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[rust.git] / library / core / src / ffi / c_str.rs
1 use crate::ascii;
2 use crate::cmp::Ordering;
3 use crate::ffi::c_char;
4 use crate::fmt::{self, Write};
5 use crate::ops;
6 use crate::slice;
7 use crate::slice::memchr;
8 use crate::str;
9
10 /// Representation of a borrowed C string.
11 ///
12 /// This type represents a borrowed reference to a nul-terminated
13 /// array of bytes. It can be constructed safely from a <code>&[[u8]]</code>
14 /// slice, or unsafely from a raw `*const c_char`. It can then be
15 /// converted to a Rust <code>&[str]</code> by performing UTF-8 validation, or
16 /// into an owned `CString`.
17 ///
18 /// `&CStr` is to `CString` as <code>&[str]</code> is to `String`: the former
19 /// in each pair are borrowed references; the latter are owned
20 /// strings.
21 ///
22 /// Note that this structure is **not** `repr(C)` and is not recommended to be
23 /// placed in the signatures of FFI functions. Instead, safe wrappers of FFI
24 /// functions may leverage the unsafe [`CStr::from_ptr`] constructor to provide
25 /// a safe interface to other consumers.
26 ///
27 /// # Examples
28 ///
29 /// Inspecting a foreign C string:
30 ///
31 /// ```ignore (extern-declaration)
32 /// use std::ffi::CStr;
33 /// use std::os::raw::c_char;
34 ///
35 /// extern "C" { fn my_string() -> *const c_char; }
36 ///
37 /// unsafe {
38 ///     let slice = CStr::from_ptr(my_string());
39 ///     println!("string buffer size without nul terminator: {}", slice.to_bytes().len());
40 /// }
41 /// ```
42 ///
43 /// Passing a Rust-originating C string:
44 ///
45 /// ```ignore (extern-declaration)
46 /// use std::ffi::{CString, CStr};
47 /// use std::os::raw::c_char;
48 ///
49 /// fn work(data: &CStr) {
50 ///     extern "C" { fn work_with(data: *const c_char); }
51 ///
52 ///     unsafe { work_with(data.as_ptr()) }
53 /// }
54 ///
55 /// let s = CString::new("data data data data").expect("CString::new failed");
56 /// work(&s);
57 /// ```
58 ///
59 /// Converting a foreign C string into a Rust `String`:
60 ///
61 /// ```ignore (extern-declaration)
62 /// use std::ffi::CStr;
63 /// use std::os::raw::c_char;
64 ///
65 /// extern "C" { fn my_string() -> *const c_char; }
66 ///
67 /// fn my_string_safe() -> String {
68 ///     unsafe {
69 ///         CStr::from_ptr(my_string()).to_string_lossy().into_owned()
70 ///     }
71 /// }
72 ///
73 /// println!("string: {}", my_string_safe());
74 /// ```
75 ///
76 /// [str]: prim@str "str"
77 #[derive(Hash)]
78 #[cfg_attr(not(test), rustc_diagnostic_item = "CStr")]
79 #[stable(feature = "core_c_str", since = "1.64.0")]
80 #[rustc_has_incoherent_inherent_impls]
81 // FIXME:
82 // `fn from` in `impl From<&CStr> for Box<CStr>` current implementation relies
83 // on `CStr` being layout-compatible with `[u8]`.
84 // When attribute privacy is implemented, `CStr` should be annotated as `#[repr(transparent)]`.
85 // Anyway, `CStr` representation and layout are considered implementation detail, are
86 // not documented and must not be relied upon.
87 pub struct CStr {
88     // FIXME: this should not be represented with a DST slice but rather with
89     //        just a raw `c_char` along with some form of marker to make
90     //        this an unsized type. Essentially `sizeof(&CStr)` should be the
91     //        same as `sizeof(&c_char)` but `CStr` should be an unsized type.
92     inner: [c_char],
93 }
94
95 /// An error indicating that a nul byte was not in the expected position.
96 ///
97 /// The slice used to create a [`CStr`] must have one and only one nul byte,
98 /// positioned at the end.
99 ///
100 /// This error is created by the [`CStr::from_bytes_with_nul`] method.
101 /// See its documentation for more.
102 ///
103 /// # Examples
104 ///
105 /// ```
106 /// use std::ffi::{CStr, FromBytesWithNulError};
107 ///
108 /// let _: FromBytesWithNulError = CStr::from_bytes_with_nul(b"f\0oo").unwrap_err();
109 /// ```
110 #[derive(Clone, PartialEq, Eq, Debug)]
111 #[stable(feature = "core_c_str", since = "1.64.0")]
112 pub struct FromBytesWithNulError {
113     kind: FromBytesWithNulErrorKind,
114 }
115
116 #[derive(Clone, PartialEq, Eq, Debug)]
117 enum FromBytesWithNulErrorKind {
118     InteriorNul(usize),
119     NotNulTerminated,
120 }
121
122 impl FromBytesWithNulError {
123     fn interior_nul(pos: usize) -> FromBytesWithNulError {
124         FromBytesWithNulError { kind: FromBytesWithNulErrorKind::InteriorNul(pos) }
125     }
126     fn not_nul_terminated() -> FromBytesWithNulError {
127         FromBytesWithNulError { kind: FromBytesWithNulErrorKind::NotNulTerminated }
128     }
129
130     #[doc(hidden)]
131     #[unstable(feature = "cstr_internals", issue = "none")]
132     pub fn __description(&self) -> &str {
133         match self.kind {
134             FromBytesWithNulErrorKind::InteriorNul(..) => {
135                 "data provided contains an interior nul byte"
136             }
137             FromBytesWithNulErrorKind::NotNulTerminated => "data provided is not nul terminated",
138         }
139     }
140 }
141
142 /// An error indicating that no nul byte was present.
143 ///
144 /// A slice used to create a [`CStr`] must contain a nul byte somewhere
145 /// within the slice.
146 ///
147 /// This error is created by the [`CStr::from_bytes_until_nul`] method.
148 ///
149 #[derive(Clone, PartialEq, Eq, Debug)]
150 #[unstable(feature = "cstr_from_bytes_until_nul", issue = "95027")]
151 pub struct FromBytesUntilNulError(());
152
153 #[unstable(feature = "cstr_from_bytes_until_nul", issue = "95027")]
154 impl fmt::Display for FromBytesUntilNulError {
155     fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter<'_>) -> fmt::Result {
156         write!(f, "data provided does not contain a nul")
157     }
158 }
159
160 #[stable(feature = "cstr_debug", since = "1.3.0")]
161 impl fmt::Debug for CStr {
162     fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter<'_>) -> fmt::Result {
163         write!(f, "\"")?;
164         for byte in self.to_bytes().iter().flat_map(|&b| ascii::escape_default(b)) {
165             f.write_char(byte as char)?;
166         }
167         write!(f, "\"")
168     }
169 }
170
171 #[stable(feature = "cstr_default", since = "1.10.0")]
172 impl Default for &CStr {
173     fn default() -> Self {
174         const SLICE: &[c_char] = &[0];
175         // SAFETY: `SLICE` is indeed pointing to a valid nul-terminated string.
176         unsafe { CStr::from_ptr(SLICE.as_ptr()) }
177     }
178 }
179
180 #[stable(feature = "frombyteswithnulerror_impls", since = "1.17.0")]
181 impl fmt::Display for FromBytesWithNulError {
182     #[allow(deprecated, deprecated_in_future)]
183     fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter<'_>) -> fmt::Result {
184         f.write_str(self.__description())?;
185         if let FromBytesWithNulErrorKind::InteriorNul(pos) = self.kind {
186             write!(f, " at byte pos {pos}")?;
187         }
188         Ok(())
189     }
190 }
191
192 impl CStr {
193     /// Wraps a raw C string with a safe C string wrapper.
194     ///
195     /// This function will wrap the provided `ptr` with a `CStr` wrapper, which
196     /// allows inspection and interoperation of non-owned C strings. The total
197     /// size of the raw C string must be smaller than `isize::MAX` **bytes**
198     /// in memory due to calling the `slice::from_raw_parts` function.
199     ///
200     /// # Safety
201     ///
202     /// * The memory pointed to by `ptr` must contain a valid nul terminator at the
203     ///   end of the string.
204     ///
205     /// * `ptr` must be [valid] for reads of bytes up to and including the null terminator.
206     ///   This means in particular:
207     ///
208     ///     * The entire memory range of this `CStr` must be contained within a single allocated object!
209     ///     * `ptr` must be non-null even for a zero-length cstr.
210     ///
211     /// * The memory referenced by the returned `CStr` must not be mutated for
212     ///   the duration of lifetime `'a`.
213     ///
214     /// > **Note**: This operation is intended to be a 0-cost cast but it is
215     /// > currently implemented with an up-front calculation of the length of
216     /// > the string. This is not guaranteed to always be the case.
217     ///
218     /// # Caveat
219     ///
220     /// The lifetime for the returned slice is inferred from its usage. To prevent accidental misuse,
221     /// it's suggested to tie the lifetime to whichever source lifetime is safe in the context,
222     /// such as by providing a helper function taking the lifetime of a host value for the slice,
223     /// or by explicit annotation.
224     ///
225     /// # Examples
226     ///
227     /// ```ignore (extern-declaration)
228     /// # fn main() {
229     /// use std::ffi::CStr;
230     /// use std::os::raw::c_char;
231     ///
232     /// extern "C" {
233     ///     fn my_string() -> *const c_char;
234     /// }
235     ///
236     /// unsafe {
237     ///     let slice = CStr::from_ptr(my_string());
238     ///     println!("string returned: {}", slice.to_str().unwrap());
239     /// }
240     /// # }
241     /// ```
242     ///
243     /// [valid]: core::ptr#safety
244     #[inline]
245     #[must_use]
246     #[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
247     pub unsafe fn from_ptr<'a>(ptr: *const c_char) -> &'a CStr {
248         // SAFETY: The caller has provided a pointer that points to a valid C
249         // string with a NUL terminator of size less than `isize::MAX`, whose
250         // content remain valid and doesn't change for the lifetime of the
251         // returned `CStr`.
252         //
253         // Thus computing the length is fine (a NUL byte exists), the call to
254         // from_raw_parts is safe because we know the length is at most `isize::MAX`, meaning
255         // the call to `from_bytes_with_nul_unchecked` is correct.
256         //
257         // The cast from c_char to u8 is ok because a c_char is always one byte.
258         unsafe {
259             extern "C" {
260                 /// Provided by libc or compiler_builtins.
261                 fn strlen(s: *const c_char) -> usize;
262             }
263             let len = strlen(ptr);
264             let ptr = ptr as *const u8;
265             CStr::from_bytes_with_nul_unchecked(slice::from_raw_parts(ptr, len as usize + 1))
266         }
267     }
268
269     /// Creates a C string wrapper from a byte slice.
270     ///
271     /// This method will create a `CStr` from any byte slice that contains at
272     /// least one nul byte. The caller does not need to know or specify where
273     /// the nul byte is located.
274     ///
275     /// If the first byte is a nul character, this method will return an
276     /// empty `CStr`. If multiple nul characters are present, the `CStr` will
277     /// end at the first one.
278     ///
279     /// If the slice only has a single nul byte at the end, this method is
280     /// equivalent to [`CStr::from_bytes_with_nul`].
281     ///
282     /// # Examples
283     /// ```
284     /// #![feature(cstr_from_bytes_until_nul)]
285     ///
286     /// use std::ffi::CStr;
287     ///
288     /// let mut buffer = [0u8; 16];
289     /// unsafe {
290     ///     // Here we might call an unsafe C function that writes a string
291     ///     // into the buffer.
292     ///     let buf_ptr = buffer.as_mut_ptr();
293     ///     buf_ptr.write_bytes(b'A', 8);
294     /// }
295     /// // Attempt to extract a C nul-terminated string from the buffer.
296     /// let c_str = CStr::from_bytes_until_nul(&buffer[..]).unwrap();
297     /// assert_eq!(c_str.to_str().unwrap(), "AAAAAAAA");
298     /// ```
299     ///
300     #[unstable(feature = "cstr_from_bytes_until_nul", issue = "95027")]
301     pub fn from_bytes_until_nul(bytes: &[u8]) -> Result<&CStr, FromBytesUntilNulError> {
302         let nul_pos = memchr::memchr(0, bytes);
303         match nul_pos {
304             Some(nul_pos) => {
305                 let subslice = &bytes[..nul_pos + 1];
306                 // SAFETY: We know there is a nul byte at nul_pos, so this slice
307                 // (ending at the nul byte) is a well-formed C string.
308                 Ok(unsafe { CStr::from_bytes_with_nul_unchecked(subslice) })
309             }
310             None => Err(FromBytesUntilNulError(())),
311         }
312     }
313
314     /// Creates a C string wrapper from a byte slice.
315     ///
316     /// This function will cast the provided `bytes` to a `CStr`
317     /// wrapper after ensuring that the byte slice is nul-terminated
318     /// and does not contain any interior nul bytes.
319     ///
320     /// If the nul byte may not be at the end,
321     /// [`CStr::from_bytes_until_nul`] can be used instead.
322     ///
323     /// # Examples
324     ///
325     /// ```
326     /// use std::ffi::CStr;
327     ///
328     /// let cstr = CStr::from_bytes_with_nul(b"hello\0");
329     /// assert!(cstr.is_ok());
330     /// ```
331     ///
332     /// Creating a `CStr` without a trailing nul terminator is an error:
333     ///
334     /// ```
335     /// use std::ffi::CStr;
336     ///
337     /// let cstr = CStr::from_bytes_with_nul(b"hello");
338     /// assert!(cstr.is_err());
339     /// ```
340     ///
341     /// Creating a `CStr` with an interior nul byte is an error:
342     ///
343     /// ```
344     /// use std::ffi::CStr;
345     ///
346     /// let cstr = CStr::from_bytes_with_nul(b"he\0llo\0");
347     /// assert!(cstr.is_err());
348     /// ```
349     #[stable(feature = "cstr_from_bytes", since = "1.10.0")]
350     pub fn from_bytes_with_nul(bytes: &[u8]) -> Result<&Self, FromBytesWithNulError> {
351         let nul_pos = memchr::memchr(0, bytes);
352         match nul_pos {
353             Some(nul_pos) if nul_pos + 1 == bytes.len() => {
354                 // SAFETY: We know there is only one nul byte, at the end
355                 // of the byte slice.
356                 Ok(unsafe { Self::from_bytes_with_nul_unchecked(bytes) })
357             }
358             Some(nul_pos) => Err(FromBytesWithNulError::interior_nul(nul_pos)),
359             None => Err(FromBytesWithNulError::not_nul_terminated()),
360         }
361     }
362
363     /// Unsafely creates a C string wrapper from a byte slice.
364     ///
365     /// This function will cast the provided `bytes` to a `CStr` wrapper without
366     /// performing any sanity checks.
367     ///
368     /// # Safety
369     /// The provided slice **must** be nul-terminated and not contain any interior
370     /// nul bytes.
371     ///
372     /// # Examples
373     ///
374     /// ```
375     /// use std::ffi::{CStr, CString};
376     ///
377     /// unsafe {
378     ///     let cstring = CString::new("hello").expect("CString::new failed");
379     ///     let cstr = CStr::from_bytes_with_nul_unchecked(cstring.to_bytes_with_nul());
380     ///     assert_eq!(cstr, &*cstring);
381     /// }
382     /// ```
383     #[inline]
384     #[must_use]
385     #[stable(feature = "cstr_from_bytes", since = "1.10.0")]
386     #[rustc_const_stable(feature = "const_cstr_unchecked", since = "1.59.0")]
387     pub const unsafe fn from_bytes_with_nul_unchecked(bytes: &[u8]) -> &CStr {
388         // We're in a const fn, so this is the best we can do
389         debug_assert!(!bytes.is_empty() && bytes[bytes.len() - 1] == 0);
390         // SAFETY: Calling an inner function with the same prerequisites.
391         unsafe { Self::_from_bytes_with_nul_unchecked(bytes) }
392     }
393
394     #[inline]
395     const unsafe fn _from_bytes_with_nul_unchecked(bytes: &[u8]) -> &CStr {
396         // SAFETY: Casting to CStr is safe because its internal representation
397         // is a [u8] too (safe only inside std).
398         // Dereferencing the obtained pointer is safe because it comes from a
399         // reference. Making a reference is then safe because its lifetime
400         // is bound by the lifetime of the given `bytes`.
401         unsafe { &*(bytes as *const [u8] as *const CStr) }
402     }
403
404     /// Returns the inner pointer to this C string.
405     ///
406     /// The returned pointer will be valid for as long as `self` is, and points
407     /// to a contiguous region of memory terminated with a 0 byte to represent
408     /// the end of the string.
409     ///
410     /// **WARNING**
411     ///
412     /// The returned pointer is read-only; writing to it (including passing it
413     /// to C code that writes to it) causes undefined behavior.
414     ///
415     /// It is your responsibility to make sure that the underlying memory is not
416     /// freed too early. For example, the following code will cause undefined
417     /// behavior when `ptr` is used inside the `unsafe` block:
418     ///
419     /// ```no_run
420     /// # #![allow(unused_must_use)] #![allow(temporary_cstring_as_ptr)]
421     /// use std::ffi::CString;
422     ///
423     /// let ptr = CString::new("Hello").expect("CString::new failed").as_ptr();
424     /// unsafe {
425     ///     // `ptr` is dangling
426     ///     *ptr;
427     /// }
428     /// ```
429     ///
430     /// This happens because the pointer returned by `as_ptr` does not carry any
431     /// lifetime information and the `CString` is deallocated immediately after
432     /// the `CString::new("Hello").expect("CString::new failed").as_ptr()`
433     /// expression is evaluated.
434     /// To fix the problem, bind the `CString` to a local variable:
435     ///
436     /// ```no_run
437     /// # #![allow(unused_must_use)]
438     /// use std::ffi::CString;
439     ///
440     /// let hello = CString::new("Hello").expect("CString::new failed");
441     /// let ptr = hello.as_ptr();
442     /// unsafe {
443     ///     // `ptr` is valid because `hello` is in scope
444     ///     *ptr;
445     /// }
446     /// ```
447     ///
448     /// This way, the lifetime of the `CString` in `hello` encompasses
449     /// the lifetime of `ptr` and the `unsafe` block.
450     #[inline]
451     #[must_use]
452     #[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
453     #[rustc_const_stable(feature = "const_str_as_ptr", since = "1.32.0")]
454     pub const fn as_ptr(&self) -> *const c_char {
455         self.inner.as_ptr()
456     }
457
458     /// Converts this C string to a byte slice.
459     ///
460     /// The returned slice will **not** contain the trailing nul terminator that this C
461     /// string has.
462     ///
463     /// > **Note**: This method is currently implemented as a constant-time
464     /// > cast, but it is planned to alter its definition in the future to
465     /// > perform the length calculation whenever this method is called.
466     ///
467     /// # Examples
468     ///
469     /// ```
470     /// use std::ffi::CStr;
471     ///
472     /// let cstr = CStr::from_bytes_with_nul(b"foo\0").expect("CStr::from_bytes_with_nul failed");
473     /// assert_eq!(cstr.to_bytes(), b"foo");
474     /// ```
475     #[inline]
476     #[must_use = "this returns the result of the operation, \
477                   without modifying the original"]
478     #[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
479     pub fn to_bytes(&self) -> &[u8] {
480         let bytes = self.to_bytes_with_nul();
481         // SAFETY: to_bytes_with_nul returns slice with length at least 1
482         unsafe { bytes.get_unchecked(..bytes.len() - 1) }
483     }
484
485     /// Converts this C string to a byte slice containing the trailing 0 byte.
486     ///
487     /// This function is the equivalent of [`CStr::to_bytes`] except that it
488     /// will retain the trailing nul terminator instead of chopping it off.
489     ///
490     /// > **Note**: This method is currently implemented as a 0-cost cast, but
491     /// > it is planned to alter its definition in the future to perform the
492     /// > length calculation whenever this method is called.
493     ///
494     /// # Examples
495     ///
496     /// ```
497     /// use std::ffi::CStr;
498     ///
499     /// let cstr = CStr::from_bytes_with_nul(b"foo\0").expect("CStr::from_bytes_with_nul failed");
500     /// assert_eq!(cstr.to_bytes_with_nul(), b"foo\0");
501     /// ```
502     #[inline]
503     #[must_use = "this returns the result of the operation, \
504                   without modifying the original"]
505     #[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
506     pub fn to_bytes_with_nul(&self) -> &[u8] {
507         // SAFETY: Transmuting a slice of `c_char`s to a slice of `u8`s
508         // is safe on all supported targets.
509         unsafe { &*(&self.inner as *const [c_char] as *const [u8]) }
510     }
511
512     /// Yields a <code>&[str]</code> slice if the `CStr` contains valid UTF-8.
513     ///
514     /// If the contents of the `CStr` are valid UTF-8 data, this
515     /// function will return the corresponding <code>&[str]</code> slice. Otherwise,
516     /// it will return an error with details of where UTF-8 validation failed.
517     ///
518     /// [str]: prim@str "str"
519     ///
520     /// # Examples
521     ///
522     /// ```
523     /// use std::ffi::CStr;
524     ///
525     /// let cstr = CStr::from_bytes_with_nul(b"foo\0").expect("CStr::from_bytes_with_nul failed");
526     /// assert_eq!(cstr.to_str(), Ok("foo"));
527     /// ```
528     #[stable(feature = "cstr_to_str", since = "1.4.0")]
529     pub fn to_str(&self) -> Result<&str, str::Utf8Error> {
530         // N.B., when `CStr` is changed to perform the length check in `.to_bytes()`
531         // instead of in `from_ptr()`, it may be worth considering if this should
532         // be rewritten to do the UTF-8 check inline with the length calculation
533         // instead of doing it afterwards.
534         str::from_utf8(self.to_bytes())
535     }
536 }
537
538 #[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
539 impl PartialEq for CStr {
540     fn eq(&self, other: &CStr) -> bool {
541         self.to_bytes().eq(other.to_bytes())
542     }
543 }
544 #[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
545 impl Eq for CStr {}
546 #[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
547 impl PartialOrd for CStr {
548     fn partial_cmp(&self, other: &CStr) -> Option<Ordering> {
549         self.to_bytes().partial_cmp(&other.to_bytes())
550     }
551 }
552 #[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
553 impl Ord for CStr {
554     fn cmp(&self, other: &CStr) -> Ordering {
555         self.to_bytes().cmp(&other.to_bytes())
556     }
557 }
558
559 #[stable(feature = "cstr_range_from", since = "1.47.0")]
560 impl ops::Index<ops::RangeFrom<usize>> for CStr {
561     type Output = CStr;
562
563     fn index(&self, index: ops::RangeFrom<usize>) -> &CStr {
564         let bytes = self.to_bytes_with_nul();
565         // we need to manually check the starting index to account for the null
566         // byte, since otherwise we could get an empty string that doesn't end
567         // in a null.
568         if index.start < bytes.len() {
569             // SAFETY: Non-empty tail of a valid `CStr` is still a valid `CStr`.
570             unsafe { CStr::from_bytes_with_nul_unchecked(&bytes[index.start..]) }
571         } else {
572             panic!(
573                 "index out of bounds: the len is {} but the index is {}",
574                 bytes.len(),
575                 index.start
576             );
577         }
578     }
579 }
580
581 #[stable(feature = "cstring_asref", since = "1.7.0")]
582 impl AsRef<CStr> for CStr {
583     #[inline]
584     fn as_ref(&self) -> &CStr {
585         self
586     }
587 }