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