                 // and `BLOCK_SIZE` (the number of bits per block) will always be at least 8 (1 byte).
864                 for (&bits, block) in init_mask.blocks[start_block + 1..end_block_inclusive + 1]
865                     .iter()
866                     .zip(start_block + 1..)
867                 {
868                     if let Some(i) = search_block(bits, block, 0, is_init) {
869                         // If this is the last block, we may find a matching bit after `end`.
870                         //
871                         // For example, we shouldn't successfully find bit (4), because it's after `end`:
872                         //
873                         //                               (4)
874                         //                         -------|
875                         //   (f) 00000001|00000000|00000001
876                         //          ^~~~~~~~~~~~~~~~~~^
877                         //        start              end
878                         //
879                         // As above with example (d), we could handle the end block separately and mask off end bits,
880                         // but unconditionally searching an entire block at once and performing this check afterwards
881                         // is faster and much simpler to implement.
882                         if i < end {
883                             return Some(i);
884                         } else {
885                             return None;
886                         }
887                     }
888                 }
889             }
890
891             None
892         }
893
894         #[cfg_attr(not(debug_assertions), allow(dead_code))]
895         fn find_bit_slow(
896             init_mask: &InitMask,
897             start: Size,
898             end: Size,
899             is_init: bool,
900         ) -> Option<Size> {
901             (start..end).find(|&i| init_mask.get(i) == is_init)
902         }
903
904         let result = find_bit_fast(self, start, end, is_init);
905
906         debug_assert_eq!(
907             result,
908             find_bit_slow(self, start, end, is_init),
909             "optimized implementation of find_bit is wrong for start={:?} end={:?} is_init={} init_mask={:#?}",
910             start,
911             end,
912             is_init,
913             self
914         );
915
916         result
917     }
918 }
919
920 /// A contiguous chunk of initialized or uninitialized memory.
921 pub enum InitChunk {
922     Init(Range<Size>),
923     Uninit(Range<Size>),
924 }
925
926 impl InitChunk {
927     #[inline]
928     pub fn is_init(&self) -> bool {
929         match self {
930             Self::Init(_) => true,
931             Self::Uninit(_) => false,
932         }
933     }
934
935     #[inline]
936     pub fn range(&self) -> Range<Size> {
937         match self {
938             Self::Init(r) => r.clone(),
939             Self::Uninit(r) => r.clone(),
940         }
941     }
942 }
943
944 impl InitMask {
945     /// Checks whether the range `start..end` (end-exclusive) is entirely initialized.
946     ///
947     /// Returns `Ok(())` if it's initialized. Otherwise returns a range of byte
948     /// indexes for the first contiguous span of the uninitialized access.
949     #[inline]
950     pub fn is_range_initialized(&self, start: Size, end: Size) -> Result<(), Range<Size>> {
951         if end > self.len {
952             return Err(self.len..end);
953         }
954
955         let uninit_start = self.find_bit(start, end, false);
956
957         match uninit_start {
958             Some(uninit_start) => {
959                 let uninit_end = self.find_bit(uninit_start, end, true).unwrap_or(end);
960                 Err(uninit_start..uninit_end)
961             }
962             None => Ok(()),
963         }
964     }
965
966     /// Returns an iterator, yielding a range of byte indexes for each contiguous region
967     /// of initialized or uninitialized bytes inside the range `start..end` (end-exclusive).
968     ///
969     /// The iterator guarantees the following:
970     /// - Chunks are nonempty.
971     /// - Chunks are adjacent (each range's start is equal to the previous range's end).
972     /// - Chunks span exactly `start..end` (the first starts at `start`, the last ends at `end`).
973     /// - Chunks alternate between [`InitChunk::Init`] and [`InitChunk::Uninit`].
974     #[inline]
975     pub fn range_as_init_chunks(&self, start: Size, end: Size) -> InitChunkIter<'_> {
976         assert!(end <= self.len);
977
978         let is_init = if start < end {
979             self.get(start)
980         } else {
981             // `start..end` is empty: there are no chunks, so use some arbitrary value
982             false
983         };
984
985         InitChunkIter { init_mask: self, is_init, start, end }
986     }
987 }
988
989 /// Yields [`InitChunk`]s. See [`InitMask::range_as_init_chunks`].
990 #[derive(Clone)]
991 pub struct InitChunkIter<'a> {
992     init_mask: &'a InitMask,
993     /// Whether the next chunk we will return is initialized.
994     /// If there are no more chunks, contains some arbitrary value.
995     is_init: bool,
996     /// The current byte index into `init_mask`.
997     start: Size,
998     /// The end byte index into `init_mask`.
999     end: Size,
1000 }
1001
1002 impl<'a> Iterator for InitChunkIter<'a> {
1003     type Item = InitChunk;
1004
1005     #[inline]
1006     fn next(&mut self) -> Option<Self::Item> {
1007         if self.start >= self.end {
1008             return None;
1009         }
1010
1011         let end_of_chunk =
1012             self.init_mask.find_bit(self.start, self.end, !self.is_init).unwrap_or(self.end);
1013         let range = self.start..end_of_chunk;
1014
1015         let ret =
1016             Some(if self.is_init { InitChunk::Init(range) } else { InitChunk::Uninit(range) });
1017
1018         self.is_init = !self.is_init;
1019         self.start = end_of_chunk;
1020
1021         ret
1022     }
1023 }
1024
1025 /// Uninitialized bytes.
1026 impl<Tag: Copy, Extra> Allocation<Tag, Extra> {
1027     /// Checks whether the given range  is entirely initialized.
1028     ///
1029     /// Returns `Ok(())` if it's initialized. Otherwise returns the range of byte
1030     /// indexes of the first contiguous uninitialized access.
1031     fn is_init(&self, range: AllocRange) -> Result<(), Range<Size>> {
1032         self.init_mask.is_range_initialized(range.start, range.end()) // `Size` addition
1033     }
1034
1035     /// Checks that a range of bytes is initialized. If not, returns the `InvalidUninitBytes`
1036     /// error which will report the first range of bytes which is uninitialized.
1037     fn check_init(&self, range: AllocRange) -> AllocResult {
1038         self.is_init(range).map_err(|idx_range| {
1039             AllocError::InvalidUninitBytes(Some(UninitBytesAccess {
1040                 access_offset: range.start,
1041                 access_size: range.size,
1042                 uninit_offset: idx_range.start,
1043                 uninit_size: idx_range.end - idx_range.start, // `Size` subtraction
1044             }))
1045         })
1046     }
1047
1048     pub fn mark_init(&mut self, range: AllocRange, is_init: bool) {
1049         if range.size.bytes() == 0 {
1050             return;
1051         }
1052         assert!(self.mutability == Mutability::Mut);
1053         self.init_mask.set_range(range.start, range.end(), is_init);
1054     }
1055 }
1056
1057 /// Run-length encoding of the uninit mask.
1058 /// Used to copy parts of a mask multiple times to another allocation.
1059 pub struct InitMaskCompressed {
1060     /// Whether the first range is initialized.
1061     initial: bool,
1062     /// The lengths of ranges that are run-length encoded.
1063     /// The initialization state of the ranges alternate starting with `initial`.
1064     ranges: smallvec::SmallVec<[u64; 1]>,
1065 }
1066
1067 impl InitMaskCompressed {
1068     pub fn no_bytes_init(&self) -> bool {
1069         // The `ranges` are run-length encoded and of alternating initialization state.
1070         // So if `ranges.len() > 1` then the second block is an initialized range.
1071         !self.initial && self.ranges.len() == 1
1072     }
1073 }
1074
1075 /// Transferring the initialization mask to other allocations.
1076 impl<Tag, Extra> Allocation<Tag, Extra> {
1077     /// Creates a run-length encoding of the initialization mask; panics if range is empty.
1078     ///
1079     /// This is essentially a more space-efficient version of
1080     /// `InitMask::range_as_init_chunks(...).collect::<Vec<_>>()`.
1081     pub fn compress_uninit_range(&self, range: AllocRange) -> InitMaskCompressed {
1082         // Since we are copying `size` bytes from `src` to `dest + i * size` (`for i in 0..repeat`),
1083         // a naive initialization mask copying algorithm would repeatedly have to read the initialization mask from
1084         // the source and write it to the destination. Even if we optimized the memory accesses,
1085         // we'd be doing all of this `repeat` times.
1086         // Therefore we precompute a compressed version of the initialization mask of the source value and
1087         // then write it back `repeat` times without computing any more information from the source.
1088
1089         // A precomputed cache for ranges of initialized / uninitialized bits
1090         // 0000010010001110 will become
1091         // `[5, 1, 2, 1, 3, 3, 1]`,
1092         // where each element toggles the state.
1093
1094         let mut ranges = smallvec::SmallVec::<[u64; 1]>::new();
1095
1096         let mut chunks = self.init_mask.range_as_init_chunks(range.start, range.end()).peekable();
1097
1098         let initial = chunks.peek().expect("range should be nonempty").is_init();
1099
1100         // Here we rely on `range_as_init_chunks` to yield alternating init/uninit chunks.
1101         for chunk in chunks {
1102             let len = chunk.range().end.bytes() - chunk.range().start.bytes();
1103             ranges.push(len);
1104         }
1105
1106         InitMaskCompressed { ranges, initial }
1107     }
1108
1109     /// Applies multiple instances of the run-length encoding to the initialization mask.
1110     pub fn mark_compressed_init_range(
1111         &mut self,
1112         defined: &InitMaskCompressed,
1113         range: AllocRange,
1114         repeat: u64,
1115     ) {
1116         // An optimization where we can just overwrite an entire range of initialization
1117         // bits if they are going to be uniformly `1` or `0`.
1118         if defined.ranges.len() <= 1 {
1119             self.init_mask.set_range_inbounds(
1120                 range.start,
1121                 range.start + range.size * repeat, // `Size` operations
1122                 defined.initial,
1123             );
1124             return;
1125         }
1126
1127         for mut j in 0..repeat {
1128             j *= range.size.bytes();
1129             j += range.start.bytes();
1130             let mut cur = defined.initial;
1131             for range in &defined.ranges {
1132                 let old_j = j;
1133                 j += range;
1134                 self.init_mask.set_range_inbounds(
1135                     Size::from_bytes(old_j),
1136                     Size::from_bytes(j),
1137                     cur,
1138                 );
1139                 cur = !cur;
1140             }
1141         }
1142     }
1143 }