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[rust.git] / library / core / src / alloc / layout.rs
1 use crate::cmp;
2 use crate::fmt;
3 use crate::mem;
4 use crate::num::NonZeroUsize;
5 use crate::ptr::NonNull;
6
7 const fn size_align<T>() -> (usize, usize) {
8     (mem::size_of::<T>(), mem::align_of::<T>())
9 }
10
11 /// Layout of a block of memory.
12 ///
13 /// An instance of `Layout` describes a particular layout of memory.
14 /// You build a `Layout` up as an input to give to an allocator.
15 ///
16 /// All layouts have an associated size and a power-of-two alignment.
17 ///
18 /// (Note that layouts are *not* required to have non-zero size,
19 /// even though `GlobalAlloc` requires that all memory requests
20 /// be non-zero in size. A caller must either ensure that conditions
21 /// like this are met, use specific allocators with looser
22 /// requirements, or use the more lenient `AllocRef` interface.)
23 #[stable(feature = "alloc_layout", since = "1.28.0")]
24 #[derive(Copy, Clone, Debug, PartialEq, Eq)]
25 #[lang = "alloc_layout"]
26 pub struct Layout {
27     // size of the requested block of memory, measured in bytes.
28     size_: usize,
29
30     // alignment of the requested block of memory, measured in bytes.
31     // we ensure that this is always a power-of-two, because API's
32     // like `posix_memalign` require it and it is a reasonable
33     // constraint to impose on Layout constructors.
34     //
35     // (However, we do not analogously require `align >= sizeof(void*)`,
36     //  even though that is *also* a requirement of `posix_memalign`.)
37     align_: NonZeroUsize,
38 }
39
40 impl Layout {
41     /// Constructs a `Layout` from a given `size` and `align`,
42     /// or returns `LayoutErr` if any of the following conditions
43     /// are not met:
44     ///
45     /// * `align` must not be zero,
46     ///
47     /// * `align` must be a power of two,
48     ///
49     /// * `size`, when rounded up to the nearest multiple of `align`,
50     ///    must not overflow (i.e., the rounded value must be less than
51     ///    or equal to `usize::MAX`).
52     #[stable(feature = "alloc_layout", since = "1.28.0")]
53     #[rustc_const_unstable(feature = "const_alloc_layout", issue = "67521")]
54     #[inline]
55     pub const fn from_size_align(size: usize, align: usize) -> Result<Self, LayoutErr> {
56         if !align.is_power_of_two() {
57             return Err(LayoutErr { private: () });
58         }
59
60         // (power-of-two implies align != 0.)
61
62         // Rounded up size is:
63         //   size_rounded_up = (size + align - 1) & !(align - 1);
64         //
65         // We know from above that align != 0. If adding (align - 1)
66         // does not overflow, then rounding up will be fine.
67         //
68         // Conversely, &-masking with !(align - 1) will subtract off
69         // only low-order-bits. Thus if overflow occurs with the sum,
70         // the &-mask cannot subtract enough to undo that overflow.
71         //
72         // Above implies that checking for summation overflow is both
73         // necessary and sufficient.
74         if size > usize::MAX - (align - 1) {
75             return Err(LayoutErr { private: () });
76         }
77
78         // SAFETY: the conditions for `from_size_align_unchecked` have been
79         // checked above.
80         unsafe { Ok(Layout::from_size_align_unchecked(size, align)) }
81     }
82
83     /// Creates a layout, bypassing all checks.
84     ///
85     /// # Safety
86     ///
87     /// This function is unsafe as it does not verify the preconditions from
88     /// [`Layout::from_size_align`].
89     #[stable(feature = "alloc_layout", since = "1.28.0")]
90     #[rustc_const_stable(feature = "alloc_layout", since = "1.28.0")]
91     #[inline]
92     pub const unsafe fn from_size_align_unchecked(size: usize, align: usize) -> Self {
93         // SAFETY: the caller must ensure that `align` is greater than zero.
94         Layout { size_: size, align_: unsafe { NonZeroUsize::new_unchecked(align) } }
95     }
96
97     /// The minimum size in bytes for a memory block of this layout.
98     #[stable(feature = "alloc_layout", since = "1.28.0")]
99     #[rustc_const_unstable(feature = "const_alloc_layout", issue = "67521")]
100     #[inline]
101     pub const fn size(&self) -> usize {
102         self.size_
103     }
104
105     /// The minimum byte alignment for a memory block of this layout.
106     #[stable(feature = "alloc_layout", since = "1.28.0")]
107     #[rustc_const_unstable(feature = "const_alloc_layout", issue = "67521")]
108     #[inline]
109     pub const fn align(&self) -> usize {
110         self.align_.get()
111     }
112
113     /// Constructs a `Layout` suitable for holding a value of type `T`.
114     #[stable(feature = "alloc_layout", since = "1.28.0")]
115     #[rustc_const_stable(feature = "alloc_layout_const_new", since = "1.42.0")]
116     #[inline]
117     pub const fn new<T>() -> Self {
118         let (size, align) = size_align::<T>();
119         // SAFETY: the align is guaranteed by Rust to be a power of two and
120         // the size+align combo is guaranteed to fit in our address space. As a
121         // result use the unchecked constructor here to avoid inserting code
122         // that panics if it isn't optimized well enough.
123         unsafe { Layout::from_size_align_unchecked(size, align) }
124     }
125
126     /// Produces layout describing a record that could be used to
127     /// allocate backing structure for `T` (which could be a trait
128     /// or other unsized type like a slice).
129     #[stable(feature = "alloc_layout", since = "1.28.0")]
130     #[inline]
131     pub fn for_value<T: ?Sized>(t: &T) -> Self {
132         let (size, align) = (mem::size_of_val(t), mem::align_of_val(t));
133         debug_assert!(Layout::from_size_align(size, align).is_ok());
134         // SAFETY: see rationale in `new` for why this is using the unsafe variant
135         unsafe { Layout::from_size_align_unchecked(size, align) }
136     }
137
138     /// Produces layout describing a record that could be used to
139     /// allocate backing structure for `T` (which could be a trait
140     /// or other unsized type like a slice).
141     ///
142     /// # Safety
143     ///
144     /// This function is only safe to call if the following conditions hold:
145     ///
146     /// - If `T` is `Sized`, this function is always safe to call.
147     /// - If the unsized tail of `T` is:
148     ///     - a [slice], then the length of the slice tail must be an intialized
149     ///       integer, and the size of the *entire value*
150     ///       (dynamic tail length + statically sized prefix) must fit in `isize`.
151     ///     - a [trait object], then the vtable part of the pointer must point
152     ///       to a valid vtable for the type `T` acquired by an unsizing coersion,
153     ///       and the size of the *entire value*
154     ///       (dynamic tail length + statically sized prefix) must fit in `isize`.
155     ///     - an (unstable) [extern type], then this function is always safe to
156     ///       call, but may panic or otherwise return the wrong value, as the
157     ///       extern type's layout is not known. This is the same behavior as
158     ///       [`Layout::for_value`] on a reference to an extern type tail.
159     ///     - otherwise, it is conservatively not allowed to call this function.
160     ///
161     /// [slice]: ../../std/primitive.slice.html
162     /// [trait object]: ../../book/ch17-02-trait-objects.html
163     /// [extern type]: ../../unstable-book/language-features/extern-types.html
164     #[unstable(feature = "layout_for_ptr", issue = "69835")]
165     pub unsafe fn for_value_raw<T: ?Sized>(t: *const T) -> Self {
166         // SAFETY: we pass along the prerequisites of these functions to the caller
167         let (size, align) = unsafe { (mem::size_of_val_raw(t), mem::align_of_val_raw(t)) };
168         debug_assert!(Layout::from_size_align(size, align).is_ok());
169         // SAFETY: see rationale in `new` for why this is using the unsafe variant
170         unsafe { Layout::from_size_align_unchecked(size, align) }
171     }
172
173     /// Creates a `NonNull` that is dangling, but well-aligned for this Layout.
174     ///
175     /// Note that the pointer value may potentially represent a valid pointer,
176     /// which means this must not be used as a "not yet initialized"
177     /// sentinel value. Types that lazily allocate must track initialization by
178     /// some other means.
179     #[unstable(feature = "alloc_layout_extra", issue = "55724")]
180     #[inline]
181     pub const fn dangling(&self) -> NonNull<u8> {
182         // SAFETY: align is guaranteed to be non-zero
183         unsafe { NonNull::new_unchecked(self.align() as *mut u8) }
184     }
185
186     /// Creates a layout describing the record that can hold a value
187     /// of the same layout as `self`, but that also is aligned to
188     /// alignment `align` (measured in bytes).
189     ///
190     /// If `self` already meets the prescribed alignment, then returns
191     /// `self`.
192     ///
193     /// Note that this method does not add any padding to the overall
194     /// size, regardless of whether the returned layout has a different
195     /// alignment. In other words, if `K` has size 16, `K.align_to(32)`
196     /// will *still* have size 16.
197     ///
198     /// Returns an error if the combination of `self.size()` and the given
199     /// `align` violates the conditions listed in [`Layout::from_size_align`].
200     #[stable(feature = "alloc_layout_manipulation", since = "1.44.0")]
201     #[inline]
202     pub fn align_to(&self, align: usize) -> Result<Self, LayoutErr> {
203         Layout::from_size_align(self.size(), cmp::max(self.align(), align))
204     }
205
206     /// Returns the amount of padding we must insert after `self`
207     /// to ensure that the following address will satisfy `align`
208     /// (measured in bytes).
209     ///
210     /// e.g., if `self.size()` is 9, then `self.padding_needed_for(4)`
211     /// returns 3, because that is the minimum number of bytes of
212     /// padding required to get a 4-aligned address (assuming that the
213     /// corresponding memory block starts at a 4-aligned address).
214     ///
215     /// The return value of this function has no meaning if `align` is
216     /// not a power-of-two.
217     ///
218     /// Note that the utility of the returned value requires `align`
219     /// to be less than or equal to the alignment of the starting
220     /// address for the whole allocated block of memory. One way to
221     /// satisfy this constraint is to ensure `align <= self.align()`.
222     #[unstable(feature = "alloc_layout_extra", issue = "55724")]
223     #[rustc_const_unstable(feature = "const_alloc_layout", issue = "67521")]
224     #[inline]
225     pub const fn padding_needed_for(&self, align: usize) -> usize {
226         let len = self.size();
227
228         // Rounded up value is:
229         //   len_rounded_up = (len + align - 1) & !(align - 1);
230         // and then we return the padding difference: `len_rounded_up - len`.
231         //
232         // We use modular arithmetic throughout:
233         //
234         // 1. align is guaranteed to be > 0, so align - 1 is always
235         //    valid.
236         //
237         // 2. `len + align - 1` can overflow by at most `align - 1`,
238         //    so the &-mask with `!(align - 1)` will ensure that in the
239         //    case of overflow, `len_rounded_up` will itself be 0.
240         //    Thus the returned padding, when added to `len`, yields 0,
241         //    which trivially satisfies the alignment `align`.
242         //
243         // (Of course, attempts to allocate blocks of memory whose
244         // size and padding overflow in the above manner should cause
245         // the allocator to yield an error anyway.)
246
247         let len_rounded_up = len.wrapping_add(align).wrapping_sub(1) & !align.wrapping_sub(1);
248         len_rounded_up.wrapping_sub(len)
249     }
250
251     /// Creates a layout by rounding the size of this layout up to a multiple
252     /// of the layout's alignment.
253     ///
254     /// This is equivalent to adding the result of `padding_needed_for`
255     /// to the layout's current size.
256     #[stable(feature = "alloc_layout_manipulation", since = "1.44.0")]
257     #[inline]
258     pub fn pad_to_align(&self) -> Layout {
259         let pad = self.padding_needed_for(self.align());
260         // This cannot overflow. Quoting from the invariant of Layout:
261         // > `size`, when rounded up to the nearest multiple of `align`,
262         // > must not overflow (i.e., the rounded value must be less than
263         // > `usize::MAX`)
264         let new_size = self.size() + pad;
265
266         Layout::from_size_align(new_size, self.align()).unwrap()
267     }
268
269     /// Creates a layout describing the record for `n` instances of
270     /// `self`, with a suitable amount of padding between each to
271     /// ensure that each instance is given its requested size and
272     /// alignment. On success, returns `(k, offs)` where `k` is the
273     /// layout of the array and `offs` is the distance between the start
274     /// of each element in the array.
275     ///
276     /// On arithmetic overflow, returns `LayoutErr`.
277     #[unstable(feature = "alloc_layout_extra", issue = "55724")]
278     #[inline]
279     pub fn repeat(&self, n: usize) -> Result<(Self, usize), LayoutErr> {
280         // This cannot overflow. Quoting from the invariant of Layout:
281         // > `size`, when rounded up to the nearest multiple of `align`,
282         // > must not overflow (i.e., the rounded value must be less than
283         // > `usize::MAX`)
284         let padded_size = self.size() + self.padding_needed_for(self.align());
285         let alloc_size = padded_size.checked_mul(n).ok_or(LayoutErr { private: () })?;
286
287         // SAFETY: self.align is already known to be valid and alloc_size has been
288         // padded already.
289         unsafe { Ok((Layout::from_size_align_unchecked(alloc_size, self.align()), padded_size)) }
290     }
291
292     /// Creates a layout describing the record for `self` followed by
293     /// `next`, including any necessary padding to ensure that `next`
294     /// will be properly aligned, but *no trailing padding*.
295     ///
296     /// In order to match C representation layout `repr(C)`, you should
297     /// call `pad_to_align` after extending the layout with all fields.
298     /// (There is no way to match the default Rust representation
299     /// layout `repr(Rust)`, as it is unspecified.)
300     ///
301     /// Note that the alignment of the resulting layout will be the maximum of
302     /// those of `self` and `next`, in order to ensure alignment of both parts.
303     ///
304     /// Returns `Ok((k, offset))`, where `k` is layout of the concatenated
305     /// record and `offset` is the relative location, in bytes, of the
306     /// start of the `next` embedded within the concatenated record
307     /// (assuming that the record itself starts at offset 0).
308     ///
309     /// On arithmetic overflow, returns `LayoutErr`.
310     ///
311     /// # Examples
312     ///
313     /// To calculate the layout of a `#[repr(C)]` structure and the offsets of
314     /// the fields from its fields' layouts:
315     ///
316     /// ```rust
317     /// # use std::alloc::{Layout, LayoutErr};
318     /// pub fn repr_c(fields: &[Layout]) -> Result<(Layout, Vec<usize>), LayoutErr> {
319     ///     let mut offsets = Vec::new();
320     ///     let mut layout = Layout::from_size_align(0, 1)?;
321     ///     for &field in fields {
322     ///         let (new_layout, offset) = layout.extend(field)?;
323     ///         layout = new_layout;
324     ///         offsets.push(offset);
325     ///     }
326     ///     // Remember to finalize with `pad_to_align`!
327     ///     Ok((layout.pad_to_align(), offsets))
328     /// }
329     /// # // test that it works
330     /// # #[repr(C)] struct S { a: u64, b: u32, c: u16, d: u32 }
331     /// # let s = Layout::new::<S>();
332     /// # let u16 = Layout::new::<u16>();
333     /// # let u32 = Layout::new::<u32>();
334     /// # let u64 = Layout::new::<u64>();
335     /// # assert_eq!(repr_c(&[u64, u32, u16, u32]), Ok((s, vec![0, 8, 12, 16])));
336     /// ```
337     #[stable(feature = "alloc_layout_manipulation", since = "1.44.0")]
338     #[inline]
339     pub fn extend(&self, next: Self) -> Result<(Self, usize), LayoutErr> {
340         let new_align = cmp::max(self.align(), next.align());
341         let pad = self.padding_needed_for(next.align());
342
343         let offset = self.size().checked_add(pad).ok_or(LayoutErr { private: () })?;
344         let new_size = offset.checked_add(next.size()).ok_or(LayoutErr { private: () })?;
345
346         let layout = Layout::from_size_align(new_size, new_align)?;
347         Ok((layout, offset))
348     }
349
350     /// Creates a layout describing the record for `n` instances of
351     /// `self`, with no padding between each instance.
352     ///
353     /// Note that, unlike `repeat`, `repeat_packed` does not guarantee
354     /// that the repeated instances of `self` will be properly
355     /// aligned, even if a given instance of `self` is properly
356     /// aligned. In other words, if the layout returned by
357     /// `repeat_packed` is used to allocate an array, it is not
358     /// guaranteed that all elements in the array will be properly
359     /// aligned.
360     ///
361     /// On arithmetic overflow, returns `LayoutErr`.
362     #[unstable(feature = "alloc_layout_extra", issue = "55724")]
363     #[inline]
364     pub fn repeat_packed(&self, n: usize) -> Result<Self, LayoutErr> {
365         let size = self.size().checked_mul(n).ok_or(LayoutErr { private: () })?;
366         Layout::from_size_align(size, self.align())
367     }
368
369     /// Creates a layout describing the record for `self` followed by
370     /// `next` with no additional padding between the two. Since no
371     /// padding is inserted, the alignment of `next` is irrelevant,
372     /// and is not incorporated *at all* into the resulting layout.
373     ///
374     /// On arithmetic overflow, returns `LayoutErr`.
375     #[unstable(feature = "alloc_layout_extra", issue = "55724")]
376     #[inline]
377     pub fn extend_packed(&self, next: Self) -> Result<Self, LayoutErr> {
378         let new_size = self.size().checked_add(next.size()).ok_or(LayoutErr { private: () })?;
379         Layout::from_size_align(new_size, self.align())
380     }
381
382     /// Creates a layout describing the record for a `[T; n]`.
383     ///
384     /// On arithmetic overflow, returns `LayoutErr`.
385     #[stable(feature = "alloc_layout_manipulation", since = "1.44.0")]
386     #[inline]
387     pub fn array<T>(n: usize) -> Result<Self, LayoutErr> {
388         let (layout, offset) = Layout::new::<T>().repeat(n)?;
389         debug_assert_eq!(offset, mem::size_of::<T>());
390         Ok(layout.pad_to_align())
391     }
392 }
393
394 /// The parameters given to `Layout::from_size_align`
395 /// or some other `Layout` constructor
396 /// do not satisfy its documented constraints.
397 #[stable(feature = "alloc_layout", since = "1.28.0")]
398 #[derive(Clone, PartialEq, Eq, Debug)]
399 pub struct LayoutErr {
400     private: (),
401 }
402
403 // (we need this for downstream impl of trait Error)
404 #[stable(feature = "alloc_layout", since = "1.28.0")]
405 impl fmt::Display for LayoutErr {
406     fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter<'_>) -> fmt::Result {
407         f.write_str("invalid parameters to Layout::from_size_align")
408     }
409 }