]> git.lizzy.rs Git - rust.git/blob - library/alloc/src/raw_vec.rs
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[rust.git] / library / alloc / src / raw_vec.rs
1 #![unstable(feature = "raw_vec_internals", reason = "unstable const warnings", issue = "none")]
2
3 use core::alloc::LayoutError;
4 use core::cmp;
5 use core::intrinsics;
6 use core::mem::{self, ManuallyDrop, MaybeUninit};
7 use core::ops::Drop;
8 use core::ptr::{self, NonNull, Unique};
9 use core::slice;
10
11 #[cfg(not(no_global_oom_handling))]
12 use crate::alloc::handle_alloc_error;
13 use crate::alloc::{Allocator, Global, Layout};
14 use crate::boxed::Box;
15 use crate::collections::TryReserveError;
16 use crate::collections::TryReserveErrorKind::*;
17
18 #[cfg(test)]
19 mod tests;
20
21 #[cfg(not(no_global_oom_handling))]
22 enum AllocInit {
23     /// The contents of the new memory are uninitialized.
24     Uninitialized,
25     /// The new memory is guaranteed to be zeroed.
26     Zeroed,
27 }
28
29 /// A low-level utility for more ergonomically allocating, reallocating, and deallocating
30 /// a buffer of memory on the heap without having to worry about all the corner cases
31 /// involved. This type is excellent for building your own data structures like Vec and VecDeque.
32 /// In particular:
33 ///
34 /// * Produces `Unique::dangling()` on zero-sized types.
35 /// * Produces `Unique::dangling()` on zero-length allocations.
36 /// * Avoids freeing `Unique::dangling()`.
37 /// * Catches all overflows in capacity computations (promotes them to "capacity overflow" panics).
38 /// * Guards against 32-bit systems allocating more than isize::MAX bytes.
39 /// * Guards against overflowing your length.
40 /// * Calls `handle_alloc_error` for fallible allocations.
41 /// * Contains a `ptr::Unique` and thus endows the user with all related benefits.
42 /// * Uses the excess returned from the allocator to use the largest available capacity.
43 ///
44 /// This type does not in anyway inspect the memory that it manages. When dropped it *will*
45 /// free its memory, but it *won't* try to drop its contents. It is up to the user of `RawVec`
46 /// to handle the actual things *stored* inside of a `RawVec`.
47 ///
48 /// Note that the excess of a zero-sized types is always infinite, so `capacity()` always returns
49 /// `usize::MAX`. This means that you need to be careful when round-tripping this type with a
50 /// `Box<[T]>`, since `capacity()` won't yield the length.
51 #[allow(missing_debug_implementations)]
52 pub(crate) struct RawVec<T, A: Allocator = Global> {
53     ptr: Unique<T>,
54     cap: usize,
55     alloc: A,
56 }
57
58 impl<T> RawVec<T, Global> {
59     /// HACK(Centril): This exists because stable `const fn` can only call stable `const fn`, so
60     /// they cannot call `Self::new()`.
61     ///
62     /// If you change `RawVec<T>::new` or dependencies, please take care to not introduce anything
63     /// that would truly const-call something unstable.
64     pub const NEW: Self = Self::new();
65
66     /// Creates the biggest possible `RawVec` (on the system heap)
67     /// without allocating. If `T` has positive size, then this makes a
68     /// `RawVec` with capacity `0`. If `T` is zero-sized, then it makes a
69     /// `RawVec` with capacity `usize::MAX`. Useful for implementing
70     /// delayed allocation.
71     #[must_use]
72     pub const fn new() -> Self {
73         Self::new_in(Global)
74     }
75
76     /// Creates a `RawVec` (on the system heap) with exactly the
77     /// capacity and alignment requirements for a `[T; capacity]`. This is
78     /// equivalent to calling `RawVec::new` when `capacity` is `0` or `T` is
79     /// zero-sized. Note that if `T` is zero-sized this means you will
80     /// *not* get a `RawVec` with the requested capacity.
81     ///
82     /// # Panics
83     ///
84     /// Panics if the requested capacity exceeds `isize::MAX` bytes.
85     ///
86     /// # Aborts
87     ///
88     /// Aborts on OOM.
89     #[cfg(not(any(no_global_oom_handling, test)))]
90     #[must_use]
91     #[inline]
92     pub fn with_capacity(capacity: usize) -> Self {
93         Self::with_capacity_in(capacity, Global)
94     }
95
96     /// Like `with_capacity`, but guarantees the buffer is zeroed.
97     #[cfg(not(any(no_global_oom_handling, test)))]
98     #[must_use]
99     #[inline]
100     pub fn with_capacity_zeroed(capacity: usize) -> Self {
101         Self::with_capacity_zeroed_in(capacity, Global)
102     }
103 }
104
105 impl<T, A: Allocator> RawVec<T, A> {
106     // Tiny Vecs are dumb. Skip to:
107     // - 8 if the element size is 1, because any heap allocators is likely
108     //   to round up a request of less than 8 bytes to at least 8 bytes.
109     // - 4 if elements are moderate-sized (<= 1 KiB).
110     // - 1 otherwise, to avoid wasting too much space for very short Vecs.
111     pub(crate) const MIN_NON_ZERO_CAP: usize = if mem::size_of::<T>() == 1 {
112         8
113     } else if mem::size_of::<T>() <= 1024 {
114         4
115     } else {
116         1
117     };
118
119     /// Like `new`, but parameterized over the choice of allocator for
120     /// the returned `RawVec`.
121     #[rustc_allow_const_fn_unstable(const_fn)]
122     pub const fn new_in(alloc: A) -> Self {
123         // `cap: 0` means "unallocated". zero-sized types are ignored.
124         Self { ptr: Unique::dangling(), cap: 0, alloc }
125     }
126
127     /// Like `with_capacity`, but parameterized over the choice of
128     /// allocator for the returned `RawVec`.
129     #[cfg(not(no_global_oom_handling))]
130     #[inline]
131     pub fn with_capacity_in(capacity: usize, alloc: A) -> Self {
132         Self::allocate_in(capacity, AllocInit::Uninitialized, alloc)
133     }
134
135     /// Like `with_capacity_zeroed`, but parameterized over the choice
136     /// of allocator for the returned `RawVec`.
137     #[cfg(not(no_global_oom_handling))]
138     #[inline]
139     pub fn with_capacity_zeroed_in(capacity: usize, alloc: A) -> Self {
140         Self::allocate_in(capacity, AllocInit::Zeroed, alloc)
141     }
142
143     /// Converts the entire buffer into `Box<[MaybeUninit<T>]>` with the specified `len`.
144     ///
145     /// Note that this will correctly reconstitute any `cap` changes
146     /// that may have been performed. (See description of type for details.)
147     ///
148     /// # Safety
149     ///
150     /// * `len` must be greater than or equal to the most recently requested capacity, and
151     /// * `len` must be less than or equal to `self.capacity()`.
152     ///
153     /// Note, that the requested capacity and `self.capacity()` could differ, as
154     /// an allocator could overallocate and return a greater memory block than requested.
155     pub unsafe fn into_box(self, len: usize) -> Box<[MaybeUninit<T>], A> {
156         // Sanity-check one half of the safety requirement (we cannot check the other half).
157         debug_assert!(
158             len <= self.capacity(),
159             "`len` must be smaller than or equal to `self.capacity()`"
160         );
161
162         let me = ManuallyDrop::new(self);
163         unsafe {
164             let slice = slice::from_raw_parts_mut(me.ptr() as *mut MaybeUninit<T>, len);
165             Box::from_raw_in(slice, ptr::read(&me.alloc))
166         }
167     }
168
169     #[cfg(not(no_global_oom_handling))]
170     fn allocate_in(capacity: usize, init: AllocInit, alloc: A) -> Self {
171                 // Don't allocate here because `Drop` will not deallocate when `capacity` is 0.
172         if mem::size_of::<T>() == 0 || capacity == 0 {
173             Self::new_in(alloc)
174         } else {
175             // We avoid `unwrap_or_else` here because it bloats the amount of
176             // LLVM IR generated.
177             let layout = match Layout::array::<T>(capacity) {
178                 Ok(layout) => layout,
179                 Err(_) => capacity_overflow(),
180             };
181             match alloc_guard(layout.size()) {
182                 Ok(_) => {}
183                 Err(_) => capacity_overflow(),
184             }
185             let result = match init {
186                 AllocInit::Uninitialized => alloc.allocate(layout),
187                 AllocInit::Zeroed => alloc.allocate_zeroed(layout),
188             };
189             let ptr = match result {
190                 Ok(ptr) => ptr,
191                 Err(_) => handle_alloc_error(layout),
192             };
193
194             // Allocators currently return a `NonNull<[u8]>` whose length
195             // matches the size requested. If that ever changes, the capacity
196             // here should change to `ptr.len() / mem::size_of::<T>()`.
197             Self {
198                 ptr: unsafe { Unique::new_unchecked(ptr.cast().as_ptr()) },
199                 cap: capacity,
200                 alloc,
201             }
202         }
203     }
204
205     /// Reconstitutes a `RawVec` from a pointer, capacity, and allocator.
206     ///
207     /// # Safety
208     ///
209     /// The `ptr` must be allocated (via the given allocator `alloc`), and with the given
210     /// `capacity`.
211     /// The `capacity` cannot exceed `isize::MAX` for sized types. (only a concern on 32-bit
212     /// systems). ZST vectors may have a capacity up to `usize::MAX`.
213     /// If the `ptr` and `capacity` come from a `RawVec` created via `alloc`, then this is
214     /// guaranteed.
215     #[inline]
216     pub unsafe fn from_raw_parts_in(ptr: *mut T, capacity: usize, alloc: A) -> Self {
217         Self { ptr: unsafe { Unique::new_unchecked(ptr) }, cap: capacity, alloc }
218     }
219
220     /// Gets a raw pointer to the start of the allocation. Note that this is
221     /// `Unique::dangling()` if `capacity == 0` or `T` is zero-sized. In the former case, you must
222     /// be careful.
223     #[inline]
224     pub fn ptr(&self) -> *mut T {
225         self.ptr.as_ptr()
226     }
227
228     /// Gets the capacity of the allocation.
229     ///
230     /// This will always be `usize::MAX` if `T` is zero-sized.
231     #[inline(always)]
232     pub fn capacity(&self) -> usize {
233         if mem::size_of::<T>() == 0 { usize::MAX } else { self.cap }
234     }
235
236     /// Returns a shared reference to the allocator backing this `RawVec`.
237     pub fn allocator(&self) -> &A {
238         &self.alloc
239     }
240
241     fn current_memory(&self) -> Option<(NonNull<u8>, Layout)> {
242         if mem::size_of::<T>() == 0 || self.cap == 0 {
243             None
244         } else {
245             // We have an allocated chunk of memory, so we can bypass runtime
246             // checks to get our current layout.
247             unsafe {
248                 let layout = Layout::array::<T>(self.cap).unwrap_unchecked();
249                 Some((self.ptr.cast().into(), layout))
250             }
251         }
252     }
253
254     /// Ensures that the buffer contains at least enough space to hold `len +
255     /// additional` elements. If it doesn't already have enough capacity, will
256     /// reallocate enough space plus comfortable slack space to get amortized
257     /// *O*(1) behavior. Will limit this behavior if it would needlessly cause
258     /// itself to panic.
259     ///
260     /// If `len` exceeds `self.capacity()`, this may fail to actually allocate
261     /// the requested space. This is not really unsafe, but the unsafe
262     /// code *you* write that relies on the behavior of this function may break.
263     ///
264     /// This is ideal for implementing a bulk-push operation like `extend`.
265     ///
266     /// # Panics
267     ///
268     /// Panics if the new capacity exceeds `isize::MAX` bytes.
269     ///
270     /// # Aborts
271     ///
272     /// Aborts on OOM.
273     #[cfg(not(no_global_oom_handling))]
274     #[inline]
275     pub fn reserve(&mut self, len: usize, additional: usize) {
276         // Callers expect this function to be very cheap when there is already sufficient capacity.
277         // Therefore, we move all the resizing and error-handling logic from grow_amortized and
278         // handle_reserve behind a call, while making sure that this function is likely to be
279         // inlined as just a comparison and a call if the comparison fails.
280         #[cold]
281         fn do_reserve_and_handle<T, A: Allocator>(
282             slf: &mut RawVec<T, A>,
283             len: usize,
284             additional: usize,
285         ) {
286             handle_reserve(slf.grow_amortized(len, additional));
287         }
288
289         if self.needs_to_grow(len, additional) {
290             do_reserve_and_handle(self, len, additional);
291         }
292     }
293
294     /// A specialized version of `reserve()` used only by the hot and
295     /// oft-instantiated `Vec::push()`, which does its own capacity check.
296     #[cfg(not(no_global_oom_handling))]
297     #[inline(never)]
298     pub fn reserve_for_push(&mut self, len: usize) {
299         handle_reserve(self.grow_amortized(len, 1));
300     }
301
302     /// The same as `reserve`, but returns on errors instead of panicking or aborting.
303     pub fn try_reserve(&mut self, len: usize, additional: usize) -> Result<(), TryReserveError> {
304         if self.needs_to_grow(len, additional) {
305             self.grow_amortized(len, additional)
306         } else {
307             Ok(())
308         }
309     }
310
311     /// Ensures that the buffer contains at least enough space to hold `len +
312     /// additional` elements. If it doesn't already, will reallocate the
313     /// minimum possible amount of memory necessary. Generally this will be
314     /// exactly the amount of memory necessary, but in principle the allocator
315     /// is free to give back more than we asked for.
316     ///
317     /// If `len` exceeds `self.capacity()`, this may fail to actually allocate
318     /// the requested space. This is not really unsafe, but the unsafe code
319     /// *you* write that relies on the behavior of this function may break.
320     ///
321     /// # Panics
322     ///
323     /// Panics if the new capacity exceeds `isize::MAX` bytes.
324     ///
325     /// # Aborts
326     ///
327     /// Aborts on OOM.
328     #[cfg(not(no_global_oom_handling))]
329     pub fn reserve_exact(&mut self, len: usize, additional: usize) {
330         handle_reserve(self.try_reserve_exact(len, additional));
331     }
332
333     /// The same as `reserve_exact`, but returns on errors instead of panicking or aborting.
334     pub fn try_reserve_exact(
335         &mut self,
336         len: usize,
337         additional: usize,
338     ) -> Result<(), TryReserveError> {
339         if self.needs_to_grow(len, additional) { self.grow_exact(len, additional) } else { Ok(()) }
340     }
341
342     /// Shrinks the buffer down to the specified capacity. If the given amount
343     /// is 0, actually completely deallocates.
344     ///
345     /// # Panics
346     ///
347     /// Panics if the given amount is *larger* than the current capacity.
348     ///
349     /// # Aborts
350     ///
351     /// Aborts on OOM.
352     #[cfg(not(no_global_oom_handling))]
353     pub fn shrink_to_fit(&mut self, cap: usize) {
354         handle_reserve(self.shrink(cap));
355     }
356 }
357
358 impl<T, A: Allocator> RawVec<T, A> {
359     /// Returns if the buffer needs to grow to fulfill the needed extra capacity.
360     /// Mainly used to make inlining reserve-calls possible without inlining `grow`.
361     fn needs_to_grow(&self, len: usize, additional: usize) -> bool {
362         additional > self.capacity().wrapping_sub(len)
363     }
364
365     fn set_ptr_and_cap(&mut self, ptr: NonNull<[u8]>, cap: usize) {
366         // Allocators currently return a `NonNull<[u8]>` whose length matches
367         // the size requested. If that ever changes, the capacity here should
368         // change to `ptr.len() / mem::size_of::<T>()`.
369         self.ptr = unsafe { Unique::new_unchecked(ptr.cast().as_ptr()) };
370         self.cap = cap;
371     }
372
373     // This method is usually instantiated many times. So we want it to be as
374     // small as possible, to improve compile times. But we also want as much of
375     // its contents to be statically computable as possible, to make the
376     // generated code run faster. Therefore, this method is carefully written
377     // so that all of the code that depends on `T` is within it, while as much
378     // of the code that doesn't depend on `T` as possible is in functions that
379     // are non-generic over `T`.
380     fn grow_amortized(&mut self, len: usize, additional: usize) -> Result<(), TryReserveError> {
381         // This is ensured by the calling contexts.
382         debug_assert!(additional > 0);
383
384         if mem::size_of::<T>() == 0 {
385             // Since we return a capacity of `usize::MAX` when `elem_size` is
386             // 0, getting to here necessarily means the `RawVec` is overfull.
387             return Err(CapacityOverflow.into());
388         }
389
390         // Nothing we can really do about these checks, sadly.
391         let required_cap = len.checked_add(additional).ok_or(CapacityOverflow)?;
392
393         // This guarantees exponential growth. The doubling cannot overflow
394         // because `cap <= isize::MAX` and the type of `cap` is `usize`.
395         let cap = cmp::max(self.cap * 2, required_cap);
396         let cap = cmp::max(Self::MIN_NON_ZERO_CAP, cap);
397
398         let new_layout = Layout::array::<T>(cap);
399
400         // `finish_grow` is non-generic over `T`.
401         let ptr = finish_grow(new_layout, self.current_memory(), &mut self.alloc)?;
402         self.set_ptr_and_cap(ptr, cap);
403         Ok(())
404     }
405
406     // The constraints on this method are much the same as those on
407     // `grow_amortized`, but this method is usually instantiated less often so
408     // it's less critical.
409     fn grow_exact(&mut self, len: usize, additional: usize) -> Result<(), TryReserveError> {
410         if mem::size_of::<T>() == 0 {
411             // Since we return a capacity of `usize::MAX` when the type size is
412             // 0, getting to here necessarily means the `RawVec` is overfull.
413             return Err(CapacityOverflow.into());
414         }
415
416         let cap = len.checked_add(additional).ok_or(CapacityOverflow)?;
417         let new_layout = Layout::array::<T>(cap);
418
419         // `finish_grow` is non-generic over `T`.
420         let ptr = finish_grow(new_layout, self.current_memory(), &mut self.alloc)?;
421         self.set_ptr_and_cap(ptr, cap);
422         Ok(())
423     }
424
425     fn shrink(&mut self, cap: usize) -> Result<(), TryReserveError> {
426         assert!(cap <= self.capacity(), "Tried to shrink to a larger capacity");
427
428         let (ptr, layout) = if let Some(mem) = self.current_memory() { mem } else { return Ok(()) };
429
430         let ptr = unsafe {
431             // `Layout::array` cannot overflow here because it would have
432             // overflowed earlier when capacity was larger.
433             let new_layout = Layout::array::<T>(cap).unwrap_unchecked();
434             self.alloc
435                 .shrink(ptr, layout, new_layout)
436                 .map_err(|_| AllocError { layout: new_layout, non_exhaustive: () })?
437         };
438         self.set_ptr_and_cap(ptr, cap);
439         Ok(())
440     }
441 }
442
443 // This function is outside `RawVec` to minimize compile times. See the comment
444 // above `RawVec::grow_amortized` for details. (The `A` parameter isn't
445 // significant, because the number of different `A` types seen in practice is
446 // much smaller than the number of `T` types.)
447 #[inline(never)]
448 fn finish_grow<A>(
449     new_layout: Result<Layout, LayoutError>,
450     current_memory: Option<(NonNull<u8>, Layout)>,
451     alloc: &mut A,
452 ) -> Result<NonNull<[u8]>, TryReserveError>
453 where
454     A: Allocator,
455 {
456     // Check for the error here to minimize the size of `RawVec::grow_*`.
457     let new_layout = new_layout.map_err(|_| CapacityOverflow)?;
458
459     alloc_guard(new_layout.size())?;
460
461     let memory = if let Some((ptr, old_layout)) = current_memory {
462         debug_assert_eq!(old_layout.align(), new_layout.align());
463         unsafe {
464             // The allocator checks for alignment equality
465             intrinsics::assume(old_layout.align() == new_layout.align());
466             alloc.grow(ptr, old_layout, new_layout)
467         }
468     } else {
469         alloc.allocate(new_layout)
470     };
471
472     memory.map_err(|_| AllocError { layout: new_layout, non_exhaustive: () }.into())
473 }
474
475 unsafe impl<#[may_dangle] T, A: Allocator> Drop for RawVec<T, A> {
476     /// Frees the memory owned by the `RawVec` *without* trying to drop its contents.
477     fn drop(&mut self) {
478         if let Some((ptr, layout)) = self.current_memory() {
479             unsafe { self.alloc.deallocate(ptr, layout) }
480         }
481     }
482 }
483
484 // Central function for reserve error handling.
485 #[cfg(not(no_global_oom_handling))]
486 #[inline]
487 fn handle_reserve(result: Result<(), TryReserveError>) {
488     match result.map_err(|e| e.kind()) {
489         Err(CapacityOverflow) => capacity_overflow(),
490         Err(AllocError { layout, .. }) => handle_alloc_error(layout),
491         Ok(()) => { /* yay */ }
492     }
493 }
494
495 // We need to guarantee the following:
496 // * We don't ever allocate `> isize::MAX` byte-size objects.
497 // * We don't overflow `usize::MAX` and actually allocate too little.
498 //
499 // On 64-bit we just need to check for overflow since trying to allocate
500 // `> isize::MAX` bytes will surely fail. On 32-bit and 16-bit we need to add
501 // an extra guard for this in case we're running on a platform which can use
502 // all 4GB in user-space, e.g., PAE or x32.
503
504 #[inline]
505 fn alloc_guard(alloc_size: usize) -> Result<(), TryReserveError> {
506     if usize::BITS < 64 && alloc_size > isize::MAX as usize {
507         Err(CapacityOverflow.into())
508     } else {
509         Ok(())
510     }
511 }
512
513 // One central function responsible for reporting capacity overflows. This'll
514 // ensure that the code generation related to these panics is minimal as there's
515 // only one location which panics rather than a bunch throughout the module.
516 #[cfg(not(no_global_oom_handling))]
517 fn capacity_overflow() -> ! {
518     panic!("capacity overflow");
519 }