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[rust.git] / library / alloc / src / vec / in_place_collect.rs
1 //! Inplace iterate-and-collect specialization for `Vec`
2 //!
3 //! Note: This documents Vec internals, some of the following sections explain implementation
4 //! details and are best read together with the source of this module.
5 //!
6 //! The specialization in this module applies to iterators in the shape of
7 //! `source.adapter().adapter().adapter().collect::<Vec<U>>()`
8 //! where `source` is an owning iterator obtained from [`Vec<T>`], [`Box<[T]>`][box] (by conversion to `Vec`)
9 //! or [`BinaryHeap<T>`], the adapters each consume one or more items per step
10 //! (represented by [`InPlaceIterable`]), provide transitive access to `source` (via [`SourceIter`])
11 //! and thus the underlying allocation. And finally the layouts of `T` and `U` must
12 //! have the same size and alignment, this is currently ensured via const eval instead of trait bounds
13 //! in the specialized [`SpecFromIter`] implementation.
14 //!
15 //! [`BinaryHeap<T>`]: crate::collections::BinaryHeap
16 //! [box]: crate::boxed::Box
17 //!
18 //! By extension some other collections which use `collect::<Vec<_>>()` internally in their
19 //! `FromIterator` implementation benefit from this too.
20 //!
21 //! Access to the underlying source goes through a further layer of indirection via the private
22 //! trait [`AsVecIntoIter`] to hide the implementation detail that other collections may use
23 //! `vec::IntoIter` internally.
24 //!
25 //! In-place iteration depends on the interaction of several unsafe traits, implementation
26 //! details of multiple parts in the iterator pipeline and often requires holistic reasoning
27 //! across multiple structs since iterators are executed cooperatively rather than having
28 //! a central evaluator/visitor struct executing all iterator components.
29 //!
30 //! # Reading from and writing to the same allocation
31 //!
32 //! By its nature collecting in place means that the reader and writer side of the iterator
33 //! use the same allocation. Since `try_fold()` (used in [`SpecInPlaceCollect`]) takes a
34 //! reference to the iterator for the duration of the iteration that means we can't interleave
35 //! the step of reading a value and getting a reference to write to. Instead raw pointers must be
36 //! used on the reader and writer side.
37 //!
38 //! That writes never clobber a yet-to-be-read item is ensured by the [`InPlaceIterable`] requirements.
39 //!
40 //! # Layout constraints
41 //!
42 //! [`Allocator`] requires that `allocate()` and `deallocate()` have matching alignment and size.
43 //! Additionally this specialization doesn't make sense for ZSTs as there is no reallocation to
44 //! avoid and it would make pointer arithmetic more difficult.
45 //!
46 //! [`Allocator`]: core::alloc::Allocator
47 //!
48 //! # Drop- and panic-safety
49 //!
50 //! Iteration can panic, requiring dropping the already written parts but also the remainder of
51 //! the source. Iteration can also leave some source items unconsumed which must be dropped.
52 //! All those drops in turn can panic which then must either leak the allocation or abort to avoid
53 //! double-drops.
54 //!
55 //! This is handled by the [`InPlaceDrop`] guard for sink items (`U`) and by
56 //! [`vec::IntoIter::forget_allocation_drop_remaining()`] for remaining source items (`T`).
57 //!
58 //! If dropping any remaining source item (`T`) panics then [`InPlaceDstBufDrop`] will handle dropping
59 //! the already collected sink items (`U`) and freeing the allocation.
60 //!
61 //! [`vec::IntoIter::forget_allocation_drop_remaining()`]: super::IntoIter::forget_allocation_drop_remaining()
62 //!
63 //! # O(1) collect
64 //!
65 //! The main iteration itself is further specialized when the iterator implements
66 //! [`TrustedRandomAccessNoCoerce`] to let the optimizer see that it is a counted loop with a single
67 //! [induction variable]. This can turn some iterators into a noop, i.e. it reduces them from O(n) to
68 //! O(1). This particular optimization is quite fickle and doesn't always work, see [#79308]
69 //!
70 //! [#79308]: https://github.com/rust-lang/rust/issues/79308
71 //! [induction variable]: https://en.wikipedia.org/wiki/Induction_variable
72 //!
73 //! Since unchecked accesses through that trait do not advance the read pointer of `IntoIter`
74 //! this would interact unsoundly with the requirements about dropping the tail described above.
75 //! But since the normal `Drop` implementation of `IntoIter` would suffer from the same problem it
76 //! is only correct for `TrustedRandomAccessNoCoerce` to be implemented when the items don't
77 //! have a destructor. Thus that implicit requirement also makes the specialization safe to use for
78 //! in-place collection.
79 //! Note that this safety concern is about the correctness of `impl Drop for IntoIter`,
80 //! not the guarantees of `InPlaceIterable`.
81 //!
82 //! # Adapter implementations
83 //!
84 //! The invariants for adapters are documented in [`SourceIter`] and [`InPlaceIterable`], but
85 //! getting them right can be rather subtle for multiple, sometimes non-local reasons.
86 //! For example `InPlaceIterable` would be valid to implement for [`Peekable`], except
87 //! that it is stateful, cloneable and `IntoIter`'s clone implementation shortens the underlying
88 //! allocation which means if the iterator has been peeked and then gets cloned there no longer is
89 //! enough room, thus breaking an invariant ([#85322]).
90 //!
91 //! [#85322]: https://github.com/rust-lang/rust/issues/85322
92 //! [`Peekable`]: core::iter::Peekable
93 //!
94 //!
95 //! # Examples
96 //!
97 //! Some cases that are optimized by this specialization, more can be found in the `Vec`
98 //! benchmarks:
99 //!
100 //! ```rust
101 //! # #[allow(dead_code)]
102 //! /// Converts a usize vec into an isize one.
103 //! pub fn cast(vec: Vec<usize>) -> Vec<isize> {
104 //!   // Does not allocate, free or panic. On optlevel>=2 it does not loop.
105 //!   // Of course this particular case could and should be written with `into_raw_parts` and
106 //!   // `from_raw_parts` instead.
107 //!   vec.into_iter().map(|u| u as isize).collect()
108 //! }
109 //! ```
110 //!
111 //! ```rust
112 //! # #[allow(dead_code)]
113 //! /// Drops remaining items in `src` and if the layouts of `T` and `U` match it
114 //! /// returns an empty Vec backed by the original allocation. Otherwise it returns a new
115 //! /// empty vec.
116 //! pub fn recycle_allocation<T, U>(src: Vec<T>) -> Vec<U> {
117 //!   src.into_iter().filter_map(|_| None).collect()
118 //! }
119 //! ```
120 //!
121 //! ```rust
122 //! let vec = vec![13usize; 1024];
123 //! let _ = vec.into_iter()
124 //!   .enumerate()
125 //!   .filter_map(|(idx, val)| if idx % 2 == 0 { Some(val+idx) } else {None})
126 //!   .collect::<Vec<_>>();
127 //!
128 //! // is equivalent to the following, but doesn't require bounds checks
129 //!
130 //! let mut vec = vec![13usize; 1024];
131 //! let mut write_idx = 0;
132 //! for idx in 0..vec.len() {
133 //!    if idx % 2 == 0 {
134 //!       vec[write_idx] = vec[idx] + idx;
135 //!       write_idx += 1;
136 //!    }
137 //! }
138 //! vec.truncate(write_idx);
139 //! ```
140 use core::iter::{InPlaceIterable, SourceIter, TrustedRandomAccessNoCoerce};
141 use core::mem::{self, ManuallyDrop, SizedTypeProperties};
142 use core::ptr::{self};
143
144 use super::{InPlaceDrop, InPlaceDstBufDrop, SpecFromIter, SpecFromIterNested, Vec};
145
146 /// Specialization marker for collecting an iterator pipeline into a Vec while reusing the
147 /// source allocation, i.e. executing the pipeline in place.
148 #[rustc_unsafe_specialization_marker]
149 pub(super) trait InPlaceIterableMarker {}
150
151 impl<T> InPlaceIterableMarker for T where T: InPlaceIterable {}
152
153 impl<T, I> SpecFromIter<T, I> for Vec<T>
154 where
155     I: Iterator<Item = T> + SourceIter<Source: AsVecIntoIter> + InPlaceIterableMarker,
156 {
157     default fn from_iter(mut iterator: I) -> Self {
158         // See "Layout constraints" section in the module documentation. We rely on const
159         // optimization here since these conditions currently cannot be expressed as trait bounds
160         if T::IS_ZST
161             || mem::size_of::<T>()
162                 != mem::size_of::<<<I as SourceIter>::Source as AsVecIntoIter>::Item>()
163             || mem::align_of::<T>()
164                 != mem::align_of::<<<I as SourceIter>::Source as AsVecIntoIter>::Item>()
165         {
166             // fallback to more generic implementations
167             return SpecFromIterNested::from_iter(iterator);
168         }
169
170         let (src_buf, src_ptr, dst_buf, dst_end, cap) = unsafe {
171             let inner = iterator.as_inner().as_into_iter();
172             (
173                 inner.buf.as_ptr(),
174                 inner.ptr,
175                 inner.buf.as_ptr() as *mut T,
176                 inner.end as *const T,
177                 inner.cap,
178             )
179         };
180
181         let len = SpecInPlaceCollect::collect_in_place(&mut iterator, dst_buf, dst_end);
182
183         let src = unsafe { iterator.as_inner().as_into_iter() };
184         // check if SourceIter contract was upheld
185         // caveat: if they weren't we might not even make it to this point
186         debug_assert_eq!(src_buf, src.buf.as_ptr());
187         // check InPlaceIterable contract. This is only possible if the iterator advanced the
188         // source pointer at all. If it uses unchecked access via TrustedRandomAccess
189         // then the source pointer will stay in its initial position and we can't use it as reference
190         if src.ptr != src_ptr {
191             debug_assert!(
192                 unsafe { dst_buf.add(len) as *const _ } <= src.ptr,
193                 "InPlaceIterable contract violation, write pointer advanced beyond read pointer"
194             );
195         }
196
197         // The ownership of the allocation and the new `T` values is temporarily moved into `dst_guard`.
198         // This is safe because `forget_allocation_drop_remaining` immediately forgets the allocation
199         // before any panic can occur in order to avoid any double free, and then proceeds to drop
200         // any remaining values at the tail of the source.
201         //
202         // Note: This access to the source wouldn't be allowed by the TrustedRandomIteratorNoCoerce
203         // contract (used by SpecInPlaceCollect below). But see the "O(1) collect" section in the
204         // module documenttation why this is ok anyway.
205         let dst_guard = InPlaceDstBufDrop { ptr: dst_buf, len, cap };
206         src.forget_allocation_drop_remaining();
207         mem::forget(dst_guard);
208
209         let vec = unsafe { Vec::from_raw_parts(dst_buf, len, cap) };
210
211         vec
212     }
213 }
214
215 fn write_in_place_with_drop<T>(
216     src_end: *const T,
217 ) -> impl FnMut(InPlaceDrop<T>, T) -> Result<InPlaceDrop<T>, !> {
218     move |mut sink, item| {
219         unsafe {
220             // the InPlaceIterable contract cannot be verified precisely here since
221             // try_fold has an exclusive reference to the source pointer
222             // all we can do is check if it's still in range
223             debug_assert!(sink.dst as *const _ <= src_end, "InPlaceIterable contract violation");
224             ptr::write(sink.dst, item);
225             // Since this executes user code which can panic we have to bump the pointer
226             // after each step.
227             sink.dst = sink.dst.add(1);
228         }
229         Ok(sink)
230     }
231 }
232
233 /// Helper trait to hold specialized implementations of the in-place iterate-collect loop
234 trait SpecInPlaceCollect<T, I>: Iterator<Item = T> {
235     /// Collects an iterator (`self`) into the destination buffer (`dst`) and returns the number of items
236     /// collected. `end` is the last writable element of the allocation and used for bounds checks.
237     ///
238     /// This method is specialized and one of its implementations makes use of
239     /// `Iterator::__iterator_get_unchecked` calls with a `TrustedRandomAccessNoCoerce` bound
240     /// on `I` which means the caller of this method must take the safety conditions
241     /// of that trait into consideration.
242     fn collect_in_place(&mut self, dst: *mut T, end: *const T) -> usize;
243 }
244
245 impl<T, I> SpecInPlaceCollect<T, I> for I
246 where
247     I: Iterator<Item = T>,
248 {
249     #[inline]
250     default fn collect_in_place(&mut self, dst_buf: *mut T, end: *const T) -> usize {
251         // use try-fold since
252         // - it vectorizes better for some iterator adapters
253         // - unlike most internal iteration methods, it only takes a &mut self
254         // - it lets us thread the write pointer through its innards and get it back in the end
255         let sink = InPlaceDrop { inner: dst_buf, dst: dst_buf };
256         let sink =
257             self.try_fold::<_, _, Result<_, !>>(sink, write_in_place_with_drop(end)).unwrap();
258         // iteration succeeded, don't drop head
259         unsafe { ManuallyDrop::new(sink).dst.sub_ptr(dst_buf) }
260     }
261 }
262
263 impl<T, I> SpecInPlaceCollect<T, I> for I
264 where
265     I: Iterator<Item = T> + TrustedRandomAccessNoCoerce,
266 {
267     #[inline]
268     fn collect_in_place(&mut self, dst_buf: *mut T, end: *const T) -> usize {
269         let len = self.size();
270         let mut drop_guard = InPlaceDrop { inner: dst_buf, dst: dst_buf };
271         for i in 0..len {
272             // Safety: InplaceIterable contract guarantees that for every element we read
273             // one slot in the underlying storage will have been freed up and we can immediately
274             // write back the result.
275             unsafe {
276                 let dst = dst_buf.add(i);
277                 debug_assert!(dst as *const _ <= end, "InPlaceIterable contract violation");
278                 ptr::write(dst, self.__iterator_get_unchecked(i));
279                 // Since this executes user code which can panic we have to bump the pointer
280                 // after each step.
281                 drop_guard.dst = dst.add(1);
282             }
283         }
284         mem::forget(drop_guard);
285         len
286     }
287 }
288
289 /// Internal helper trait for in-place iteration specialization.
290 ///
291 /// Currently this is only implemented by [`vec::IntoIter`] - returning a reference to itself - and
292 /// [`binary_heap::IntoIter`] which returns a reference to its inner representation.
293 ///
294 /// Since this is an internal trait it hides the implementation detail `binary_heap::IntoIter`
295 /// uses `vec::IntoIter` internally.
296 ///
297 /// [`vec::IntoIter`]: super::IntoIter
298 /// [`binary_heap::IntoIter`]: crate::collections::binary_heap::IntoIter
299 ///
300 /// # Safety
301 ///
302 /// In-place iteration relies on implementation details of `vec::IntoIter`, most importantly that
303 /// it does not create references to the whole allocation during iteration, only raw pointers
304 #[rustc_specialization_trait]
305 pub(crate) unsafe trait AsVecIntoIter {
306     type Item;
307     fn as_into_iter(&mut self) -> &mut super::IntoIter<Self::Item>;
308 }