]> git.lizzy.rs Git - rust.git/blob - library/core/src/alloc/layout.rs
Rollup merge of #100941 - lyming2007:issue-100584, r=oli-obk
[rust.git] / library / core / src / alloc / layout.rs
1 // Seemingly inconsequential code changes to this file can lead to measurable
2 // performance impact on compilation times, due at least in part to the fact
3 // that the layout code gets called from many instantiations of the various
4 // collections, resulting in having to optimize down excess IR multiple times.
5 // Your performance intuition is useless. Run perf.
6
7 use crate::cmp;
8 #[cfg(not(bootstrap))]
9 use crate::error::Error;
10 use crate::fmt;
11 use crate::mem::{self, ValidAlign};
12 use crate::ptr::NonNull;
13
14 // While this function is used in one place and its implementation
15 // could be inlined, the previous attempts to do so made rustc
16 // slower:
17 //
18 // * https://github.com/rust-lang/rust/pull/72189
19 // * https://github.com/rust-lang/rust/pull/79827
20 const fn size_align<T>() -> (usize, usize) {
21     (mem::size_of::<T>(), mem::align_of::<T>())
22 }
23
24 /// Layout of a block of memory.
25 ///
26 /// An instance of `Layout` describes a particular layout of memory.
27 /// You build a `Layout` up as an input to give to an allocator.
28 ///
29 /// All layouts have an associated size and a power-of-two alignment.
30 ///
31 /// (Note that layouts are *not* required to have non-zero size,
32 /// even though `GlobalAlloc` requires that all memory requests
33 /// be non-zero in size. A caller must either ensure that conditions
34 /// like this are met, use specific allocators with looser
35 /// requirements, or use the more lenient `Allocator` interface.)
36 #[stable(feature = "alloc_layout", since = "1.28.0")]
37 #[derive(Copy, Clone, Debug, PartialEq, Eq, Hash)]
38 #[lang = "alloc_layout"]
39 pub struct Layout {
40     // size of the requested block of memory, measured in bytes.
41     size: usize,
42
43     // alignment of the requested block of memory, measured in bytes.
44     // we ensure that this is always a power-of-two, because API's
45     // like `posix_memalign` require it and it is a reasonable
46     // constraint to impose on Layout constructors.
47     //
48     // (However, we do not analogously require `align >= sizeof(void*)`,
49     //  even though that is *also* a requirement of `posix_memalign`.)
50     align: ValidAlign,
51 }
52
53 impl Layout {
54     /// Constructs a `Layout` from a given `size` and `align`,
55     /// or returns `LayoutError` if any of the following conditions
56     /// are not met:
57     ///
58     /// * `align` must not be zero,
59     ///
60     /// * `align` must be a power of two,
61     ///
62     /// * `size`, when rounded up to the nearest multiple of `align`,
63     ///    must not overflow isize (i.e., the rounded value must be
64     ///    less than or equal to `isize::MAX`).
65     #[stable(feature = "alloc_layout", since = "1.28.0")]
66     #[rustc_const_stable(feature = "const_alloc_layout_size_align", since = "1.50.0")]
67     #[inline]
68     pub const fn from_size_align(size: usize, align: usize) -> Result<Self, LayoutError> {
69         if !align.is_power_of_two() {
70             return Err(LayoutError);
71         }
72
73         // SAFETY: just checked that align is a power of two.
74         Layout::from_size_valid_align(size, unsafe { ValidAlign::new_unchecked(align) })
75     }
76
77     #[inline(always)]
78     const fn max_size_for_align(align: ValidAlign) -> usize {
79         // (power-of-two implies align != 0.)
80
81         // Rounded up size is:
82         //   size_rounded_up = (size + align - 1) & !(align - 1);
83         //
84         // We know from above that align != 0. If adding (align - 1)
85         // does not overflow, then rounding up will be fine.
86         //
87         // Conversely, &-masking with !(align - 1) will subtract off
88         // only low-order-bits. Thus if overflow occurs with the sum,
89         // the &-mask cannot subtract enough to undo that overflow.
90         //
91         // Above implies that checking for summation overflow is both
92         // necessary and sufficient.
93         isize::MAX as usize - (align.as_usize() - 1)
94     }
95
96     /// Internal helper constructor to skip revalidating alignment validity.
97     #[inline]
98     const fn from_size_valid_align(size: usize, align: ValidAlign) -> Result<Self, LayoutError> {
99         if size > Self::max_size_for_align(align) {
100             return Err(LayoutError);
101         }
102
103         // SAFETY: Layout::size invariants checked above.
104         Ok(Layout { size, align })
105     }
106
107     /// Creates a layout, bypassing all checks.
108     ///
109     /// # Safety
110     ///
111     /// This function is unsafe as it does not verify the preconditions from
112     /// [`Layout::from_size_align`].
113     #[stable(feature = "alloc_layout", since = "1.28.0")]
114     #[rustc_const_stable(feature = "const_alloc_layout_unchecked", since = "1.36.0")]
115     #[must_use]
116     #[inline]
117     pub const unsafe fn from_size_align_unchecked(size: usize, align: usize) -> Self {
118         // SAFETY: the caller is required to uphold the preconditions.
119         unsafe { Layout { size, align: ValidAlign::new_unchecked(align) } }
120     }
121
122     /// The minimum size in bytes for a memory block of this layout.
123     #[stable(feature = "alloc_layout", since = "1.28.0")]
124     #[rustc_const_stable(feature = "const_alloc_layout_size_align", since = "1.50.0")]
125     #[must_use]
126     #[inline]
127     pub const fn size(&self) -> usize {
128         self.size
129     }
130
131     /// The minimum byte alignment for a memory block of this layout.
132     #[stable(feature = "alloc_layout", since = "1.28.0")]
133     #[rustc_const_stable(feature = "const_alloc_layout_size_align", since = "1.50.0")]
134     #[must_use = "this returns the minimum alignment, \
135                   without modifying the layout"]
136     #[inline]
137     pub const fn align(&self) -> usize {
138         self.align.as_usize()
139     }
140
141     /// Constructs a `Layout` suitable for holding a value of type `T`.
142     #[stable(feature = "alloc_layout", since = "1.28.0")]
143     #[rustc_const_stable(feature = "alloc_layout_const_new", since = "1.42.0")]
144     #[must_use]
145     #[inline]
146     pub const fn new<T>() -> Self {
147         let (size, align) = size_align::<T>();
148         // SAFETY: if the type is instantiated, rustc already ensures that its
149         // layout is valid. Use the unchecked constructor to avoid inserting a
150         // panicking codepath that needs to be optimized out.
151         unsafe { Layout::from_size_align_unchecked(size, align) }
152     }
153
154     /// Produces layout describing a record that could be used to
155     /// allocate backing structure for `T` (which could be a trait
156     /// or other unsized type like a slice).
157     #[stable(feature = "alloc_layout", since = "1.28.0")]
158     #[must_use]
159     #[inline]
160     pub fn for_value<T: ?Sized>(t: &T) -> Self {
161         let (size, align) = (mem::size_of_val(t), mem::align_of_val(t));
162         // SAFETY: see rationale in `new` for why this is using the unsafe variant
163         unsafe { Layout::from_size_align_unchecked(size, align) }
164     }
165
166     /// Produces layout describing a record that could be used to
167     /// allocate backing structure for `T` (which could be a trait
168     /// or other unsized type like a slice).
169     ///
170     /// # Safety
171     ///
172     /// This function is only safe to call if the following conditions hold:
173     ///
174     /// - If `T` is `Sized`, this function is always safe to call.
175     /// - If the unsized tail of `T` is:
176     ///     - a [slice], then the length of the slice tail must be an initialized
177     ///       integer, and the size of the *entire value*
178     ///       (dynamic tail length + statically sized prefix) must fit in `isize`.
179     ///     - a [trait object], then the vtable part of the pointer must point
180     ///       to a valid vtable for the type `T` acquired by an unsizing coercion,
181     ///       and the size of the *entire value*
182     ///       (dynamic tail length + statically sized prefix) must fit in `isize`.
183     ///     - an (unstable) [extern type], then this function is always safe to
184     ///       call, but may panic or otherwise return the wrong value, as the
185     ///       extern type's layout is not known. This is the same behavior as
186     ///       [`Layout::for_value`] on a reference to an extern type tail.
187     ///     - otherwise, it is conservatively not allowed to call this function.
188     ///
189     /// [trait object]: ../../book/ch17-02-trait-objects.html
190     /// [extern type]: ../../unstable-book/language-features/extern-types.html
191     #[unstable(feature = "layout_for_ptr", issue = "69835")]
192     #[must_use]
193     pub unsafe fn for_value_raw<T: ?Sized>(t: *const T) -> Self {
194         // SAFETY: we pass along the prerequisites of these functions to the caller
195         let (size, align) = unsafe { (mem::size_of_val_raw(t), mem::align_of_val_raw(t)) };
196         // SAFETY: see rationale in `new` for why this is using the unsafe variant
197         unsafe { Layout::from_size_align_unchecked(size, align) }
198     }
199
200     /// Creates a `NonNull` that is dangling, but well-aligned for this Layout.
201     ///
202     /// Note that the pointer value may potentially represent a valid pointer,
203     /// which means this must not be used as a "not yet initialized"
204     /// sentinel value. Types that lazily allocate must track initialization by
205     /// some other means.
206     #[unstable(feature = "alloc_layout_extra", issue = "55724")]
207     #[rustc_const_unstable(feature = "alloc_layout_extra", issue = "55724")]
208     #[must_use]
209     #[inline]
210     pub const fn dangling(&self) -> NonNull<u8> {
211         // SAFETY: align is guaranteed to be non-zero
212         unsafe { NonNull::new_unchecked(crate::ptr::invalid_mut::<u8>(self.align())) }
213     }
214
215     /// Creates a layout describing the record that can hold a value
216     /// of the same layout as `self`, but that also is aligned to
217     /// alignment `align` (measured in bytes).
218     ///
219     /// If `self` already meets the prescribed alignment, then returns
220     /// `self`.
221     ///
222     /// Note that this method does not add any padding to the overall
223     /// size, regardless of whether the returned layout has a different
224     /// alignment. In other words, if `K` has size 16, `K.align_to(32)`
225     /// will *still* have size 16.
226     ///
227     /// Returns an error if the combination of `self.size()` and the given
228     /// `align` violates the conditions listed in [`Layout::from_size_align`].
229     #[stable(feature = "alloc_layout_manipulation", since = "1.44.0")]
230     #[inline]
231     pub fn align_to(&self, align: usize) -> Result<Self, LayoutError> {
232         Layout::from_size_align(self.size(), cmp::max(self.align(), align))
233     }
234
235     /// Returns the amount of padding we must insert after `self`
236     /// to ensure that the following address will satisfy `align`
237     /// (measured in bytes).
238     ///
239     /// e.g., if `self.size()` is 9, then `self.padding_needed_for(4)`
240     /// returns 3, because that is the minimum number of bytes of
241     /// padding required to get a 4-aligned address (assuming that the
242     /// corresponding memory block starts at a 4-aligned address).
243     ///
244     /// The return value of this function has no meaning if `align` is
245     /// not a power-of-two.
246     ///
247     /// Note that the utility of the returned value requires `align`
248     /// to be less than or equal to the alignment of the starting
249     /// address for the whole allocated block of memory. One way to
250     /// satisfy this constraint is to ensure `align <= self.align()`.
251     #[unstable(feature = "alloc_layout_extra", issue = "55724")]
252     #[rustc_const_unstable(feature = "const_alloc_layout", issue = "67521")]
253     #[must_use = "this returns the padding needed, \
254                   without modifying the `Layout`"]
255     #[inline]
256     pub const fn padding_needed_for(&self, align: usize) -> usize {
257         let len = self.size();
258
259         // Rounded up value is:
260         //   len_rounded_up = (len + align - 1) & !(align - 1);
261         // and then we return the padding difference: `len_rounded_up - len`.
262         //
263         // We use modular arithmetic throughout:
264         //
265         // 1. align is guaranteed to be > 0, so align - 1 is always
266         //    valid.
267         //
268         // 2. `len + align - 1` can overflow by at most `align - 1`,
269         //    so the &-mask with `!(align - 1)` will ensure that in the
270         //    case of overflow, `len_rounded_up` will itself be 0.
271         //    Thus the returned padding, when added to `len`, yields 0,
272         //    which trivially satisfies the alignment `align`.
273         //
274         // (Of course, attempts to allocate blocks of memory whose
275         // size and padding overflow in the above manner should cause
276         // the allocator to yield an error anyway.)
277
278         let len_rounded_up = len.wrapping_add(align).wrapping_sub(1) & !align.wrapping_sub(1);
279         len_rounded_up.wrapping_sub(len)
280     }
281
282     /// Creates a layout by rounding the size of this layout up to a multiple
283     /// of the layout's alignment.
284     ///
285     /// This is equivalent to adding the result of `padding_needed_for`
286     /// to the layout's current size.
287     #[stable(feature = "alloc_layout_manipulation", since = "1.44.0")]
288     #[must_use = "this returns a new `Layout`, \
289                   without modifying the original"]
290     #[inline]
291     pub fn pad_to_align(&self) -> Layout {
292         let pad = self.padding_needed_for(self.align());
293         // This cannot overflow. Quoting from the invariant of Layout:
294         // > `size`, when rounded up to the nearest multiple of `align`,
295         // > must not overflow isize (i.e., the rounded value must be
296         // > less than or equal to `isize::MAX`)
297         let new_size = self.size() + pad;
298
299         // SAFETY: padded size is guaranteed to not exceed `isize::MAX`.
300         unsafe { Layout::from_size_align_unchecked(new_size, self.align()) }
301     }
302
303     /// Creates a layout describing the record for `n` instances of
304     /// `self`, with a suitable amount of padding between each to
305     /// ensure that each instance is given its requested size and
306     /// alignment. On success, returns `(k, offs)` where `k` is the
307     /// layout of the array and `offs` is the distance between the start
308     /// of each element in the array.
309     ///
310     /// On arithmetic overflow, returns `LayoutError`.
311     #[unstable(feature = "alloc_layout_extra", issue = "55724")]
312     #[inline]
313     pub fn repeat(&self, n: usize) -> Result<(Self, usize), LayoutError> {
314         // This cannot overflow. Quoting from the invariant of Layout:
315         // > `size`, when rounded up to the nearest multiple of `align`,
316         // > must not overflow isize (i.e., the rounded value must be
317         // > less than or equal to `isize::MAX`)
318         let padded_size = self.size() + self.padding_needed_for(self.align());
319         let alloc_size = padded_size.checked_mul(n).ok_or(LayoutError)?;
320
321         // The safe constructor is called here to enforce the isize size limit.
322         Layout::from_size_valid_align(alloc_size, self.align).map(|layout| (layout, padded_size))
323     }
324
325     /// Creates a layout describing the record for `self` followed by
326     /// `next`, including any necessary padding to ensure that `next`
327     /// will be properly aligned, but *no trailing padding*.
328     ///
329     /// In order to match C representation layout `repr(C)`, you should
330     /// call `pad_to_align` after extending the layout with all fields.
331     /// (There is no way to match the default Rust representation
332     /// layout `repr(Rust)`, as it is unspecified.)
333     ///
334     /// Note that the alignment of the resulting layout will be the maximum of
335     /// those of `self` and `next`, in order to ensure alignment of both parts.
336     ///
337     /// Returns `Ok((k, offset))`, where `k` is layout of the concatenated
338     /// record and `offset` is the relative location, in bytes, of the
339     /// start of the `next` embedded within the concatenated record
340     /// (assuming that the record itself starts at offset 0).
341     ///
342     /// On arithmetic overflow, returns `LayoutError`.
343     ///
344     /// # Examples
345     ///
346     /// To calculate the layout of a `#[repr(C)]` structure and the offsets of
347     /// the fields from its fields' layouts:
348     ///
349     /// ```rust
350     /// # use std::alloc::{Layout, LayoutError};
351     /// pub fn repr_c(fields: &[Layout]) -> Result<(Layout, Vec<usize>), LayoutError> {
352     ///     let mut offsets = Vec::new();
353     ///     let mut layout = Layout::from_size_align(0, 1)?;
354     ///     for &field in fields {
355     ///         let (new_layout, offset) = layout.extend(field)?;
356     ///         layout = new_layout;
357     ///         offsets.push(offset);
358     ///     }
359     ///     // Remember to finalize with `pad_to_align`!
360     ///     Ok((layout.pad_to_align(), offsets))
361     /// }
362     /// # // test that it works
363     /// # #[repr(C)] struct S { a: u64, b: u32, c: u16, d: u32 }
364     /// # let s = Layout::new::<S>();
365     /// # let u16 = Layout::new::<u16>();
366     /// # let u32 = Layout::new::<u32>();
367     /// # let u64 = Layout::new::<u64>();
368     /// # assert_eq!(repr_c(&[u64, u32, u16, u32]), Ok((s, vec![0, 8, 12, 16])));
369     /// ```
370     #[stable(feature = "alloc_layout_manipulation", since = "1.44.0")]
371     #[inline]
372     pub fn extend(&self, next: Self) -> Result<(Self, usize), LayoutError> {
373         let new_align = cmp::max(self.align, next.align);
374         let pad = self.padding_needed_for(next.align());
375
376         let offset = self.size().checked_add(pad).ok_or(LayoutError)?;
377         let new_size = offset.checked_add(next.size()).ok_or(LayoutError)?;
378
379         // The safe constructor is called here to enforce the isize size limit.
380         let layout = Layout::from_size_valid_align(new_size, new_align)?;
381         Ok((layout, offset))
382     }
383
384     /// Creates a layout describing the record for `n` instances of
385     /// `self`, with no padding between each instance.
386     ///
387     /// Note that, unlike `repeat`, `repeat_packed` does not guarantee
388     /// that the repeated instances of `self` will be properly
389     /// aligned, even if a given instance of `self` is properly
390     /// aligned. In other words, if the layout returned by
391     /// `repeat_packed` is used to allocate an array, it is not
392     /// guaranteed that all elements in the array will be properly
393     /// aligned.
394     ///
395     /// On arithmetic overflow, returns `LayoutError`.
396     #[unstable(feature = "alloc_layout_extra", issue = "55724")]
397     #[inline]
398     pub fn repeat_packed(&self, n: usize) -> Result<Self, LayoutError> {
399         let size = self.size().checked_mul(n).ok_or(LayoutError)?;
400         // The safe constructor is called here to enforce the isize size limit.
401         Layout::from_size_valid_align(size, self.align)
402     }
403
404     /// Creates a layout describing the record for `self` followed by
405     /// `next` with no additional padding between the two. Since no
406     /// padding is inserted, the alignment of `next` is irrelevant,
407     /// and is not incorporated *at all* into the resulting layout.
408     ///
409     /// On arithmetic overflow, returns `LayoutError`.
410     #[unstable(feature = "alloc_layout_extra", issue = "55724")]
411     #[inline]
412     pub fn extend_packed(&self, next: Self) -> Result<Self, LayoutError> {
413         let new_size = self.size().checked_add(next.size()).ok_or(LayoutError)?;
414         // The safe constructor is called here to enforce the isize size limit.
415         Layout::from_size_valid_align(new_size, self.align)
416     }
417
418     /// Creates a layout describing the record for a `[T; n]`.
419     ///
420     /// On arithmetic overflow or when the total size would exceed
421     /// `isize::MAX`, returns `LayoutError`.
422     #[stable(feature = "alloc_layout_manipulation", since = "1.44.0")]
423     #[inline]
424     pub fn array<T>(n: usize) -> Result<Self, LayoutError> {
425         // Reduce the amount of code we need to monomorphize per `T`.
426         return inner(mem::size_of::<T>(), ValidAlign::of::<T>(), n);
427
428         #[inline]
429         fn inner(element_size: usize, align: ValidAlign, n: usize) -> Result<Layout, LayoutError> {
430             // We need to check two things about the size:
431             //  - That the total size won't overflow a `usize`, and
432             //  - That the total size still fits in an `isize`.
433             // By using division we can check them both with a single threshold.
434             // That'd usually be a bad idea, but thankfully here the element size
435             // and alignment are constants, so the compiler will fold all of it.
436             if element_size != 0 && n > Layout::max_size_for_align(align) / element_size {
437                 return Err(LayoutError);
438             }
439
440             let array_size = element_size * n;
441
442             // SAFETY: We just checked above that the `array_size` will not
443             // exceed `isize::MAX` even when rounded up to the alignment.
444             // And `ValidAlign` guarantees it's a power of two.
445             unsafe { Ok(Layout::from_size_align_unchecked(array_size, align.as_usize())) }
446         }
447     }
448 }
449
450 #[stable(feature = "alloc_layout", since = "1.28.0")]
451 #[deprecated(
452     since = "1.52.0",
453     note = "Name does not follow std convention, use LayoutError",
454     suggestion = "LayoutError"
455 )]
456 pub type LayoutErr = LayoutError;
457
458 /// The parameters given to `Layout::from_size_align`
459 /// or some other `Layout` constructor
460 /// do not satisfy its documented constraints.
461 #[stable(feature = "alloc_layout_error", since = "1.50.0")]
462 #[non_exhaustive]
463 #[derive(Clone, PartialEq, Eq, Debug)]
464 pub struct LayoutError;
465
466 #[cfg(not(bootstrap))]
467 #[stable(feature = "alloc_layout", since = "1.28.0")]
468 impl Error for LayoutError {}
469
470 // (we need this for downstream impl of trait Error)
471 #[stable(feature = "alloc_layout", since = "1.28.0")]
472 impl fmt::Display for LayoutError {
473     fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter<'_>) -> fmt::Result {
474         f.write_str("invalid parameters to Layout::from_size_align")
475     }
476 }