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Auto merge of #89404 - Kobzol:hash-stable-sort, r=Mark-Simulacrum
[rust.git] / library / core / src / pin.rs
1 //! Types that pin data to its location in memory.
2 //!
3 //! It is sometimes useful to have objects that are guaranteed not to move,
4 //! in the sense that their placement in memory does not change, and can thus be relied upon.
5 //! A prime example of such a scenario would be building self-referential structs,
6 //! as moving an object with pointers to itself will invalidate them, which could cause undefined
7 //! behavior.
8 //!
9 //! At a high level, a <code>[Pin]\<P></code> ensures that the pointee of any pointer type
10 //! `P` has a stable location in memory, meaning it cannot be moved elsewhere
11 //! and its memory cannot be deallocated until it gets dropped. We say that the
12 //! pointee is "pinned". Things get more subtle when discussing types that
13 //! combine pinned with non-pinned data; [see below](#projections-and-structural-pinning)
14 //! for more details.
15 //!
16 //! By default, all types in Rust are movable. Rust allows passing all types by-value,
17 //! and common smart-pointer types such as <code>[Box]\<T></code> and <code>[&mut] T</code> allow
18 //! replacing and moving the values they contain: you can move out of a <code>[Box]\<T></code>,
19 //! or you can use [`mem::swap`]. <code>[Pin]\<P></code> wraps a pointer type `P`, so
20 //! <code>[Pin]<[Box]\<T>></code> functions much like a regular <code>[Box]\<T></code>:
21 //! when a <code>[Pin]<[Box]\<T>></code> gets dropped, so do its contents, and the memory gets
22 //! deallocated. Similarly, <code>[Pin]<[&mut] T></code> is a lot like <code>[&mut] T</code>.
23 //! However, <code>[Pin]\<P></code> does not let clients actually obtain a <code>[Box]\<T></code>
24 //! or <code>[&mut] T</code> to pinned data, which implies that you cannot use operations such
25 //! as [`mem::swap`]:
26 //!
27 //! ```
28 //! use std::pin::Pin;
29 //! fn swap_pins<T>(x: Pin<&mut T>, y: Pin<&mut T>) {
30 //!     // `mem::swap` needs `&mut T`, but we cannot get it.
31 //!     // We are stuck, we cannot swap the contents of these references.
32 //!     // We could use `Pin::get_unchecked_mut`, but that is unsafe for a reason:
33 //!     // we are not allowed to use it for moving things out of the `Pin`.
34 //! }
35 //! ```
36 //!
37 //! It is worth reiterating that <code>[Pin]\<P></code> does *not* change the fact that a Rust
38 //! compiler considers all types movable. [`mem::swap`] remains callable for any `T`. Instead,
39 //! <code>[Pin]\<P></code> prevents certain *values* (pointed to by pointers wrapped in
40 //! <code>[Pin]\<P></code>) from being moved by making it impossible to call methods that require
41 //! <code>[&mut] T</code> on them (like [`mem::swap`]).
42 //!
43 //! <code>[Pin]\<P></code> can be used to wrap any pointer type `P`, and as such it interacts with
44 //! [`Deref`] and [`DerefMut`]. A <code>[Pin]\<P></code> where <code>P: [Deref]</code> should be
45 //! considered as a "`P`-style pointer" to a pinned <code>P::[Target]</code> – so, a
46 //! <code>[Pin]<[Box]\<T>></code> is an owned pointer to a pinned `T`, and a
47 //! <code>[Pin]<[Rc]\<T>></code> is a reference-counted pointer to a pinned `T`.
48 //! For correctness, <code>[Pin]\<P></code> relies on the implementations of [`Deref`] and
49 //! [`DerefMut`] not to move out of their `self` parameter, and only ever to
50 //! return a pointer to pinned data when they are called on a pinned pointer.
51 //!
52 //! # `Unpin`
53 //!
54 //! Many types are always freely movable, even when pinned, because they do not
55 //! rely on having a stable address. This includes all the basic types (like
56 //! [`bool`], [`i32`], and references) as well as types consisting solely of these
57 //! types. Types that do not care about pinning implement the [`Unpin`]
58 //! auto-trait, which cancels the effect of <code>[Pin]\<P></code>. For <code>T: [Unpin]</code>,
59 //! <code>[Pin]<[Box]\<T>></code> and <code>[Box]\<T></code> function identically, as do
60 //! <code>[Pin]<[&mut] T></code> and <code>[&mut] T</code>.
61 //!
62 //! Note that pinning and [`Unpin`] only affect the pointed-to type <code>P::[Target]</code>,
63 //! not the pointer type `P` itself that got wrapped in <code>[Pin]\<P></code>. For example,
64 //! whether or not <code>[Box]\<T></code> is [`Unpin`] has no effect on the behavior of
65 //! <code>[Pin]<[Box]\<T>></code> (here, `T` is the pointed-to type).
66 //!
67 //! # Example: self-referential struct
68 //!
69 //! Before we go into more details to explain the guarantees and choices
70 //! associated with <code>[Pin]\<P></code>, we discuss some examples for how it might be used.
71 //! Feel free to [skip to where the theoretical discussion continues](#drop-guarantee).
72 //!
73 //! ```rust
74 //! use std::pin::Pin;
75 //! use std::marker::PhantomPinned;
76 //! use std::ptr::NonNull;
77 //!
78 //! // This is a self-referential struct because the slice field points to the data field.
79 //! // We cannot inform the compiler about that with a normal reference,
80 //! // as this pattern cannot be described with the usual borrowing rules.
81 //! // Instead we use a raw pointer, though one which is known not to be null,
82 //! // as we know it's pointing at the string.
83 //! struct Unmovable {
84 //!     data: String,
85 //!     slice: NonNull<String>,
86 //!     _pin: PhantomPinned,
87 //! }
88 //!
89 //! impl Unmovable {
90 //!     // To ensure the data doesn't move when the function returns,
91 //!     // we place it in the heap where it will stay for the lifetime of the object,
92 //!     // and the only way to access it would be through a pointer to it.
93 //!     fn new(data: String) -> Pin<Box<Self>> {
94 //!         let res = Unmovable {
95 //!             data,
96 //!             // we only create the pointer once the data is in place
97 //!             // otherwise it will have already moved before we even started
98 //!             slice: NonNull::dangling(),
99 //!             _pin: PhantomPinned,
100 //!         };
101 //!         let mut boxed = Box::pin(res);
102 //!
103 //!         let slice = NonNull::from(&boxed.data);
104 //!         // we know this is safe because modifying a field doesn't move the whole struct
105 //!         unsafe {
106 //!             let mut_ref: Pin<&mut Self> = Pin::as_mut(&mut boxed);
107 //!             Pin::get_unchecked_mut(mut_ref).slice = slice;
108 //!         }
109 //!         boxed
110 //!     }
111 //! }
112 //!
113 //! let unmoved = Unmovable::new("hello".to_string());
114 //! // The pointer should point to the correct location,
115 //! // so long as the struct hasn't moved.
116 //! // Meanwhile, we are free to move the pointer around.
117 //! # #[allow(unused_mut)]
118 //! let mut still_unmoved = unmoved;
119 //! assert_eq!(still_unmoved.slice, NonNull::from(&still_unmoved.data));
120 //!
121 //! // Since our type doesn't implement Unpin, this will fail to compile:
122 //! // let mut new_unmoved = Unmovable::new("world".to_string());
123 //! // std::mem::swap(&mut *still_unmoved, &mut *new_unmoved);
124 //! ```
125 //!
126 //! # Example: intrusive doubly-linked list
127 //!
128 //! In an intrusive doubly-linked list, the collection does not actually allocate
129 //! the memory for the elements itself. Allocation is controlled by the clients,
130 //! and elements can live on a stack frame that lives shorter than the collection does.
131 //!
132 //! To make this work, every element has pointers to its predecessor and successor in
133 //! the list. Elements can only be added when they are pinned, because moving the elements
134 //! around would invalidate the pointers. Moreover, the [`Drop`][Drop] implementation of a linked
135 //! list element will patch the pointers of its predecessor and successor to remove itself
136 //! from the list.
137 //!
138 //! Crucially, we have to be able to rely on [`drop`] being called. If an element
139 //! could be deallocated or otherwise invalidated without calling [`drop`], the pointers into it
140 //! from its neighboring elements would become invalid, which would break the data structure.
141 //!
142 //! Therefore, pinning also comes with a [`drop`]-related guarantee.
143 //!
144 //! # `Drop` guarantee
145 //!
146 //! The purpose of pinning is to be able to rely on the placement of some data in memory.
147 //! To make this work, not just moving the data is restricted; deallocating, repurposing, or
148 //! otherwise invalidating the memory used to store the data is restricted, too.
149 //! Concretely, for pinned data you have to maintain the invariant
150 //! that *its memory will not get invalidated or repurposed from the moment it gets pinned until
151 //! when [`drop`] is called*.  Only once [`drop`] returns or panics, the memory may be reused.
152 //!
153 //! Memory can be "invalidated" by deallocation, but also by
154 //! replacing a <code>[Some]\(v)</code> by [`None`], or calling [`Vec::set_len`] to "kill" some
155 //! elements off of a vector. It can be repurposed by using [`ptr::write`] to overwrite it without
156 //! calling the destructor first. None of this is allowed for pinned data without calling [`drop`].
157 //!
158 //! This is exactly the kind of guarantee that the intrusive linked list from the previous
159 //! section needs to function correctly.
160 //!
161 //! Notice that this guarantee does *not* mean that memory does not leak! It is still
162 //! completely okay to not ever call [`drop`] on a pinned element (e.g., you can still
163 //! call [`mem::forget`] on a <code>[Pin]<[Box]\<T>></code>). In the example of the doubly-linked
164 //! list, that element would just stay in the list. However you must not free or reuse the storage
165 //! *without calling [`drop`]*.
166 //!
167 //! # `Drop` implementation
168 //!
169 //! If your type uses pinning (such as the two examples above), you have to be careful
170 //! when implementing [`Drop`][Drop]. The [`drop`] function takes <code>[&mut] self</code>, but this
171 //! is called *even if your type was previously pinned*! It is as if the
172 //! compiler automatically called [`Pin::get_unchecked_mut`].
173 //!
174 //! This can never cause a problem in safe code because implementing a type that
175 //! relies on pinning requires unsafe code, but be aware that deciding to make
176 //! use of pinning in your type (for example by implementing some operation on
177 //! <code>[Pin]<[&]Self></code> or <code>[Pin]<[&mut] Self></code>) has consequences for your
178 //! [`Drop`][Drop]implementation as well: if an element of your type could have been pinned,
179 //! you must treat [`Drop`][Drop] as implicitly taking <code>[Pin]<[&mut] Self></code>.
180 //!
181 //! For example, you could implement [`Drop`][Drop] as follows:
182 //!
183 //! ```rust,no_run
184 //! # use std::pin::Pin;
185 //! # struct Type { }
186 //! impl Drop for Type {
187 //!     fn drop(&mut self) {
188 //!         // `new_unchecked` is okay because we know this value is never used
189 //!         // again after being dropped.
190 //!         inner_drop(unsafe { Pin::new_unchecked(self)});
191 //!         fn inner_drop(this: Pin<&mut Type>) {
192 //!             // Actual drop code goes here.
193 //!         }
194 //!     }
195 //! }
196 //! ```
197 //!
198 //! The function `inner_drop` has the type that [`drop`] *should* have, so this makes sure that
199 //! you do not accidentally use `self`/`this` in a way that is in conflict with pinning.
200 //!
201 //! Moreover, if your type is `#[repr(packed)]`, the compiler will automatically
202 //! move fields around to be able to drop them. It might even do
203 //! that for fields that happen to be sufficiently aligned. As a consequence, you cannot use
204 //! pinning with a `#[repr(packed)]` type.
205 //!
206 //! # Projections and Structural Pinning
207 //!
208 //! When working with pinned structs, the question arises how one can access the
209 //! fields of that struct in a method that takes just <code>[Pin]<[&mut] Struct></code>.
210 //! The usual approach is to write helper methods (so called *projections*)
211 //! that turn <code>[Pin]<[&mut] Struct></code> into a reference to the field, but what type should
212 //! that reference have? Is it <code>[Pin]<[&mut] Field></code> or <code>[&mut] Field</code>?
213 //! The same question arises with the fields of an `enum`, and also when considering
214 //! container/wrapper types such as <code>[Vec]\<T></code>, <code>[Box]\<T></code>,
215 //! or <code>[RefCell]\<T></code>. (This question applies to both mutable and shared references,
216 //! we just use the more common case of mutable references here for illustration.)
217 //!
218 //! It turns out that it is actually up to the author of the data structure to decide whether
219 //! the pinned projection for a particular field turns <code>[Pin]<[&mut] Struct></code>
220 //! into <code>[Pin]<[&mut] Field></code> or <code>[&mut] Field</code>. There are some
221 //! constraints though, and the most important constraint is *consistency*:
222 //! every field can be *either* projected to a pinned reference, *or* have
223 //! pinning removed as part of the projection. If both are done for the same field,
224 //! that will likely be unsound!
225 //!
226 //! As the author of a data structure you get to decide for each field whether pinning
227 //! "propagates" to this field or not. Pinning that propagates is also called "structural",
228 //! because it follows the structure of the type.
229 //! In the following subsections, we describe the considerations that have to be made
230 //! for either choice.
231 //!
232 //! ## Pinning *is not* structural for `field`
233 //!
234 //! It may seem counter-intuitive that the field of a pinned struct might not be pinned,
235 //! but that is actually the easiest choice: if a <code>[Pin]<[&mut] Field></code> is never created,
236 //! nothing can go wrong! So, if you decide that some field does not have structural pinning,
237 //! all you have to ensure is that you never create a pinned reference to that field.
238 //!
239 //! Fields without structural pinning may have a projection method that turns
240 //! <code>[Pin]<[&mut] Struct></code> into <code>[&mut] Field</code>:
241 //!
242 //! ```rust,no_run
243 //! # use std::pin::Pin;
244 //! # type Field = i32;
245 //! # struct Struct { field: Field }
246 //! impl Struct {
247 //!     fn pin_get_field(self: Pin<&mut Self>) -> &mut Field {
248 //!         // This is okay because `field` is never considered pinned.
249 //!         unsafe { &mut self.get_unchecked_mut().field }
250 //!     }
251 //! }
252 //! ```
253 //!
254 //! You may also <code>impl [Unpin] for Struct</code> *even if* the type of `field`
255 //! is not [`Unpin`]. What that type thinks about pinning is not relevant
256 //! when no <code>[Pin]<[&mut] Field></code> is ever created.
257 //!
258 //! ## Pinning *is* structural for `field`
259 //!
260 //! The other option is to decide that pinning is "structural" for `field`,
261 //! meaning that if the struct is pinned then so is the field.
262 //!
263 //! This allows writing a projection that creates a <code>[Pin]<[&mut] Field></code>, thus
264 //! witnessing that the field is pinned:
265 //!
266 //! ```rust,no_run
267 //! # use std::pin::Pin;
268 //! # type Field = i32;
269 //! # struct Struct { field: Field }
270 //! impl Struct {
271 //!     fn pin_get_field(self: Pin<&mut Self>) -> Pin<&mut Field> {
272 //!         // This is okay because `field` is pinned when `self` is.
273 //!         unsafe { self.map_unchecked_mut(|s| &mut s.field) }
274 //!     }
275 //! }
276 //! ```
277 //!
278 //! However, structural pinning comes with a few extra requirements:
279 //!
280 //! 1.  The struct must only be [`Unpin`] if all the structural fields are
281 //!     [`Unpin`]. This is the default, but [`Unpin`] is a safe trait, so as the author of
282 //!     the struct it is your responsibility *not* to add something like
283 //!     <code>impl\<T> [Unpin] for Struct\<T></code>. (Notice that adding a projection operation
284 //!     requires unsafe code, so the fact that [`Unpin`] is a safe trait does not break
285 //!     the principle that you only have to worry about any of this if you use [`unsafe`].)
286 //! 2.  The destructor of the struct must not move structural fields out of its argument. This
287 //!     is the exact point that was raised in the [previous section][drop-impl]: [`drop`] takes
288 //!     <code>[&mut] self</code>, but the struct (and hence its fields) might have been pinned
289 //!     before. You have to guarantee that you do not move a field inside your [`Drop`][Drop]
290 //!     implementation. In particular, as explained previously, this means that your struct
291 //!     must *not* be `#[repr(packed)]`.
292 //!     See that section for how to write [`drop`] in a way that the compiler can help you
293 //!     not accidentally break pinning.
294 //! 3.  You must make sure that you uphold the [`Drop` guarantee][drop-guarantee]:
295 //!     once your struct is pinned, the memory that contains the
296 //!     content is not overwritten or deallocated without calling the content's destructors.
297 //!     This can be tricky, as witnessed by <code>[VecDeque]\<T></code>: the destructor of
298 //!     <code>[VecDeque]\<T></code> can fail to call [`drop`] on all elements if one of the
299 //!     destructors panics. This violates the [`Drop`][Drop] guarantee, because it can lead to
300 //!     elements being deallocated without their destructor being called.
301 //!     (<code>[VecDeque]\<T></code> has no pinning projections, so this
302 //!     does not cause unsoundness.)
303 //! 4.  You must not offer any other operations that could lead to data being moved out of
304 //!     the structural fields when your type is pinned. For example, if the struct contains an
305 //!     <code>[Option]\<T></code> and there is a [`take`][Option::take]-like operation with type
306 //!     <code>fn([Pin]<[&mut] Struct\<T>>) -> [Option]\<T></code>,
307 //!     that operation can be used to move a `T` out of a pinned `Struct<T>` – which means
308 //!     pinning cannot be structural for the field holding this data.
309 //!
310 //!     For a more complex example of moving data out of a pinned type,
311 //!     imagine if <code>[RefCell]\<T></code> had a method
312 //!     <code>fn get_pin_mut(self: [Pin]<[&mut] Self>) -> [Pin]<[&mut] T></code>.
313 //!     Then we could do the following:
314 //!     ```compile_fail
315 //!     fn exploit_ref_cell<T>(rc: Pin<&mut RefCell<T>>) {
316 //!         { let p = rc.as_mut().get_pin_mut(); } // Here we get pinned access to the `T`.
317 //!         let rc_shr: &RefCell<T> = rc.into_ref().get_ref();
318 //!         let b = rc_shr.borrow_mut();
319 //!         let content = &mut *b; // And here we have `&mut T` to the same data.
320 //!     }
321 //!     ```
322 //!     This is catastrophic, it means we can first pin the content of the
323 //!     <code>[RefCell]\<T></code> (using <code>[RefCell]::get_pin_mut</code>) and then move that
324 //!     content using the mutable reference we got later.
325 //!
326 //! ## Examples
327 //!
328 //! For a type like <code>[Vec]\<T></code>, both possibilities (structural pinning or not) make
329 //! sense. A <code>[Vec]\<T></code> with structural pinning could have `get_pin`/`get_pin_mut`
330 //! methods to get pinned references to elements. However, it could *not* allow calling
331 //! [`pop`][Vec::pop] on a pinned <code>[Vec]\<T></code> because that would move the (structurally
332 //! pinned) contents! Nor could it allow [`push`][Vec::push], which might reallocate and thus also
333 //! move the contents.
334 //!
335 //! A <code>[Vec]\<T></code> without structural pinning could
336 //! <code>impl\<T> [Unpin] for [Vec]\<T></code>, because the contents are never pinned
337 //! and the <code>[Vec]\<T></code> itself is fine with being moved as well.
338 //! At that point pinning just has no effect on the vector at all.
339 //!
340 //! In the standard library, pointer types generally do not have structural pinning,
341 //! and thus they do not offer pinning projections. This is why <code>[Box]\<T>: [Unpin]</code>
342 //! holds for all `T`. It makes sense to do this for pointer types, because moving the
343 //! <code>[Box]\<T></code> does not actually move the `T`: the <code>[Box]\<T></code> can be freely
344 //! movable (aka [`Unpin`]) even if the `T` is not. In fact, even <code>[Pin]<[Box]\<T>></code> and
345 //! <code>[Pin]<[&mut] T></code> are always [`Unpin`] themselves, for the same reason:
346 //! their contents (the `T`) are pinned, but the pointers themselves can be moved without moving
347 //! the pinned data. For both <code>[Box]\<T></code> and <code>[Pin]<[Box]\<T>></code>,
348 //! whether the content is pinned is entirely independent of whether the
349 //! pointer is pinned, meaning pinning is *not* structural.
350 //!
351 //! When implementing a [`Future`] combinator, you will usually need structural pinning
352 //! for the nested futures, as you need to get pinned references to them to call [`poll`].
353 //! But if your combinator contains any other data that does not need to be pinned,
354 //! you can make those fields not structural and hence freely access them with a
355 //! mutable reference even when you just have <code>[Pin]<[&mut] Self></code> (such as in your own
356 //! [`poll`] implementation).
357 //!
358 //! [Deref]: crate::ops::Deref "ops::Deref"
359 //! [`Deref`]: crate::ops::Deref "ops::Deref"
360 //! [Target]: crate::ops::Deref::Target "ops::Deref::Target"
361 //! [`DerefMut`]: crate::ops::DerefMut "ops::DerefMut"
362 //! [`mem::swap`]: crate::mem::swap "mem::swap"
363 //! [`mem::forget`]: crate::mem::forget "mem::forget"
364 //! [Vec]: ../../std/vec/struct.Vec.html "Vec"
365 //! [`Vec::set_len`]: ../../std/vec/struct.Vec.html#method.set_len "Vec::set_len"
366 //! [Box]: ../../std/boxed/struct.Box.html "Box"
367 //! [Vec::pop]: ../../std/vec/struct.Vec.html#method.pop "Vec::pop"
368 //! [Vec::push]: ../../std/vec/struct.Vec.html#method.push "Vec::push"
369 //! [Rc]: ../../std/rc/struct.Rc.html "rc::Rc"
370 //! [RefCell]: crate::cell::RefCell "cell::RefCell"
371 //! [`drop`]: Drop::drop
372 //! [VecDeque]: ../../std/collections/struct.VecDeque.html "collections::VecDeque"
373 //! [`ptr::write`]: crate::ptr::write "ptr::write"
374 //! [`Future`]: crate::future::Future "future::Future"
375 //! [drop-impl]: #drop-implementation
376 //! [drop-guarantee]: #drop-guarantee
377 //! [`poll`]: crate::future::Future::poll "future::Future::poll"
378 //! [&]: reference "shared reference"
379 //! [&mut]: reference "mutable reference"
380 //! [`unsafe`]: ../../std/keyword.unsafe.html "keyword unsafe"
381
382 #![stable(feature = "pin", since = "1.33.0")]
383
384 use crate::cmp::{self, PartialEq, PartialOrd};
385 use crate::fmt;
386 use crate::hash::{Hash, Hasher};
387 use crate::marker::{Sized, Unpin};
388 use crate::ops::{CoerceUnsized, Deref, DerefMut, DispatchFromDyn, Receiver};
389
390 /// A pinned pointer.
391 ///
392 /// This is a wrapper around a kind of pointer which makes that pointer "pin" its
393 /// value in place, preventing the value referenced by that pointer from being moved
394 /// unless it implements [`Unpin`].
395 ///
396 /// *See the [`pin` module] documentation for an explanation of pinning.*
397 ///
398 /// [`pin` module]: self
399 //
400 // Note: the `Clone` derive below causes unsoundness as it's possible to implement
401 // `Clone` for mutable references.
402 // See <https://internals.rust-lang.org/t/unsoundness-in-pin/11311> for more details.
403 #[stable(feature = "pin", since = "1.33.0")]
404 #[lang = "pin"]
405 #[fundamental]
406 #[repr(transparent)]
407 #[derive(Copy, Clone)]
408 pub struct Pin<P> {
409     pointer: P,
410 }
411
412 // The following implementations aren't derived in order to avoid soundness
413 // issues. `&self.pointer` should not be accessible to untrusted trait
414 // implementations.
415 //
416 // See <https://internals.rust-lang.org/t/unsoundness-in-pin/11311/73> for more details.
417
418 #[stable(feature = "pin_trait_impls", since = "1.41.0")]
419 impl<P: Deref, Q: Deref> PartialEq<Pin<Q>> for Pin<P>
420 where
421     P::Target: PartialEq<Q::Target>,
422 {
423     fn eq(&self, other: &Pin<Q>) -> bool {
424         P::Target::eq(self, other)
425     }
426
427     fn ne(&self, other: &Pin<Q>) -> bool {
428         P::Target::ne(self, other)
429     }
430 }
431
432 #[stable(feature = "pin_trait_impls", since = "1.41.0")]
433 impl<P: Deref<Target: Eq>> Eq for Pin<P> {}
434
435 #[stable(feature = "pin_trait_impls", since = "1.41.0")]
436 impl<P: Deref, Q: Deref> PartialOrd<Pin<Q>> for Pin<P>
437 where
438     P::Target: PartialOrd<Q::Target>,
439 {
440     fn partial_cmp(&self, other: &Pin<Q>) -> Option<cmp::Ordering> {
441         P::Target::partial_cmp(self, other)
442     }
443
444     fn lt(&self, other: &Pin<Q>) -> bool {
445         P::Target::lt(self, other)
446     }
447
448     fn le(&self, other: &Pin<Q>) -> bool {
449         P::Target::le(self, other)
450     }
451
452     fn gt(&self, other: &Pin<Q>) -> bool {
453         P::Target::gt(self, other)
454     }
455
456     fn ge(&self, other: &Pin<Q>) -> bool {
457         P::Target::ge(self, other)
458     }
459 }
460
461 #[stable(feature = "pin_trait_impls", since = "1.41.0")]
462 impl<P: Deref<Target: Ord>> Ord for Pin<P> {
463     fn cmp(&self, other: &Self) -> cmp::Ordering {
464         P::Target::cmp(self, other)
465     }
466 }
467
468 #[stable(feature = "pin_trait_impls", since = "1.41.0")]
469 impl<P: Deref<Target: Hash>> Hash for Pin<P> {
470     fn hash<H: Hasher>(&self, state: &mut H) {
471         P::Target::hash(self, state);
472     }
473 }
474
475 impl<P: Deref<Target: Unpin>> Pin<P> {
476     /// Construct a new `Pin<P>` around a pointer to some data of a type that
477     /// implements [`Unpin`].
478     ///
479     /// Unlike `Pin::new_unchecked`, this method is safe because the pointer
480     /// `P` dereferences to an [`Unpin`] type, which cancels the pinning guarantees.
481     #[inline(always)]
482     #[rustc_const_unstable(feature = "const_pin", issue = "76654")]
483     #[stable(feature = "pin", since = "1.33.0")]
484     pub const fn new(pointer: P) -> Pin<P> {
485         // SAFETY: the value pointed to is `Unpin`, and so has no requirements
486         // around pinning.
487         unsafe { Pin::new_unchecked(pointer) }
488     }
489
490     /// Unwraps this `Pin<P>` returning the underlying pointer.
491     ///
492     /// This requires that the data inside this `Pin` is [`Unpin`] so that we
493     /// can ignore the pinning invariants when unwrapping it.
494     #[inline(always)]
495     #[rustc_const_unstable(feature = "const_pin", issue = "76654")]
496     #[stable(feature = "pin_into_inner", since = "1.39.0")]
497     pub const fn into_inner(pin: Pin<P>) -> P {
498         pin.pointer
499     }
500 }
501
502 impl<P: Deref> Pin<P> {
503     /// Construct a new `Pin<P>` around a reference to some data of a type that
504     /// may or may not implement `Unpin`.
505     ///
506     /// If `pointer` dereferences to an `Unpin` type, `Pin::new` should be used
507     /// instead.
508     ///
509     /// # Safety
510     ///
511     /// This constructor is unsafe because we cannot guarantee that the data
512     /// pointed to by `pointer` is pinned, meaning that the data will not be moved or
513     /// its storage invalidated until it gets dropped. If the constructed `Pin<P>` does
514     /// not guarantee that the data `P` points to is pinned, that is a violation of
515     /// the API contract and may lead to undefined behavior in later (safe) operations.
516     ///
517     /// By using this method, you are making a promise about the `P::Deref` and
518     /// `P::DerefMut` implementations, if they exist. Most importantly, they
519     /// must not move out of their `self` arguments: `Pin::as_mut` and `Pin::as_ref`
520     /// will call `DerefMut::deref_mut` and `Deref::deref` *on the pinned pointer*
521     /// and expect these methods to uphold the pinning invariants.
522     /// Moreover, by calling this method you promise that the reference `P`
523     /// dereferences to will not be moved out of again; in particular, it
524     /// must not be possible to obtain a `&mut P::Target` and then
525     /// move out of that reference (using, for example [`mem::swap`]).
526     ///
527     /// For example, calling `Pin::new_unchecked` on an `&'a mut T` is unsafe because
528     /// while you are able to pin it for the given lifetime `'a`, you have no control
529     /// over whether it is kept pinned once `'a` ends:
530     /// ```
531     /// use std::mem;
532     /// use std::pin::Pin;
533     ///
534     /// fn move_pinned_ref<T>(mut a: T, mut b: T) {
535     ///     unsafe {
536     ///         let p: Pin<&mut T> = Pin::new_unchecked(&mut a);
537     ///         // This should mean the pointee `a` can never move again.
538     ///     }
539     ///     mem::swap(&mut a, &mut b);
540     ///     // The address of `a` changed to `b`'s stack slot, so `a` got moved even
541     ///     // though we have previously pinned it! We have violated the pinning API contract.
542     /// }
543     /// ```
544     /// A value, once pinned, must remain pinned forever (unless its type implements `Unpin`).
545     ///
546     /// Similarly, calling `Pin::new_unchecked` on an `Rc<T>` is unsafe because there could be
547     /// aliases to the same data that are not subject to the pinning restrictions:
548     /// ```
549     /// use std::rc::Rc;
550     /// use std::pin::Pin;
551     ///
552     /// fn move_pinned_rc<T>(mut x: Rc<T>) {
553     ///     let pinned = unsafe { Pin::new_unchecked(Rc::clone(&x)) };
554     ///     {
555     ///         let p: Pin<&T> = pinned.as_ref();
556     ///         // This should mean the pointee can never move again.
557     ///     }
558     ///     drop(pinned);
559     ///     let content = Rc::get_mut(&mut x).unwrap();
560     ///     // Now, if `x` was the only reference, we have a mutable reference to
561     ///     // data that we pinned above, which we could use to move it as we have
562     ///     // seen in the previous example. We have violated the pinning API contract.
563     ///  }
564     ///  ```
565     ///
566     /// [`mem::swap`]: crate::mem::swap
567     #[lang = "new_unchecked"]
568     #[inline(always)]
569     #[rustc_const_unstable(feature = "const_pin", issue = "76654")]
570     #[stable(feature = "pin", since = "1.33.0")]
571     pub const unsafe fn new_unchecked(pointer: P) -> Pin<P> {
572         Pin { pointer }
573     }
574
575     /// Gets a pinned shared reference from this pinned pointer.
576     ///
577     /// This is a generic method to go from `&Pin<Pointer<T>>` to `Pin<&T>`.
578     /// It is safe because, as part of the contract of `Pin::new_unchecked`,
579     /// the pointee cannot move after `Pin<Pointer<T>>` got created.
580     /// "Malicious" implementations of `Pointer::Deref` are likewise
581     /// ruled out by the contract of `Pin::new_unchecked`.
582     #[stable(feature = "pin", since = "1.33.0")]
583     #[inline(always)]
584     pub fn as_ref(&self) -> Pin<&P::Target> {
585         // SAFETY: see documentation on this function
586         unsafe { Pin::new_unchecked(&*self.pointer) }
587     }
588
589     /// Unwraps this `Pin<P>` returning the underlying pointer.
590     ///
591     /// # Safety
592     ///
593     /// This function is unsafe. You must guarantee that you will continue to
594     /// treat the pointer `P` as pinned after you call this function, so that
595     /// the invariants on the `Pin` type can be upheld. If the code using the
596     /// resulting `P` does not continue to maintain the pinning invariants that
597     /// is a violation of the API contract and may lead to undefined behavior in
598     /// later (safe) operations.
599     ///
600     /// If the underlying data is [`Unpin`], [`Pin::into_inner`] should be used
601     /// instead.
602     #[inline(always)]
603     #[rustc_const_unstable(feature = "const_pin", issue = "76654")]
604     #[stable(feature = "pin_into_inner", since = "1.39.0")]
605     pub const unsafe fn into_inner_unchecked(pin: Pin<P>) -> P {
606         pin.pointer
607     }
608 }
609
610 impl<P: DerefMut> Pin<P> {
611     /// Gets a pinned mutable reference from this pinned pointer.
612     ///
613     /// This is a generic method to go from `&mut Pin<Pointer<T>>` to `Pin<&mut T>`.
614     /// It is safe because, as part of the contract of `Pin::new_unchecked`,
615     /// the pointee cannot move after `Pin<Pointer<T>>` got created.
616     /// "Malicious" implementations of `Pointer::DerefMut` are likewise
617     /// ruled out by the contract of `Pin::new_unchecked`.
618     ///
619     /// This method is useful when doing multiple calls to functions that consume the pinned type.
620     ///
621     /// # Example
622     ///
623     /// ```
624     /// use std::pin::Pin;
625     ///
626     /// # struct Type {}
627     /// impl Type {
628     ///     fn method(self: Pin<&mut Self>) {
629     ///         // do something
630     ///     }
631     ///
632     ///     fn call_method_twice(mut self: Pin<&mut Self>) {
633     ///         // `method` consumes `self`, so reborrow the `Pin<&mut Self>` via `as_mut`.
634     ///         self.as_mut().method();
635     ///         self.as_mut().method();
636     ///     }
637     /// }
638     /// ```
639     #[stable(feature = "pin", since = "1.33.0")]
640     #[inline(always)]
641     pub fn as_mut(&mut self) -> Pin<&mut P::Target> {
642         // SAFETY: see documentation on this function
643         unsafe { Pin::new_unchecked(&mut *self.pointer) }
644     }
645
646     /// Assigns a new value to the memory behind the pinned reference.
647     ///
648     /// This overwrites pinned data, but that is okay: its destructor gets
649     /// run before being overwritten, so no pinning guarantee is violated.
650     #[stable(feature = "pin", since = "1.33.0")]
651     #[inline(always)]
652     pub fn set(&mut self, value: P::Target)
653     where
654         P::Target: Sized,
655     {
656         *(self.pointer) = value;
657     }
658 }
659
660 impl<'a, T: ?Sized> Pin<&'a T> {
661     /// Constructs a new pin by mapping the interior value.
662     ///
663     /// For example, if you  wanted to get a `Pin` of a field of something,
664     /// you could use this to get access to that field in one line of code.
665     /// However, there are several gotchas with these "pinning projections";
666     /// see the [`pin` module] documentation for further details on that topic.
667     ///
668     /// # Safety
669     ///
670     /// This function is unsafe. You must guarantee that the data you return
671     /// will not move so long as the argument value does not move (for example,
672     /// because it is one of the fields of that value), and also that you do
673     /// not move out of the argument you receive to the interior function.
674     ///
675     /// [`pin` module]: self#projections-and-structural-pinning
676     #[stable(feature = "pin", since = "1.33.0")]
677     pub unsafe fn map_unchecked<U, F>(self, func: F) -> Pin<&'a U>
678     where
679         U: ?Sized,
680         F: FnOnce(&T) -> &U,
681     {
682         let pointer = &*self.pointer;
683         let new_pointer = func(pointer);
684
685         // SAFETY: the safety contract for `new_unchecked` must be
686         // upheld by the caller.
687         unsafe { Pin::new_unchecked(new_pointer) }
688     }
689
690     /// Gets a shared reference out of a pin.
691     ///
692     /// This is safe because it is not possible to move out of a shared reference.
693     /// It may seem like there is an issue here with interior mutability: in fact,
694     /// it *is* possible to move a `T` out of a `&RefCell<T>`. However, this is
695     /// not a problem as long as there does not also exist a `Pin<&T>` pointing
696     /// to the same data, and `RefCell<T>` does not let you create a pinned reference
697     /// to its contents. See the discussion on ["pinning projections"] for further
698     /// details.
699     ///
700     /// Note: `Pin` also implements `Deref` to the target, which can be used
701     /// to access the inner value. However, `Deref` only provides a reference
702     /// that lives for as long as the borrow of the `Pin`, not the lifetime of
703     /// the `Pin` itself. This method allows turning the `Pin` into a reference
704     /// with the same lifetime as the original `Pin`.
705     ///
706     /// ["pinning projections"]: self#projections-and-structural-pinning
707     #[inline(always)]
708     #[must_use]
709     #[rustc_const_unstable(feature = "const_pin", issue = "76654")]
710     #[stable(feature = "pin", since = "1.33.0")]
711     pub const fn get_ref(self) -> &'a T {
712         self.pointer
713     }
714 }
715
716 impl<'a, T: ?Sized> Pin<&'a mut T> {
717     /// Converts this `Pin<&mut T>` into a `Pin<&T>` with the same lifetime.
718     #[inline(always)]
719     #[must_use = "`self` will be dropped if the result is not used"]
720     #[rustc_const_unstable(feature = "const_pin", issue = "76654")]
721     #[stable(feature = "pin", since = "1.33.0")]
722     pub const fn into_ref(self) -> Pin<&'a T> {
723         Pin { pointer: self.pointer }
724     }
725
726     /// Gets a mutable reference to the data inside of this `Pin`.
727     ///
728     /// This requires that the data inside this `Pin` is `Unpin`.
729     ///
730     /// Note: `Pin` also implements `DerefMut` to the data, which can be used
731     /// to access the inner value. However, `DerefMut` only provides a reference
732     /// that lives for as long as the borrow of the `Pin`, not the lifetime of
733     /// the `Pin` itself. This method allows turning the `Pin` into a reference
734     /// with the same lifetime as the original `Pin`.
735     #[inline(always)]
736     #[must_use = "`self` will be dropped if the result is not used"]
737     #[stable(feature = "pin", since = "1.33.0")]
738     #[rustc_const_unstable(feature = "const_pin", issue = "76654")]
739     pub const fn get_mut(self) -> &'a mut T
740     where
741         T: Unpin,
742     {
743         self.pointer
744     }
745
746     /// Gets a mutable reference to the data inside of this `Pin`.
747     ///
748     /// # Safety
749     ///
750     /// This function is unsafe. You must guarantee that you will never move
751     /// the data out of the mutable reference you receive when you call this
752     /// function, so that the invariants on the `Pin` type can be upheld.
753     ///
754     /// If the underlying data is `Unpin`, `Pin::get_mut` should be used
755     /// instead.
756     #[inline(always)]
757     #[must_use = "`self` will be dropped if the result is not used"]
758     #[stable(feature = "pin", since = "1.33.0")]
759     #[rustc_const_unstable(feature = "const_pin", issue = "76654")]
760     pub const unsafe fn get_unchecked_mut(self) -> &'a mut T {
761         self.pointer
762     }
763
764     /// Construct a new pin by mapping the interior value.
765     ///
766     /// For example, if you  wanted to get a `Pin` of a field of something,
767     /// you could use this to get access to that field in one line of code.
768     /// However, there are several gotchas with these "pinning projections";
769     /// see the [`pin` module] documentation for further details on that topic.
770     ///
771     /// # Safety
772     ///
773     /// This function is unsafe. You must guarantee that the data you return
774     /// will not move so long as the argument value does not move (for example,
775     /// because it is one of the fields of that value), and also that you do
776     /// not move out of the argument you receive to the interior function.
777     ///
778     /// [`pin` module]: self#projections-and-structural-pinning
779     #[must_use = "`self` will be dropped if the result is not used"]
780     #[stable(feature = "pin", since = "1.33.0")]
781     pub unsafe fn map_unchecked_mut<U, F>(self, func: F) -> Pin<&'a mut U>
782     where
783         U: ?Sized,
784         F: FnOnce(&mut T) -> &mut U,
785     {
786         // SAFETY: the caller is responsible for not moving the
787         // value out of this reference.
788         let pointer = unsafe { Pin::get_unchecked_mut(self) };
789         let new_pointer = func(pointer);
790         // SAFETY: as the value of `this` is guaranteed to not have
791         // been moved out, this call to `new_unchecked` is safe.
792         unsafe { Pin::new_unchecked(new_pointer) }
793     }
794 }
795
796 impl<T: ?Sized> Pin<&'static T> {
797     /// Get a pinned reference from a static reference.
798     ///
799     /// This is safe, because `T` is borrowed for the `'static` lifetime, which
800     /// never ends.
801     #[unstable(feature = "pin_static_ref", issue = "78186")]
802     #[rustc_const_unstable(feature = "const_pin", issue = "76654")]
803     pub const fn static_ref(r: &'static T) -> Pin<&'static T> {
804         // SAFETY: The 'static borrow guarantees the data will not be
805         // moved/invalidated until it gets dropped (which is never).
806         unsafe { Pin::new_unchecked(r) }
807     }
808 }
809
810 impl<'a, P: DerefMut> Pin<&'a mut Pin<P>> {
811     /// Gets a pinned mutable reference from this nested pinned pointer.
812     ///
813     /// This is a generic method to go from `Pin<&mut Pin<Pointer<T>>>` to `Pin<&mut T>`. It is
814     /// safe because the existence of a `Pin<Pointer<T>>` ensures that the pointee, `T`, cannot
815     /// move in the future, and this method does not enable the pointee to move. "Malicious"
816     /// implementations of `P::DerefMut` are likewise ruled out by the contract of
817     /// `Pin::new_unchecked`.
818     #[unstable(feature = "pin_deref_mut", issue = "86918")]
819     #[must_use = "`self` will be dropped if the result is not used"]
820     #[inline(always)]
821     pub fn as_deref_mut(self) -> Pin<&'a mut P::Target> {
822         // SAFETY: What we're asserting here is that going from
823         //
824         //     Pin<&mut Pin<P>>
825         //
826         // to
827         //
828         //     Pin<&mut P::Target>
829         //
830         // is safe.
831         //
832         // We need to ensure that two things hold for that to be the case:
833         //
834         // 1) Once we give out a `Pin<&mut P::Target>`, an `&mut P::Target` will not be given out.
835         // 2) By giving out a `Pin<&mut P::Target>`, we do not risk of violating `Pin<&mut Pin<P>>`
836         //
837         // The existence of `Pin<P>` is sufficient to guarantee #1: since we already have a
838         // `Pin<P>`, it must already uphold the pinning guarantees, which must mean that
839         // `Pin<&mut P::Target>` does as well, since `Pin::as_mut` is safe. We do not have to rely
840         // on the fact that P is _also_ pinned.
841         //
842         // For #2, we need to ensure that code given a `Pin<&mut P::Target>` cannot cause the
843         // `Pin<P>` to move? That is not possible, since `Pin<&mut P::Target>` no longer retains
844         // any access to the `P` itself, much less the `Pin<P>`.
845         unsafe { self.get_unchecked_mut() }.as_mut()
846     }
847 }
848
849 impl<T: ?Sized> Pin<&'static mut T> {
850     /// Get a pinned mutable reference from a static mutable reference.
851     ///
852     /// This is safe, because `T` is borrowed for the `'static` lifetime, which
853     /// never ends.
854     #[unstable(feature = "pin_static_ref", issue = "78186")]
855     #[rustc_const_unstable(feature = "const_pin", issue = "76654")]
856     pub const fn static_mut(r: &'static mut T) -> Pin<&'static mut T> {
857         // SAFETY: The 'static borrow guarantees the data will not be
858         // moved/invalidated until it gets dropped (which is never).
859         unsafe { Pin::new_unchecked(r) }
860     }
861 }
862
863 #[stable(feature = "pin", since = "1.33.0")]
864 impl<P: Deref> Deref for Pin<P> {
865     type Target = P::Target;
866     fn deref(&self) -> &P::Target {
867         Pin::get_ref(Pin::as_ref(self))
868     }
869 }
870
871 #[stable(feature = "pin", since = "1.33.0")]
872 impl<P: DerefMut<Target: Unpin>> DerefMut for Pin<P> {
873     fn deref_mut(&mut self) -> &mut P::Target {
874         Pin::get_mut(Pin::as_mut(self))
875     }
876 }
877
878 #[unstable(feature = "receiver_trait", issue = "none")]
879 impl<P: Receiver> Receiver for Pin<P> {}
880
881 #[stable(feature = "pin", since = "1.33.0")]
882 impl<P: fmt::Debug> fmt::Debug for Pin<P> {
883     fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter<'_>) -> fmt::Result {
884         fmt::Debug::fmt(&self.pointer, f)
885     }
886 }
887
888 #[stable(feature = "pin", since = "1.33.0")]
889 impl<P: fmt::Display> fmt::Display for Pin<P> {
890     fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter<'_>) -> fmt::Result {
891         fmt::Display::fmt(&self.pointer, f)
892     }
893 }
894
895 #[stable(feature = "pin", since = "1.33.0")]
896 impl<P: fmt::Pointer> fmt::Pointer for Pin<P> {
897     fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter<'_>) -> fmt::Result {
898         fmt::Pointer::fmt(&self.pointer, f)
899     }
900 }
901
902 // Note: this means that any impl of `CoerceUnsized` that allows coercing from
903 // a type that impls `Deref<Target=impl !Unpin>` to a type that impls
904 // `Deref<Target=Unpin>` is unsound. Any such impl would probably be unsound
905 // for other reasons, though, so we just need to take care not to allow such
906 // impls to land in std.
907 #[stable(feature = "pin", since = "1.33.0")]
908 impl<P, U> CoerceUnsized<Pin<U>> for Pin<P> where P: CoerceUnsized<U> {}
909
910 #[stable(feature = "pin", since = "1.33.0")]
911 impl<P, U> DispatchFromDyn<Pin<U>> for Pin<P> where P: DispatchFromDyn<U> {}