]> git.lizzy.rs Git - rust.git/blob - library/core/src/ptr/mod.rs
Rollup merge of #103432 - jsha:box-is-not-notable, r=GuillaumeGomez
[rust.git] / library / core / src / ptr / mod.rs
1 //! Manually manage memory through raw pointers.
2 //!
3 //! *[See also the pointer primitive types](pointer).*
4 //!
5 //! # Safety
6 //!
7 //! Many functions in this module take raw pointers as arguments and read from
8 //! or write to them. For this to be safe, these pointers must be *valid*.
9 //! Whether a pointer is valid depends on the operation it is used for
10 //! (read or write), and the extent of the memory that is accessed (i.e.,
11 //! how many bytes are read/written). Most functions use `*mut T` and `*const T`
12 //! to access only a single value, in which case the documentation omits the size
13 //! and implicitly assumes it to be `size_of::<T>()` bytes.
14 //!
15 //! The precise rules for validity are not determined yet. The guarantees that are
16 //! provided at this point are very minimal:
17 //!
18 //! * A [null] pointer is *never* valid, not even for accesses of [size zero][zst].
19 //! * For a pointer to be valid, it is necessary, but not always sufficient, that the pointer
20 //!   be *dereferenceable*: the memory range of the given size starting at the pointer must all be
21 //!   within the bounds of a single allocated object. Note that in Rust,
22 //!   every (stack-allocated) variable is considered a separate allocated object.
23 //! * Even for operations of [size zero][zst], the pointer must not be pointing to deallocated
24 //!   memory, i.e., deallocation makes pointers invalid even for zero-sized operations. However,
25 //!   casting any non-zero integer *literal* to a pointer is valid for zero-sized accesses, even if
26 //!   some memory happens to exist at that address and gets deallocated. This corresponds to writing
27 //!   your own allocator: allocating zero-sized objects is not very hard. The canonical way to
28 //!   obtain a pointer that is valid for zero-sized accesses is [`NonNull::dangling`].
29 //FIXME: mention `ptr::invalid` above, once it is stable.
30 //! * All accesses performed by functions in this module are *non-atomic* in the sense
31 //!   of [atomic operations] used to synchronize between threads. This means it is
32 //!   undefined behavior to perform two concurrent accesses to the same location from different
33 //!   threads unless both accesses only read from memory. Notice that this explicitly
34 //!   includes [`read_volatile`] and [`write_volatile`]: Volatile accesses cannot
35 //!   be used for inter-thread synchronization.
36 //! * The result of casting a reference to a pointer is valid for as long as the
37 //!   underlying object is live and no reference (just raw pointers) is used to
38 //!   access the same memory.
39 //!
40 //! These axioms, along with careful use of [`offset`] for pointer arithmetic,
41 //! are enough to correctly implement many useful things in unsafe code. Stronger guarantees
42 //! will be provided eventually, as the [aliasing] rules are being determined. For more
43 //! information, see the [book] as well as the section in the reference devoted
44 //! to [undefined behavior][ub].
45 //!
46 //! ## Alignment
47 //!
48 //! Valid raw pointers as defined above are not necessarily properly aligned (where
49 //! "proper" alignment is defined by the pointee type, i.e., `*const T` must be
50 //! aligned to `mem::align_of::<T>()`). However, most functions require their
51 //! arguments to be properly aligned, and will explicitly state
52 //! this requirement in their documentation. Notable exceptions to this are
53 //! [`read_unaligned`] and [`write_unaligned`].
54 //!
55 //! When a function requires proper alignment, it does so even if the access
56 //! has size 0, i.e., even if memory is not actually touched. Consider using
57 //! [`NonNull::dangling`] in such cases.
58 //!
59 //! ## Allocated object
60 //!
61 //! For several operations, such as [`offset`] or field projections (`expr.field`), the notion of an
62 //! "allocated object" becomes relevant. An allocated object is a contiguous region of memory.
63 //! Common examples of allocated objects include stack-allocated variables (each variable is a
64 //! separate allocated object), heap allocations (each allocation created by the global allocator is
65 //! a separate allocated object), and `static` variables.
66 //!
67 //!
68 //! # Strict Provenance
69 //!
70 //! **The following text is non-normative, insufficiently formal, and is an extremely strict
71 //! interpretation of provenance. It's ok if your code doesn't strictly conform to it.**
72 //!
73 //! [Strict Provenance][] is an experimental set of APIs that help tools that try
74 //! to validate the memory-safety of your program's execution. Notably this includes [Miri][]
75 //! and [CHERI][], which can detect when you access out of bounds memory or otherwise violate
76 //! Rust's memory model.
77 //!
78 //! Provenance must exist in some form for any programming
79 //! language compiled for modern computer architectures, but specifying a model for provenance
80 //! in a way that is useful to both compilers and programmers is an ongoing challenge.
81 //! The [Strict Provenance][] experiment seeks to explore the question: *what if we just said you
82 //! couldn't do all the nasty operations that make provenance so messy?*
83 //!
84 //! What APIs would have to be removed? What APIs would have to be added? How much would code
85 //! have to change, and is it worse or better now? Would any patterns become truly inexpressible?
86 //! Could we carve out special exceptions for those patterns? Should we?
87 //!
88 //! A secondary goal of this project is to see if we can disambiguate the many functions of
89 //! pointer<->integer casts enough for the definition of `usize` to be loosened so that it
90 //! isn't *pointer*-sized but address-space/offset/allocation-sized (we'll probably continue
91 //! to conflate these notions). This would potentially make it possible to more efficiently
92 //! target platforms where pointers are larger than offsets, such as CHERI and maybe some
93 //! segmented architectures.
94 //!
95 //! ## Provenance
96 //!
97 //! **This section is *non-normative* and is part of the [Strict Provenance][] experiment.**
98 //!
99 //! Pointers are not *simply* an "integer" or "address". For instance, it's uncontroversial
100 //! to say that a Use After Free is clearly Undefined Behaviour, even if you "get lucky"
101 //! and the freed memory gets reallocated before your read/write (in fact this is the
102 //! worst-case scenario, UAFs would be much less concerning if this didn't happen!).
103 //! To rationalize this claim, pointers need to somehow be *more* than just their addresses:
104 //! they must have provenance.
105 //!
106 //! When an allocation is created, that allocation has a unique Original Pointer. For alloc
107 //! APIs this is literally the pointer the call returns, and for local variables and statics,
108 //! this is the name of the variable/static. This is mildly overloading the term "pointer"
109 //! for the sake of brevity/exposition.
110 //!
111 //! The Original Pointer for an allocation is guaranteed to have unique access to the entire
112 //! allocation and *only* that allocation. In this sense, an allocation can be thought of
113 //! as a "sandbox" that cannot be broken into or out of. *Provenance* is the permission
114 //! to access an allocation's sandbox and has both a *spatial* and *temporal* component:
115 //!
116 //! * Spatial: A range of bytes that the pointer is allowed to access.
117 //! * Temporal: The lifetime (of the allocation) that access to these bytes is tied to.
118 //!
119 //! Spatial provenance makes sure you don't go beyond your sandbox, while temporal provenance
120 //! makes sure that you can't "get lucky" after your permission to access some memory
121 //! has been revoked (either through deallocations or borrows expiring).
122 //!
123 //! Provenance is implicitly shared with all pointers transitively derived from
124 //! The Original Pointer through operations like [`offset`], borrowing, and pointer casts.
125 //! Some operations may *shrink* the derived provenance, limiting how much memory it can
126 //! access or how long it's valid for (i.e. borrowing a subfield and subslicing).
127 //!
128 //! Shrinking provenance cannot be undone: even if you "know" there is a larger allocation, you
129 //! can't derive a pointer with a larger provenance. Similarly, you cannot "recombine"
130 //! two contiguous provenances back into one (i.e. with a `fn merge(&[T], &[T]) -> &[T]`).
131 //!
132 //! A reference to a value always has provenance over exactly the memory that field occupies.
133 //! A reference to a slice always has provenance over exactly the range that slice describes.
134 //!
135 //! If an allocation is deallocated, all pointers with provenance to that allocation become
136 //! invalidated, and effectively lose their provenance.
137 //!
138 //! The strict provenance experiment is mostly only interested in exploring stricter *spatial*
139 //! provenance. In this sense it can be thought of as a subset of the more ambitious and
140 //! formal [Stacked Borrows][] research project, which is what tools like [Miri][] are based on.
141 //! In particular, Stacked Borrows is necessary to properly describe what borrows are allowed
142 //! to do and when they become invalidated. This necessarily involves much more complex
143 //! *temporal* reasoning than simply identifying allocations. Adjusting APIs and code
144 //! for the strict provenance experiment will also greatly help Stacked Borrows.
145 //!
146 //!
147 //! ## Pointer Vs Addresses
148 //!
149 //! **This section is *non-normative* and is part of the [Strict Provenance][] experiment.**
150 //!
151 //! One of the largest historical issues with trying to define provenance is that programmers
152 //! freely convert between pointers and integers. Once you allow for this, it generally becomes
153 //! impossible to accurately track and preserve provenance information, and you need to appeal
154 //! to very complex and unreliable heuristics. But of course, converting between pointers and
155 //! integers is very useful, so what can we do?
156 //!
157 //! Also did you know WASM is actually a "Harvard Architecture"? As in function pointers are
158 //! handled completely differently from data pointers? And we kind of just shipped Rust on WASM
159 //! without really addressing the fact that we let you freely convert between function pointers
160 //! and data pointers, because it mostly Just Works? Let's just put that on the "pointer casts
161 //! are dubious" pile.
162 //!
163 //! Strict Provenance attempts to square these circles by decoupling Rust's traditional conflation
164 //! of pointers and `usize` (and `isize`), and defining a pointer to semantically contain the
165 //! following information:
166 //!
167 //! * The **address-space** it is part of (e.g. "data" vs "code" in WASM).
168 //! * The **address** it points to, which can be represented by a `usize`.
169 //! * The **provenance** it has, defining the memory it has permission to access.
170 //!
171 //! Under Strict Provenance, a usize *cannot* accurately represent a pointer, and converting from
172 //! a pointer to a usize is generally an operation which *only* extracts the address. It is
173 //! therefore *impossible* to construct a valid pointer from a usize because there is no way
174 //! to restore the address-space and provenance. In other words, pointer-integer-pointer
175 //! roundtrips are not possible (in the sense that the resulting pointer is not dereferenceable).
176 //!
177 //! The key insight to making this model *at all* viable is the [`with_addr`][] method:
178 //!
179 //! ```text
180 //!     /// Creates a new pointer with the given address.
181 //!     ///
182 //!     /// This performs the same operation as an `addr as ptr` cast, but copies
183 //!     /// the *address-space* and *provenance* of `self` to the new pointer.
184 //!     /// This allows us to dynamically preserve and propagate this important
185 //!     /// information in a way that is otherwise impossible with a unary cast.
186 //!     ///
187 //!     /// This is equivalent to using `wrapping_offset` to offset `self` to the
188 //!     /// given address, and therefore has all the same capabilities and restrictions.
189 //!     pub fn with_addr(self, addr: usize) -> Self;
190 //! ```
191 //!
192 //! So you're still able to drop down to the address representation and do whatever
193 //! clever bit tricks you want *as long as* you're able to keep around a pointer
194 //! into the allocation you care about that can "reconstitute" the other parts of the pointer.
195 //! Usually this is very easy, because you only are taking a pointer, messing with the address,
196 //! and then immediately converting back to a pointer. To make this use case more ergonomic,
197 //! we provide the [`map_addr`][] method.
198 //!
199 //! To help make it clear that code is "following" Strict Provenance semantics, we also provide an
200 //! [`addr`][] method which promises that the returned address is not part of a
201 //! pointer-usize-pointer roundtrip. In the future we may provide a lint for pointer<->integer
202 //! casts to help you audit if your code conforms to strict provenance.
203 //!
204 //!
205 //! ## Using Strict Provenance
206 //!
207 //! Most code needs no changes to conform to strict provenance, as the only really concerning
208 //! operation that *wasn't* obviously already Undefined Behaviour is casts from usize to a
209 //! pointer. For code which *does* cast a usize to a pointer, the scope of the change depends
210 //! on exactly what you're doing.
211 //!
212 //! In general you just need to make sure that if you want to convert a usize address to a
213 //! pointer and then use that pointer to read/write memory, you need to keep around a pointer
214 //! that has sufficient provenance to perform that read/write itself. In this way all of your
215 //! casts from an address to a pointer are essentially just applying offsets/indexing.
216 //!
217 //! This is generally trivial to do for simple cases like tagged pointers *as long as you
218 //! represent the tagged pointer as an actual pointer and not a usize*. For instance:
219 //!
220 //! ```
221 //! #![feature(strict_provenance)]
222 //!
223 //! unsafe {
224 //!     // A flag we want to pack into our pointer
225 //!     static HAS_DATA: usize = 0x1;
226 //!     static FLAG_MASK: usize = !HAS_DATA;
227 //!
228 //!     // Our value, which must have enough alignment to have spare least-significant-bits.
229 //!     let my_precious_data: u32 = 17;
230 //!     assert!(core::mem::align_of::<u32>() > 1);
231 //!
232 //!     // Create a tagged pointer
233 //!     let ptr = &my_precious_data as *const u32;
234 //!     let tagged = ptr.map_addr(|addr| addr | HAS_DATA);
235 //!
236 //!     // Check the flag:
237 //!     if tagged.addr() & HAS_DATA != 0 {
238 //!         // Untag and read the pointer
239 //!         let data = *tagged.map_addr(|addr| addr & FLAG_MASK);
240 //!         assert_eq!(data, 17);
241 //!     } else {
242 //!         unreachable!()
243 //!     }
244 //! }
245 //! ```
246 //!
247 //! (Yes, if you've been using AtomicUsize for pointers in concurrent datastructures, you should
248 //! be using AtomicPtr instead. If that messes up the way you atomically manipulate pointers,
249 //! we would like to know why, and what needs to be done to fix it.)
250 //!
251 //! Something more complicated and just generally *evil* like an XOR-List requires more significant
252 //! changes like allocating all nodes in a pre-allocated Vec or Arena and using a pointer
253 //! to the whole allocation to reconstitute the XORed addresses.
254 //!
255 //! Situations where a valid pointer *must* be created from just an address, such as baremetal code
256 //! accessing a memory-mapped interface at a fixed address, are an open question on how to support.
257 //! These situations *will* still be allowed, but we might require some kind of "I know what I'm
258 //! doing" annotation to explain the situation to the compiler. It's also possible they need no
259 //! special attention at all, because they're generally accessing memory outside the scope of
260 //! "the abstract machine", or already using "I know what I'm doing" annotations like "volatile".
261 //!
262 //! Under [Strict Provenance] it is Undefined Behaviour to:
263 //!
264 //! * Access memory through a pointer that does not have provenance over that memory.
265 //!
266 //! * [`offset`] a pointer to or from an address it doesn't have provenance over.
267 //!   This means it's always UB to offset a pointer derived from something deallocated,
268 //!   even if the offset is 0. Note that a pointer "one past the end" of its provenance
269 //!   is not actually outside its provenance, it just has 0 bytes it can load/store.
270 //!
271 //! But it *is* still sound to:
272 //!
273 //! * Create an invalid pointer from just an address (see [`ptr::invalid`][]). This can
274 //!   be used for sentinel values like `null` *or* to represent a tagged pointer that will
275 //!   never be dereferenceable. In general, it is always sound for an integer to pretend
276 //!   to be a pointer "for fun" as long as you don't use operations on it which require
277 //!   it to be valid (offset, read, write, etc).
278 //!
279 //! * Forge an allocation of size zero at any sufficiently aligned non-null address.
280 //!   i.e. the usual "ZSTs are fake, do what you want" rules apply *but* this only applies
281 //!   for actual forgery (integers cast to pointers). If you borrow some struct's field
282 //!   that *happens* to be zero-sized, the resulting pointer will have provenance tied to
283 //!   that allocation and it will still get invalidated if the allocation gets deallocated.
284 //!   In the future we may introduce an API to make such a forged allocation explicit.
285 //!
286 //! * [`wrapping_offset`][] a pointer outside its provenance. This includes invalid pointers
287 //!   which have "no" provenance. Unfortunately there may be practical limits on this for a
288 //!   particular platform, and it's an open question as to how to specify this (if at all).
289 //!   Notably, [CHERI][] relies on a compression scheme that can't handle a
290 //!   pointer getting offset "too far" out of bounds. If this happens, the address
291 //!   returned by `addr` will be the value you expect, but the provenance will get invalidated
292 //!   and using it to read/write will fault. The details of this are architecture-specific
293 //!   and based on alignment, but the buffer on either side of the pointer's range is pretty
294 //!   generous (think kilobytes, not bytes).
295 //!
296 //! * Compare arbitrary pointers by address. Addresses *are* just integers and so there is
297 //!   always a coherent answer, even if the pointers are invalid or from different
298 //!   address-spaces/provenances. Of course, comparing addresses from different address-spaces
299 //!   is generally going to be *meaningless*, but so is comparing Kilograms to Meters, and Rust
300 //!   doesn't prevent that either. Similarly, if you get "lucky" and notice that a pointer
301 //!   one-past-the-end is the "same" address as the start of an unrelated allocation, anything
302 //!   you do with that fact is *probably* going to be gibberish. The scope of that gibberish
303 //!   is kept under control by the fact that the two pointers *still* aren't allowed to access
304 //!   the other's allocation (bytes), because they still have different provenance.
305 //!
306 //! * Perform pointer tagging tricks. This falls out of [`wrapping_offset`] but is worth
307 //!   mentioning in more detail because of the limitations of [CHERI][]. Low-bit tagging
308 //!   is very robust, and often doesn't even go out of bounds because types ensure
309 //!   size >= align (and over-aligning actually gives CHERI more flexibility). Anything
310 //!   more complex than this rapidly enters "extremely platform-specific" territory as
311 //!   certain things may or may not be allowed based on specific supported operations.
312 //!   For instance, ARM explicitly supports high-bit tagging, and so CHERI on ARM inherits
313 //!   that and should support it.
314 //!
315 //! ## Pointer-usize-pointer roundtrips and 'exposed' provenance
316 //!
317 //! **This section is *non-normative* and is part of the [Strict Provenance] experiment.**
318 //!
319 //! As discussed above, pointer-usize-pointer roundtrips are not possible under [Strict Provenance].
320 //! However, there exists legacy Rust code that is full of such roundtrips, and legacy platform APIs
321 //! regularly assume that `usize` can capture all the information that makes up a pointer. There
322 //! also might be code that cannot be ported to Strict Provenance (which is something we would [like
323 //! to hear about][Strict Provenance]).
324 //!
325 //! For situations like this, there is a fallback plan, a way to 'opt out' of Strict Provenance.
326 //! However, note that this makes your code a lot harder to specify, and the code will not work
327 //! (well) with tools like [Miri] and [CHERI].
328 //!
329 //! This fallback plan is provided by the [`expose_addr`] and [`from_exposed_addr`] methods (which
330 //! are equivalent to `as` casts between pointers and integers). [`expose_addr`] is a lot like
331 //! [`addr`], but additionally adds the provenance of the pointer to a global list of 'exposed'
332 //! provenances. (This list is purely conceptual, it exists for the purpose of specifying Rust but
333 //! is not materialized in actual executions, except in tools like [Miri].) [`from_exposed_addr`]
334 //! can be used to construct a pointer with one of these previously 'exposed' provenances.
335 //! [`from_exposed_addr`] takes only `addr: usize` as arguments, so unlike in [`with_addr`] there is
336 //! no indication of what the correct provenance for the returned pointer is -- and that is exactly
337 //! what makes pointer-usize-pointer roundtrips so tricky to rigorously specify! There is no
338 //! algorithm that decides which provenance will be used. You can think of this as "guessing" the
339 //! right provenance, and the guess will be "maximally in your favor", in the sense that if there is
340 //! any way to avoid undefined behavior, then that is the guess that will be taken. However, if
341 //! there is *no* previously 'exposed' provenance that justifies the way the returned pointer will
342 //! be used, the program has undefined behavior.
343 //!
344 //! Using [`expose_addr`] or [`from_exposed_addr`] (or the equivalent `as` casts) means that code is
345 //! *not* following Strict Provenance rules. The goal of the Strict Provenance experiment is to
346 //! determine whether it is possible to use Rust without [`expose_addr`] and [`from_exposed_addr`].
347 //! If this is successful, it would be a major win for avoiding specification complexity and to
348 //! facilitate adoption of tools like [CHERI] and [Miri] that can be a big help in increasing the
349 //! confidence in (unsafe) Rust code.
350 //!
351 //! [aliasing]: ../../nomicon/aliasing.html
352 //! [book]: ../../book/ch19-01-unsafe-rust.html#dereferencing-a-raw-pointer
353 //! [ub]: ../../reference/behavior-considered-undefined.html
354 //! [zst]: ../../nomicon/exotic-sizes.html#zero-sized-types-zsts
355 //! [atomic operations]: crate::sync::atomic
356 //! [`offset`]: pointer::offset
357 //! [`wrapping_offset`]: pointer::wrapping_offset
358 //! [`with_addr`]: pointer::with_addr
359 //! [`map_addr`]: pointer::map_addr
360 //! [`addr`]: pointer::addr
361 //! [`ptr::invalid`]: core::ptr::invalid
362 //! [`expose_addr`]: pointer::expose_addr
363 //! [`from_exposed_addr`]: from_exposed_addr
364 //! [Miri]: https://github.com/rust-lang/miri
365 //! [CHERI]: https://www.cl.cam.ac.uk/research/security/ctsrd/cheri/
366 //! [Strict Provenance]: https://github.com/rust-lang/rust/issues/95228
367 //! [Stacked Borrows]: https://plv.mpi-sws.org/rustbelt/stacked-borrows/
368
369 #![stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
370
371 use crate::cmp::Ordering;
372 use crate::fmt;
373 use crate::hash;
374 use crate::intrinsics::{
375     self, assert_unsafe_precondition, is_aligned_and_not_null, is_nonoverlapping,
376 };
377
378 use crate::mem::{self, MaybeUninit};
379
380 mod alignment;
381 #[unstable(feature = "ptr_alignment_type", issue = "102070")]
382 pub use alignment::Alignment;
383
384 #[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
385 #[doc(inline)]
386 pub use crate::intrinsics::copy_nonoverlapping;
387
388 #[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
389 #[doc(inline)]
390 pub use crate::intrinsics::copy;
391
392 #[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
393 #[doc(inline)]
394 pub use crate::intrinsics::write_bytes;
395
396 mod metadata;
397 #[unstable(feature = "ptr_metadata", issue = "81513")]
398 pub use metadata::{from_raw_parts, from_raw_parts_mut, metadata, DynMetadata, Pointee, Thin};
399
400 mod non_null;
401 #[stable(feature = "nonnull", since = "1.25.0")]
402 pub use non_null::NonNull;
403
404 mod unique;
405 #[unstable(feature = "ptr_internals", issue = "none")]
406 pub use unique::Unique;
407
408 mod const_ptr;
409 mod mut_ptr;
410
411 /// Executes the destructor (if any) of the pointed-to value.
412 ///
413 /// This is semantically equivalent to calling [`ptr::read`] and discarding
414 /// the result, but has the following advantages:
415 ///
416 /// * It is *required* to use `drop_in_place` to drop unsized types like
417 ///   trait objects, because they can't be read out onto the stack and
418 ///   dropped normally.
419 ///
420 /// * It is friendlier to the optimizer to do this over [`ptr::read`] when
421 ///   dropping manually allocated memory (e.g., in the implementations of
422 ///   `Box`/`Rc`/`Vec`), as the compiler doesn't need to prove that it's
423 ///   sound to elide the copy.
424 ///
425 /// * It can be used to drop [pinned] data when `T` is not `repr(packed)`
426 ///   (pinned data must not be moved before it is dropped).
427 ///
428 /// Unaligned values cannot be dropped in place, they must be copied to an aligned
429 /// location first using [`ptr::read_unaligned`]. For packed structs, this move is
430 /// done automatically by the compiler. This means the fields of packed structs
431 /// are not dropped in-place.
432 ///
433 /// [`ptr::read`]: self::read
434 /// [`ptr::read_unaligned`]: self::read_unaligned
435 /// [pinned]: crate::pin
436 ///
437 /// # Safety
438 ///
439 /// Behavior is undefined if any of the following conditions are violated:
440 ///
441 /// * `to_drop` must be [valid] for both reads and writes.
442 ///
443 /// * `to_drop` must be properly aligned.
444 ///
445 /// * The value `to_drop` points to must be valid for dropping, which may mean it must uphold
446 ///   additional invariants - this is type-dependent.
447 ///
448 /// Additionally, if `T` is not [`Copy`], using the pointed-to value after
449 /// calling `drop_in_place` can cause undefined behavior. Note that `*to_drop =
450 /// foo` counts as a use because it will cause the value to be dropped
451 /// again. [`write()`] can be used to overwrite data without causing it to be
452 /// dropped.
453 ///
454 /// Note that even if `T` has size `0`, the pointer must be non-null and properly aligned.
455 ///
456 /// [valid]: self#safety
457 ///
458 /// # Examples
459 ///
460 /// Manually remove the last item from a vector:
461 ///
462 /// ```
463 /// use std::ptr;
464 /// use std::rc::Rc;
465 ///
466 /// let last = Rc::new(1);
467 /// let weak = Rc::downgrade(&last);
468 ///
469 /// let mut v = vec![Rc::new(0), last];
470 ///
471 /// unsafe {
472 ///     // Get a raw pointer to the last element in `v`.
473 ///     let ptr = &mut v[1] as *mut _;
474 ///     // Shorten `v` to prevent the last item from being dropped. We do that first,
475 ///     // to prevent issues if the `drop_in_place` below panics.
476 ///     v.set_len(1);
477 ///     // Without a call `drop_in_place`, the last item would never be dropped,
478 ///     // and the memory it manages would be leaked.
479 ///     ptr::drop_in_place(ptr);
480 /// }
481 ///
482 /// assert_eq!(v, &[0.into()]);
483 ///
484 /// // Ensure that the last item was dropped.
485 /// assert!(weak.upgrade().is_none());
486 /// ```
487 #[stable(feature = "drop_in_place", since = "1.8.0")]
488 #[lang = "drop_in_place"]
489 #[allow(unconditional_recursion)]
490 pub unsafe fn drop_in_place<T: ?Sized>(to_drop: *mut T) {
491     // Code here does not matter - this is replaced by the
492     // real drop glue by the compiler.
493
494     // SAFETY: see comment above
495     unsafe { drop_in_place(to_drop) }
496 }
497
498 /// Creates a null raw pointer.
499 ///
500 /// # Examples
501 ///
502 /// ```
503 /// use std::ptr;
504 ///
505 /// let p: *const i32 = ptr::null();
506 /// assert!(p.is_null());
507 /// ```
508 #[inline(always)]
509 #[must_use]
510 #[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
511 #[rustc_promotable]
512 #[rustc_const_stable(feature = "const_ptr_null", since = "1.24.0")]
513 #[rustc_allow_const_fn_unstable(ptr_metadata)]
514 #[rustc_diagnostic_item = "ptr_null"]
515 pub const fn null<T: ?Sized + Thin>() -> *const T {
516     from_raw_parts(invalid(0), ())
517 }
518
519 /// Creates an invalid pointer with the given address.
520 ///
521 /// This is different from `addr as *const T`, which creates a pointer that picks up a previously
522 /// exposed provenance. See [`from_exposed_addr`] for more details on that operation.
523 ///
524 /// The module's top-level documentation discusses the precise meaning of an "invalid"
525 /// pointer but essentially this expresses that the pointer is not associated
526 /// with any actual allocation and is little more than a usize address in disguise.
527 ///
528 /// This pointer will have no provenance associated with it and is therefore
529 /// UB to read/write/offset. This mostly exists to facilitate things
530 /// like `ptr::null` and `NonNull::dangling` which make invalid pointers.
531 ///
532 /// (Standard "Zero-Sized-Types get to cheat and lie" caveats apply, although it
533 /// may be desirable to give them their own API just to make that 100% clear.)
534 ///
535 /// This API and its claimed semantics are part of the Strict Provenance experiment,
536 /// see the [module documentation][crate::ptr] for details.
537 #[inline(always)]
538 #[must_use]
539 #[rustc_const_stable(feature = "stable_things_using_strict_provenance", since = "1.61.0")]
540 #[unstable(feature = "strict_provenance", issue = "95228")]
541 pub const fn invalid<T>(addr: usize) -> *const T {
542     // FIXME(strict_provenance_magic): I am magic and should be a compiler intrinsic.
543     // We use transmute rather than a cast so tools like Miri can tell that this
544     // is *not* the same as from_exposed_addr.
545     // SAFETY: every valid integer is also a valid pointer (as long as you don't dereference that
546     // pointer).
547     unsafe { mem::transmute(addr) }
548 }
549
550 /// Creates an invalid mutable pointer with the given address.
551 ///
552 /// This is different from `addr as *mut T`, which creates a pointer that picks up a previously
553 /// exposed provenance. See [`from_exposed_addr_mut`] for more details on that operation.
554 ///
555 /// The module's top-level documentation discusses the precise meaning of an "invalid"
556 /// pointer but essentially this expresses that the pointer is not associated
557 /// with any actual allocation and is little more than a usize address in disguise.
558 ///
559 /// This pointer will have no provenance associated with it and is therefore
560 /// UB to read/write/offset. This mostly exists to facilitate things
561 /// like `ptr::null` and `NonNull::dangling` which make invalid pointers.
562 ///
563 /// (Standard "Zero-Sized-Types get to cheat and lie" caveats apply, although it
564 /// may be desirable to give them their own API just to make that 100% clear.)
565 ///
566 /// This API and its claimed semantics are part of the Strict Provenance experiment,
567 /// see the [module documentation][crate::ptr] for details.
568 #[inline(always)]
569 #[must_use]
570 #[rustc_const_stable(feature = "stable_things_using_strict_provenance", since = "1.61.0")]
571 #[unstable(feature = "strict_provenance", issue = "95228")]
572 pub const fn invalid_mut<T>(addr: usize) -> *mut T {
573     // FIXME(strict_provenance_magic): I am magic and should be a compiler intrinsic.
574     // We use transmute rather than a cast so tools like Miri can tell that this
575     // is *not* the same as from_exposed_addr.
576     // SAFETY: every valid integer is also a valid pointer (as long as you don't dereference that
577     // pointer).
578     unsafe { mem::transmute(addr) }
579 }
580
581 /// Convert an address back to a pointer, picking up a previously 'exposed' provenance.
582 ///
583 /// This is equivalent to `addr as *const T`. The provenance of the returned pointer is that of *any*
584 /// pointer that was previously passed to [`expose_addr`][pointer::expose_addr] or a `ptr as usize`
585 /// cast. If there is no previously 'exposed' provenance that justifies the way this pointer will be
586 /// used, the program has undefined behavior. Note that there is no algorithm that decides which
587 /// provenance will be used. You can think of this as "guessing" the right provenance, and the guess
588 /// will be "maximally in your favor", in the sense that if there is any way to avoid undefined
589 /// behavior, then that is the guess that will be taken.
590 ///
591 /// On platforms with multiple address spaces, it is your responsibility to ensure that the
592 /// address makes sense in the address space that this pointer will be used with.
593 ///
594 /// Using this method means that code is *not* following strict provenance rules. "Guessing" a
595 /// suitable provenance complicates specification and reasoning and may not be supported by
596 /// tools that help you to stay conformant with the Rust memory model, so it is recommended to
597 /// use [`with_addr`][pointer::with_addr] wherever possible.
598 ///
599 /// On most platforms this will produce a value with the same bytes as the address. Platforms
600 /// which need to store additional information in a pointer may not support this operation,
601 /// since it is generally not possible to actually *compute* which provenance the returned
602 /// pointer has to pick up.
603 ///
604 /// This API and its claimed semantics are part of the Strict Provenance experiment, see the
605 /// [module documentation][crate::ptr] for details.
606 #[must_use]
607 #[inline]
608 #[unstable(feature = "strict_provenance", issue = "95228")]
609 #[cfg_attr(miri, track_caller)] // even without panics, this helps for Miri backtraces
610 pub fn from_exposed_addr<T>(addr: usize) -> *const T
611 where
612     T: Sized,
613 {
614     // FIXME(strict_provenance_magic): I am magic and should be a compiler intrinsic.
615     addr as *const T
616 }
617
618 /// Convert an address back to a mutable pointer, picking up a previously 'exposed' provenance.
619 ///
620 /// This is equivalent to `addr as *mut T`. The provenance of the returned pointer is that of *any*
621 /// pointer that was previously passed to [`expose_addr`][pointer::expose_addr] or a `ptr as usize`
622 /// cast. If there is no previously 'exposed' provenance that justifies the way this pointer will be
623 /// used, the program has undefined behavior. Note that there is no algorithm that decides which
624 /// provenance will be used. You can think of this as "guessing" the right provenance, and the guess
625 /// will be "maximally in your favor", in the sense that if there is any way to avoid undefined
626 /// behavior, then that is the guess that will be taken.
627 ///
628 /// On platforms with multiple address spaces, it is your responsibility to ensure that the
629 /// address makes sense in the address space that this pointer will be used with.
630 ///
631 /// Using this method means that code is *not* following strict provenance rules. "Guessing" a
632 /// suitable provenance complicates specification and reasoning and may not be supported by
633 /// tools that help you to stay conformant with the Rust memory model, so it is recommended to
634 /// use [`with_addr`][pointer::with_addr] wherever possible.
635 ///
636 /// On most platforms this will produce a value with the same bytes as the address. Platforms
637 /// which need to store additional information in a pointer may not support this operation,
638 /// since it is generally not possible to actually *compute* which provenance the returned
639 /// pointer has to pick up.
640 ///
641 /// This API and its claimed semantics are part of the Strict Provenance experiment, see the
642 /// [module documentation][crate::ptr] for details.
643 #[must_use]
644 #[inline]
645 #[unstable(feature = "strict_provenance", issue = "95228")]
646 #[cfg_attr(miri, track_caller)] // even without panics, this helps for Miri backtraces
647 pub fn from_exposed_addr_mut<T>(addr: usize) -> *mut T
648 where
649     T: Sized,
650 {
651     // FIXME(strict_provenance_magic): I am magic and should be a compiler intrinsic.
652     addr as *mut T
653 }
654
655 /// Creates a null mutable raw pointer.
656 ///
657 /// # Examples
658 ///
659 /// ```
660 /// use std::ptr;
661 ///
662 /// let p: *mut i32 = ptr::null_mut();
663 /// assert!(p.is_null());
664 /// ```
665 #[inline(always)]
666 #[must_use]
667 #[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
668 #[rustc_promotable]
669 #[rustc_const_stable(feature = "const_ptr_null", since = "1.24.0")]
670 #[rustc_allow_const_fn_unstable(ptr_metadata)]
671 #[rustc_diagnostic_item = "ptr_null_mut"]
672 pub const fn null_mut<T: ?Sized + Thin>() -> *mut T {
673     from_raw_parts_mut(invalid_mut(0), ())
674 }
675
676 /// Forms a raw slice from a pointer and a length.
677 ///
678 /// The `len` argument is the number of **elements**, not the number of bytes.
679 ///
680 /// This function is safe, but actually using the return value is unsafe.
681 /// See the documentation of [`slice::from_raw_parts`] for slice safety requirements.
682 ///
683 /// [`slice::from_raw_parts`]: crate::slice::from_raw_parts
684 ///
685 /// # Examples
686 ///
687 /// ```rust
688 /// use std::ptr;
689 ///
690 /// // create a slice pointer when starting out with a pointer to the first element
691 /// let x = [5, 6, 7];
692 /// let raw_pointer = x.as_ptr();
693 /// let slice = ptr::slice_from_raw_parts(raw_pointer, 3);
694 /// assert_eq!(unsafe { &*slice }[2], 7);
695 /// ```
696 #[inline]
697 #[stable(feature = "slice_from_raw_parts", since = "1.42.0")]
698 #[rustc_const_stable(feature = "const_slice_from_raw_parts", since = "1.64.0")]
699 #[rustc_allow_const_fn_unstable(ptr_metadata)]
700 pub const fn slice_from_raw_parts<T>(data: *const T, len: usize) -> *const [T] {
701     from_raw_parts(data.cast(), len)
702 }
703
704 /// Performs the same functionality as [`slice_from_raw_parts`], except that a
705 /// raw mutable slice is returned, as opposed to a raw immutable slice.
706 ///
707 /// See the documentation of [`slice_from_raw_parts`] for more details.
708 ///
709 /// This function is safe, but actually using the return value is unsafe.
710 /// See the documentation of [`slice::from_raw_parts_mut`] for slice safety requirements.
711 ///
712 /// [`slice::from_raw_parts_mut`]: crate::slice::from_raw_parts_mut
713 ///
714 /// # Examples
715 ///
716 /// ```rust
717 /// use std::ptr;
718 ///
719 /// let x = &mut [5, 6, 7];
720 /// let raw_pointer = x.as_mut_ptr();
721 /// let slice = ptr::slice_from_raw_parts_mut(raw_pointer, 3);
722 ///
723 /// unsafe {
724 ///     (*slice)[2] = 99; // assign a value at an index in the slice
725 /// };
726 ///
727 /// assert_eq!(unsafe { &*slice }[2], 99);
728 /// ```
729 #[inline]
730 #[stable(feature = "slice_from_raw_parts", since = "1.42.0")]
731 #[rustc_const_unstable(feature = "const_slice_from_raw_parts_mut", issue = "67456")]
732 pub const fn slice_from_raw_parts_mut<T>(data: *mut T, len: usize) -> *mut [T] {
733     from_raw_parts_mut(data.cast(), len)
734 }
735
736 /// Swaps the values at two mutable locations of the same type, without
737 /// deinitializing either.
738 ///
739 /// But for the following exceptions, this function is semantically
740 /// equivalent to [`mem::swap`]:
741 ///
742 /// * It operates on raw pointers instead of references. When references are
743 ///   available, [`mem::swap`] should be preferred.
744 ///
745 /// * The two pointed-to values may overlap. If the values do overlap, then the
746 ///   overlapping region of memory from `x` will be used. This is demonstrated
747 ///   in the second example below.
748 ///
749 /// * The operation is "untyped" in the sense that data may be uninitialized or otherwise violate
750 ///   the requirements of `T`. The initialization state is preserved exactly.
751 ///
752 /// # Safety
753 ///
754 /// Behavior is undefined if any of the following conditions are violated:
755 ///
756 /// * Both `x` and `y` must be [valid] for both reads and writes.
757 ///
758 /// * Both `x` and `y` must be properly aligned.
759 ///
760 /// Note that even if `T` has size `0`, the pointers must be non-null and properly aligned.
761 ///
762 /// [valid]: self#safety
763 ///
764 /// # Examples
765 ///
766 /// Swapping two non-overlapping regions:
767 ///
768 /// ```
769 /// use std::ptr;
770 ///
771 /// let mut array = [0, 1, 2, 3];
772 ///
773 /// let (x, y) = array.split_at_mut(2);
774 /// let x = x.as_mut_ptr().cast::<[u32; 2]>(); // this is `array[0..2]`
775 /// let y = y.as_mut_ptr().cast::<[u32; 2]>(); // this is `array[2..4]`
776 ///
777 /// unsafe {
778 ///     ptr::swap(x, y);
779 ///     assert_eq!([2, 3, 0, 1], array);
780 /// }
781 /// ```
782 ///
783 /// Swapping two overlapping regions:
784 ///
785 /// ```
786 /// use std::ptr;
787 ///
788 /// let mut array: [i32; 4] = [0, 1, 2, 3];
789 ///
790 /// let array_ptr: *mut i32 = array.as_mut_ptr();
791 ///
792 /// let x = array_ptr as *mut [i32; 3]; // this is `array[0..3]`
793 /// let y = unsafe { array_ptr.add(1) } as *mut [i32; 3]; // this is `array[1..4]`
794 ///
795 /// unsafe {
796 ///     ptr::swap(x, y);
797 ///     // The indices `1..3` of the slice overlap between `x` and `y`.
798 ///     // Reasonable results would be for to them be `[2, 3]`, so that indices `0..3` are
799 ///     // `[1, 2, 3]` (matching `y` before the `swap`); or for them to be `[0, 1]`
800 ///     // so that indices `1..4` are `[0, 1, 2]` (matching `x` before the `swap`).
801 ///     // This implementation is defined to make the latter choice.
802 ///     assert_eq!([1, 0, 1, 2], array);
803 /// }
804 /// ```
805 #[inline]
806 #[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
807 #[rustc_const_unstable(feature = "const_swap", issue = "83163")]
808 pub const unsafe fn swap<T>(x: *mut T, y: *mut T) {
809     // Give ourselves some scratch space to work with.
810     // We do not have to worry about drops: `MaybeUninit` does nothing when dropped.
811     let mut tmp = MaybeUninit::<T>::uninit();
812
813     // Perform the swap
814     // SAFETY: the caller must guarantee that `x` and `y` are
815     // valid for writes and properly aligned. `tmp` cannot be
816     // overlapping either `x` or `y` because `tmp` was just allocated
817     // on the stack as a separate allocated object.
818     unsafe {
819         copy_nonoverlapping(x, tmp.as_mut_ptr(), 1);
820         copy(y, x, 1); // `x` and `y` may overlap
821         copy_nonoverlapping(tmp.as_ptr(), y, 1);
822     }
823 }
824
825 /// Swaps `count * size_of::<T>()` bytes between the two regions of memory
826 /// beginning at `x` and `y`. The two regions must *not* overlap.
827 ///
828 /// The operation is "untyped" in the sense that data may be uninitialized or otherwise violate the
829 /// requirements of `T`. The initialization state is preserved exactly.
830 ///
831 /// # Safety
832 ///
833 /// Behavior is undefined if any of the following conditions are violated:
834 ///
835 /// * Both `x` and `y` must be [valid] for both reads and writes of `count *
836 ///   size_of::<T>()` bytes.
837 ///
838 /// * Both `x` and `y` must be properly aligned.
839 ///
840 /// * The region of memory beginning at `x` with a size of `count *
841 ///   size_of::<T>()` bytes must *not* overlap with the region of memory
842 ///   beginning at `y` with the same size.
843 ///
844 /// Note that even if the effectively copied size (`count * size_of::<T>()`) is `0`,
845 /// the pointers must be non-null and properly aligned.
846 ///
847 /// [valid]: self#safety
848 ///
849 /// # Examples
850 ///
851 /// Basic usage:
852 ///
853 /// ```
854 /// use std::ptr;
855 ///
856 /// let mut x = [1, 2, 3, 4];
857 /// let mut y = [7, 8, 9];
858 ///
859 /// unsafe {
860 ///     ptr::swap_nonoverlapping(x.as_mut_ptr(), y.as_mut_ptr(), 2);
861 /// }
862 ///
863 /// assert_eq!(x, [7, 8, 3, 4]);
864 /// assert_eq!(y, [1, 2, 9]);
865 /// ```
866 #[inline]
867 #[stable(feature = "swap_nonoverlapping", since = "1.27.0")]
868 #[rustc_const_unstable(feature = "const_swap", issue = "83163")]
869 pub const unsafe fn swap_nonoverlapping<T>(x: *mut T, y: *mut T, count: usize) {
870     #[allow(unused)]
871     macro_rules! attempt_swap_as_chunks {
872         ($ChunkTy:ty) => {
873             if mem::align_of::<T>() >= mem::align_of::<$ChunkTy>()
874                 && mem::size_of::<T>() % mem::size_of::<$ChunkTy>() == 0
875             {
876                 let x: *mut $ChunkTy = x.cast();
877                 let y: *mut $ChunkTy = y.cast();
878                 let count = count * (mem::size_of::<T>() / mem::size_of::<$ChunkTy>());
879                 // SAFETY: these are the same bytes that the caller promised were
880                 // ok, just typed as `MaybeUninit<ChunkTy>`s instead of as `T`s.
881                 // The `if` condition above ensures that we're not violating
882                 // alignment requirements, and that the division is exact so
883                 // that we don't lose any bytes off the end.
884                 return unsafe { swap_nonoverlapping_simple_untyped(x, y, count) };
885             }
886         };
887     }
888
889     // SAFETY: the caller must guarantee that `x` and `y` are
890     // valid for writes and properly aligned.
891     unsafe {
892         assert_unsafe_precondition!([T](x: *mut T, y: *mut T, count: usize) =>
893             is_aligned_and_not_null(x)
894                 && is_aligned_and_not_null(y)
895                 && is_nonoverlapping(x, y, count)
896         );
897     }
898
899     // NOTE(scottmcm) Miri is disabled here as reading in smaller units is a
900     // pessimization for it.  Also, if the type contains any unaligned pointers,
901     // copying those over multiple reads is difficult to support.
902     #[cfg(not(miri))]
903     {
904         // Split up the slice into small power-of-two-sized chunks that LLVM is able
905         // to vectorize (unless it's a special type with more-than-pointer alignment,
906         // because we don't want to pessimize things like slices of SIMD vectors.)
907         if mem::align_of::<T>() <= mem::size_of::<usize>()
908             && (!mem::size_of::<T>().is_power_of_two()
909                 || mem::size_of::<T>() > mem::size_of::<usize>() * 2)
910         {
911             attempt_swap_as_chunks!(usize);
912             attempt_swap_as_chunks!(u8);
913         }
914     }
915
916     // SAFETY: Same preconditions as this function
917     unsafe { swap_nonoverlapping_simple_untyped(x, y, count) }
918 }
919
920 /// Same behaviour and safety conditions as [`swap_nonoverlapping`]
921 ///
922 /// LLVM can vectorize this (at least it can for the power-of-two-sized types
923 /// `swap_nonoverlapping` tries to use) so no need to manually SIMD it.
924 #[inline]
925 #[rustc_const_unstable(feature = "const_swap", issue = "83163")]
926 const unsafe fn swap_nonoverlapping_simple_untyped<T>(x: *mut T, y: *mut T, count: usize) {
927     let x = x.cast::<MaybeUninit<T>>();
928     let y = y.cast::<MaybeUninit<T>>();
929     let mut i = 0;
930     while i < count {
931         // SAFETY: By precondition, `i` is in-bounds because it's below `n`
932         let x = unsafe { &mut *x.add(i) };
933         // SAFETY: By precondition, `i` is in-bounds because it's below `n`
934         // and it's distinct from `x` since the ranges are non-overlapping
935         let y = unsafe { &mut *y.add(i) };
936         mem::swap_simple::<MaybeUninit<T>>(x, y);
937
938         i += 1;
939     }
940 }
941
942 /// Moves `src` into the pointed `dst`, returning the previous `dst` value.
943 ///
944 /// Neither value is dropped.
945 ///
946 /// This function is semantically equivalent to [`mem::replace`] except that it
947 /// operates on raw pointers instead of references. When references are
948 /// available, [`mem::replace`] should be preferred.
949 ///
950 /// # Safety
951 ///
952 /// Behavior is undefined if any of the following conditions are violated:
953 ///
954 /// * `dst` must be [valid] for both reads and writes.
955 ///
956 /// * `dst` must be properly aligned.
957 ///
958 /// * `dst` must point to a properly initialized value of type `T`.
959 ///
960 /// Note that even if `T` has size `0`, the pointer must be non-null and properly aligned.
961 ///
962 /// [valid]: self#safety
963 ///
964 /// # Examples
965 ///
966 /// ```
967 /// use std::ptr;
968 ///
969 /// let mut rust = vec!['b', 'u', 's', 't'];
970 ///
971 /// // `mem::replace` would have the same effect without requiring the unsafe
972 /// // block.
973 /// let b = unsafe {
974 ///     ptr::replace(&mut rust[0], 'r')
975 /// };
976 ///
977 /// assert_eq!(b, 'b');
978 /// assert_eq!(rust, &['r', 'u', 's', 't']);
979 /// ```
980 #[inline]
981 #[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
982 #[rustc_const_unstable(feature = "const_replace", issue = "83164")]
983 pub const unsafe fn replace<T>(dst: *mut T, mut src: T) -> T {
984     // SAFETY: the caller must guarantee that `dst` is valid to be
985     // cast to a mutable reference (valid for writes, aligned, initialized),
986     // and cannot overlap `src` since `dst` must point to a distinct
987     // allocated object.
988     unsafe {
989         assert_unsafe_precondition!([T](dst: *mut T) => is_aligned_and_not_null(dst));
990         mem::swap(&mut *dst, &mut src); // cannot overlap
991     }
992     src
993 }
994
995 /// Reads the value from `src` without moving it. This leaves the
996 /// memory in `src` unchanged.
997 ///
998 /// # Safety
999 ///
1000 /// Behavior is undefined if any of the following conditions are violated:
1001 ///
1002 /// * `src` must be [valid] for reads.
1003 ///
1004 /// * `src` must be properly aligned. Use [`read_unaligned`] if this is not the
1005 ///   case.
1006 ///
1007 /// * `src` must point to a properly initialized value of type `T`.
1008 ///
1009 /// Note that even if `T` has size `0`, the pointer must be non-null and properly aligned.
1010 ///
1011 /// # Examples
1012 ///
1013 /// Basic usage:
1014 ///
1015 /// ```
1016 /// let x = 12;
1017 /// let y = &x as *const i32;
1018 ///
1019 /// unsafe {
1020 ///     assert_eq!(std::ptr::read(y), 12);
1021 /// }
1022 /// ```
1023 ///
1024 /// Manually implement [`mem::swap`]:
1025 ///
1026 /// ```
1027 /// use std::ptr;
1028 ///
1029 /// fn swap<T>(a: &mut T, b: &mut T) {
1030 ///     unsafe {
1031 ///         // Create a bitwise copy of the value at `a` in `tmp`.
1032 ///         let tmp = ptr::read(a);
1033 ///
1034 ///         // Exiting at this point (either by explicitly returning or by
1035 ///         // calling a function which panics) would cause the value in `tmp` to
1036 ///         // be dropped while the same value is still referenced by `a`. This
1037 ///         // could trigger undefined behavior if `T` is not `Copy`.
1038 ///
1039 ///         // Create a bitwise copy of the value at `b` in `a`.
1040 ///         // This is safe because mutable references cannot alias.
1041 ///         ptr::copy_nonoverlapping(b, a, 1);
1042 ///
1043 ///         // As above, exiting here could trigger undefined behavior because
1044 ///         // the same value is referenced by `a` and `b`.
1045 ///
1046 ///         // Move `tmp` into `b`.
1047 ///         ptr::write(b, tmp);
1048 ///
1049 ///         // `tmp` has been moved (`write` takes ownership of its second argument),
1050 ///         // so nothing is dropped implicitly here.
1051 ///     }
1052 /// }
1053 ///
1054 /// let mut foo = "foo".to_owned();
1055 /// let mut bar = "bar".to_owned();
1056 ///
1057 /// swap(&mut foo, &mut bar);
1058 ///
1059 /// assert_eq!(foo, "bar");
1060 /// assert_eq!(bar, "foo");
1061 /// ```
1062 ///
1063 /// ## Ownership of the Returned Value
1064 ///
1065 /// `read` creates a bitwise copy of `T`, regardless of whether `T` is [`Copy`].
1066 /// If `T` is not [`Copy`], using both the returned value and the value at
1067 /// `*src` can violate memory safety. Note that assigning to `*src` counts as a
1068 /// use because it will attempt to drop the value at `*src`.
1069 ///
1070 /// [`write()`] can be used to overwrite data without causing it to be dropped.
1071 ///
1072 /// ```
1073 /// use std::ptr;
1074 ///
1075 /// let mut s = String::from("foo");
1076 /// unsafe {
1077 ///     // `s2` now points to the same underlying memory as `s`.
1078 ///     let mut s2: String = ptr::read(&s);
1079 ///
1080 ///     assert_eq!(s2, "foo");
1081 ///
1082 ///     // Assigning to `s2` causes its original value to be dropped. Beyond
1083 ///     // this point, `s` must no longer be used, as the underlying memory has
1084 ///     // been freed.
1085 ///     s2 = String::default();
1086 ///     assert_eq!(s2, "");
1087 ///
1088 ///     // Assigning to `s` would cause the old value to be dropped again,
1089 ///     // resulting in undefined behavior.
1090 ///     // s = String::from("bar"); // ERROR
1091 ///
1092 ///     // `ptr::write` can be used to overwrite a value without dropping it.
1093 ///     ptr::write(&mut s, String::from("bar"));
1094 /// }
1095 ///
1096 /// assert_eq!(s, "bar");
1097 /// ```
1098 ///
1099 /// [valid]: self#safety
1100 #[inline]
1101 #[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
1102 #[rustc_const_unstable(feature = "const_ptr_read", issue = "80377")]
1103 #[cfg_attr(miri, track_caller)] // even without panics, this helps for Miri backtraces
1104 pub const unsafe fn read<T>(src: *const T) -> T {
1105     // We are calling the intrinsics directly to avoid function calls in the generated code
1106     // as `intrinsics::copy_nonoverlapping` is a wrapper function.
1107     extern "rust-intrinsic" {
1108         #[rustc_const_stable(feature = "const_intrinsic_copy", since = "1.63.0")]
1109         fn copy_nonoverlapping<T>(src: *const T, dst: *mut T, count: usize);
1110     }
1111
1112     let mut tmp = MaybeUninit::<T>::uninit();
1113     // SAFETY: the caller must guarantee that `src` is valid for reads.
1114     // `src` cannot overlap `tmp` because `tmp` was just allocated on
1115     // the stack as a separate allocated object.
1116     //
1117     // Also, since we just wrote a valid value into `tmp`, it is guaranteed
1118     // to be properly initialized.
1119     unsafe {
1120         assert_unsafe_precondition!([T](src: *const T) => is_aligned_and_not_null(src));
1121         copy_nonoverlapping(src, tmp.as_mut_ptr(), 1);
1122         tmp.assume_init()
1123     }
1124 }
1125
1126 /// Reads the value from `src` without moving it. This leaves the
1127 /// memory in `src` unchanged.
1128 ///
1129 /// Unlike [`read`], `read_unaligned` works with unaligned pointers.
1130 ///
1131 /// # Safety
1132 ///
1133 /// Behavior is undefined if any of the following conditions are violated:
1134 ///
1135 /// * `src` must be [valid] for reads.
1136 ///
1137 /// * `src` must point to a properly initialized value of type `T`.
1138 ///
1139 /// Like [`read`], `read_unaligned` creates a bitwise copy of `T`, regardless of
1140 /// whether `T` is [`Copy`]. If `T` is not [`Copy`], using both the returned
1141 /// value and the value at `*src` can [violate memory safety][read-ownership].
1142 ///
1143 /// Note that even if `T` has size `0`, the pointer must be non-null.
1144 ///
1145 /// [read-ownership]: read#ownership-of-the-returned-value
1146 /// [valid]: self#safety
1147 ///
1148 /// ## On `packed` structs
1149 ///
1150 /// Attempting to create a raw pointer to an `unaligned` struct field with
1151 /// an expression such as `&packed.unaligned as *const FieldType` creates an
1152 /// intermediate unaligned reference before converting that to a raw pointer.
1153 /// That this reference is temporary and immediately cast is inconsequential
1154 /// as the compiler always expects references to be properly aligned.
1155 /// As a result, using `&packed.unaligned as *const FieldType` causes immediate
1156 /// *undefined behavior* in your program.
1157 ///
1158 /// Instead you must use the [`ptr::addr_of!`](addr_of) macro to
1159 /// create the pointer. You may use that returned pointer together with this
1160 /// function.
1161 ///
1162 /// An example of what not to do and how this relates to `read_unaligned` is:
1163 ///
1164 /// ```
1165 /// #[repr(packed, C)]
1166 /// struct Packed {
1167 ///     _padding: u8,
1168 ///     unaligned: u32,
1169 /// }
1170 ///
1171 /// let packed = Packed {
1172 ///     _padding: 0x00,
1173 ///     unaligned: 0x01020304,
1174 /// };
1175 ///
1176 /// // Take the address of a 32-bit integer which is not aligned.
1177 /// // In contrast to `&packed.unaligned as *const _`, this has no undefined behavior.
1178 /// let unaligned = std::ptr::addr_of!(packed.unaligned);
1179 ///
1180 /// let v = unsafe { std::ptr::read_unaligned(unaligned) };
1181 /// assert_eq!(v, 0x01020304);
1182 /// ```
1183 ///
1184 /// Accessing unaligned fields directly with e.g. `packed.unaligned` is safe however.
1185 ///
1186 /// # Examples
1187 ///
1188 /// Read a usize value from a byte buffer:
1189 ///
1190 /// ```
1191 /// use std::mem;
1192 ///
1193 /// fn read_usize(x: &[u8]) -> usize {
1194 ///     assert!(x.len() >= mem::size_of::<usize>());
1195 ///
1196 ///     let ptr = x.as_ptr() as *const usize;
1197 ///
1198 ///     unsafe { ptr.read_unaligned() }
1199 /// }
1200 /// ```
1201 #[inline]
1202 #[stable(feature = "ptr_unaligned", since = "1.17.0")]
1203 #[rustc_const_unstable(feature = "const_ptr_read", issue = "80377")]
1204 #[cfg_attr(miri, track_caller)] // even without panics, this helps for Miri backtraces
1205 pub const unsafe fn read_unaligned<T>(src: *const T) -> T {
1206     let mut tmp = MaybeUninit::<T>::uninit();
1207     // SAFETY: the caller must guarantee that `src` is valid for reads.
1208     // `src` cannot overlap `tmp` because `tmp` was just allocated on
1209     // the stack as a separate allocated object.
1210     //
1211     // Also, since we just wrote a valid value into `tmp`, it is guaranteed
1212     // to be properly initialized.
1213     unsafe {
1214         copy_nonoverlapping(src as *const u8, tmp.as_mut_ptr() as *mut u8, mem::size_of::<T>());
1215         tmp.assume_init()
1216     }
1217 }
1218
1219 /// Overwrites a memory location with the given value without reading or
1220 /// dropping the old value.
1221 ///
1222 /// `write` does not drop the contents of `dst`. This is safe, but it could leak
1223 /// allocations or resources, so care should be taken not to overwrite an object
1224 /// that should be dropped.
1225 ///
1226 /// Additionally, it does not drop `src`. Semantically, `src` is moved into the
1227 /// location pointed to by `dst`.
1228 ///
1229 /// This is appropriate for initializing uninitialized memory, or overwriting
1230 /// memory that has previously been [`read`] from.
1231 ///
1232 /// # Safety
1233 ///
1234 /// Behavior is undefined if any of the following conditions are violated:
1235 ///
1236 /// * `dst` must be [valid] for writes.
1237 ///
1238 /// * `dst` must be properly aligned. Use [`write_unaligned`] if this is not the
1239 ///   case.
1240 ///
1241 /// Note that even if `T` has size `0`, the pointer must be non-null and properly aligned.
1242 ///
1243 /// [valid]: self#safety
1244 ///
1245 /// # Examples
1246 ///
1247 /// Basic usage:
1248 ///
1249 /// ```
1250 /// let mut x = 0;
1251 /// let y = &mut x as *mut i32;
1252 /// let z = 12;
1253 ///
1254 /// unsafe {
1255 ///     std::ptr::write(y, z);
1256 ///     assert_eq!(std::ptr::read(y), 12);
1257 /// }
1258 /// ```
1259 ///
1260 /// Manually implement [`mem::swap`]:
1261 ///
1262 /// ```
1263 /// use std::ptr;
1264 ///
1265 /// fn swap<T>(a: &mut T, b: &mut T) {
1266 ///     unsafe {
1267 ///         // Create a bitwise copy of the value at `a` in `tmp`.
1268 ///         let tmp = ptr::read(a);
1269 ///
1270 ///         // Exiting at this point (either by explicitly returning or by
1271 ///         // calling a function which panics) would cause the value in `tmp` to
1272 ///         // be dropped while the same value is still referenced by `a`. This
1273 ///         // could trigger undefined behavior if `T` is not `Copy`.
1274 ///
1275 ///         // Create a bitwise copy of the value at `b` in `a`.
1276 ///         // This is safe because mutable references cannot alias.
1277 ///         ptr::copy_nonoverlapping(b, a, 1);
1278 ///
1279 ///         // As above, exiting here could trigger undefined behavior because
1280 ///         // the same value is referenced by `a` and `b`.
1281 ///
1282 ///         // Move `tmp` into `b`.
1283 ///         ptr::write(b, tmp);
1284 ///
1285 ///         // `tmp` has been moved (`write` takes ownership of its second argument),
1286 ///         // so nothing is dropped implicitly here.
1287 ///     }
1288 /// }
1289 ///
1290 /// let mut foo = "foo".to_owned();
1291 /// let mut bar = "bar".to_owned();
1292 ///
1293 /// swap(&mut foo, &mut bar);
1294 ///
1295 /// assert_eq!(foo, "bar");
1296 /// assert_eq!(bar, "foo");
1297 /// ```
1298 #[inline]
1299 #[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
1300 #[rustc_const_unstable(feature = "const_ptr_write", issue = "86302")]
1301 #[cfg_attr(miri, track_caller)] // even without panics, this helps for Miri backtraces
1302 pub const unsafe fn write<T>(dst: *mut T, src: T) {
1303     // We are calling the intrinsics directly to avoid function calls in the generated code
1304     // as `intrinsics::copy_nonoverlapping` is a wrapper function.
1305     extern "rust-intrinsic" {
1306         #[rustc_const_stable(feature = "const_intrinsic_copy", since = "1.63.0")]
1307         fn copy_nonoverlapping<T>(src: *const T, dst: *mut T, count: usize);
1308     }
1309
1310     // SAFETY: the caller must guarantee that `dst` is valid for writes.
1311     // `dst` cannot overlap `src` because the caller has mutable access
1312     // to `dst` while `src` is owned by this function.
1313     unsafe {
1314         assert_unsafe_precondition!([T](dst: *mut T) => is_aligned_and_not_null(dst));
1315         copy_nonoverlapping(&src as *const T, dst, 1);
1316         intrinsics::forget(src);
1317     }
1318 }
1319
1320 /// Overwrites a memory location with the given value without reading or
1321 /// dropping the old value.
1322 ///
1323 /// Unlike [`write()`], the pointer may be unaligned.
1324 ///
1325 /// `write_unaligned` does not drop the contents of `dst`. This is safe, but it
1326 /// could leak allocations or resources, so care should be taken not to overwrite
1327 /// an object that should be dropped.
1328 ///
1329 /// Additionally, it does not drop `src`. Semantically, `src` is moved into the
1330 /// location pointed to by `dst`.
1331 ///
1332 /// This is appropriate for initializing uninitialized memory, or overwriting
1333 /// memory that has previously been read with [`read_unaligned`].
1334 ///
1335 /// # Safety
1336 ///
1337 /// Behavior is undefined if any of the following conditions are violated:
1338 ///
1339 /// * `dst` must be [valid] for writes.
1340 ///
1341 /// Note that even if `T` has size `0`, the pointer must be non-null.
1342 ///
1343 /// [valid]: self#safety
1344 ///
1345 /// ## On `packed` structs
1346 ///
1347 /// Attempting to create a raw pointer to an `unaligned` struct field with
1348 /// an expression such as `&packed.unaligned as *const FieldType` creates an
1349 /// intermediate unaligned reference before converting that to a raw pointer.
1350 /// That this reference is temporary and immediately cast is inconsequential
1351 /// as the compiler always expects references to be properly aligned.
1352 /// As a result, using `&packed.unaligned as *const FieldType` causes immediate
1353 /// *undefined behavior* in your program.
1354 ///
1355 /// Instead you must use the [`ptr::addr_of_mut!`](addr_of_mut)
1356 /// macro to create the pointer. You may use that returned pointer together with
1357 /// this function.
1358 ///
1359 /// An example of how to do it and how this relates to `write_unaligned` is:
1360 ///
1361 /// ```
1362 /// #[repr(packed, C)]
1363 /// struct Packed {
1364 ///     _padding: u8,
1365 ///     unaligned: u32,
1366 /// }
1367 ///
1368 /// let mut packed: Packed = unsafe { std::mem::zeroed() };
1369 ///
1370 /// // Take the address of a 32-bit integer which is not aligned.
1371 /// // In contrast to `&packed.unaligned as *mut _`, this has no undefined behavior.
1372 /// let unaligned = std::ptr::addr_of_mut!(packed.unaligned);
1373 ///
1374 /// unsafe { std::ptr::write_unaligned(unaligned, 42) };
1375 ///
1376 /// assert_eq!({packed.unaligned}, 42); // `{...}` forces copying the field instead of creating a reference.
1377 /// ```
1378 ///
1379 /// Accessing unaligned fields directly with e.g. `packed.unaligned` is safe however
1380 /// (as can be seen in the `assert_eq!` above).
1381 ///
1382 /// # Examples
1383 ///
1384 /// Write a usize value to a byte buffer:
1385 ///
1386 /// ```
1387 /// use std::mem;
1388 ///
1389 /// fn write_usize(x: &mut [u8], val: usize) {
1390 ///     assert!(x.len() >= mem::size_of::<usize>());
1391 ///
1392 ///     let ptr = x.as_mut_ptr() as *mut usize;
1393 ///
1394 ///     unsafe { ptr.write_unaligned(val) }
1395 /// }
1396 /// ```
1397 #[inline]
1398 #[stable(feature = "ptr_unaligned", since = "1.17.0")]
1399 #[rustc_const_unstable(feature = "const_ptr_write", issue = "86302")]
1400 #[cfg_attr(miri, track_caller)] // even without panics, this helps for Miri backtraces
1401 pub const unsafe fn write_unaligned<T>(dst: *mut T, src: T) {
1402     // SAFETY: the caller must guarantee that `dst` is valid for writes.
1403     // `dst` cannot overlap `src` because the caller has mutable access
1404     // to `dst` while `src` is owned by this function.
1405     unsafe {
1406         copy_nonoverlapping(&src as *const T as *const u8, dst as *mut u8, mem::size_of::<T>());
1407         // We are calling the intrinsic directly to avoid function calls in the generated code.
1408         intrinsics::forget(src);
1409     }
1410 }
1411
1412 /// Performs a volatile read of the value from `src` without moving it. This
1413 /// leaves the memory in `src` unchanged.
1414 ///
1415 /// Volatile operations are intended to act on I/O memory, and are guaranteed
1416 /// to not be elided or reordered by the compiler across other volatile
1417 /// operations.
1418 ///
1419 /// # Notes
1420 ///
1421 /// Rust does not currently have a rigorously and formally defined memory model,
1422 /// so the precise semantics of what "volatile" means here is subject to change
1423 /// over time. That being said, the semantics will almost always end up pretty
1424 /// similar to [C11's definition of volatile][c11].
1425 ///
1426 /// The compiler shouldn't change the relative order or number of volatile
1427 /// memory operations. However, volatile memory operations on zero-sized types
1428 /// (e.g., if a zero-sized type is passed to `read_volatile`) are noops
1429 /// and may be ignored.
1430 ///
1431 /// [c11]: http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg14/www/docs/n1570.pdf
1432 ///
1433 /// # Safety
1434 ///
1435 /// Behavior is undefined if any of the following conditions are violated:
1436 ///
1437 /// * `src` must be [valid] for reads.
1438 ///
1439 /// * `src` must be properly aligned.
1440 ///
1441 /// * `src` must point to a properly initialized value of type `T`.
1442 ///
1443 /// Like [`read`], `read_volatile` creates a bitwise copy of `T`, regardless of
1444 /// whether `T` is [`Copy`]. If `T` is not [`Copy`], using both the returned
1445 /// value and the value at `*src` can [violate memory safety][read-ownership].
1446 /// However, storing non-[`Copy`] types in volatile memory is almost certainly
1447 /// incorrect.
1448 ///
1449 /// Note that even if `T` has size `0`, the pointer must be non-null and properly aligned.
1450 ///
1451 /// [valid]: self#safety
1452 /// [read-ownership]: read#ownership-of-the-returned-value
1453 ///
1454 /// Just like in C, whether an operation is volatile has no bearing whatsoever
1455 /// on questions involving concurrent access from multiple threads. Volatile
1456 /// accesses behave exactly like non-atomic accesses in that regard. In particular,
1457 /// a race between a `read_volatile` and any write operation to the same location
1458 /// is undefined behavior.
1459 ///
1460 /// # Examples
1461 ///
1462 /// Basic usage:
1463 ///
1464 /// ```
1465 /// let x = 12;
1466 /// let y = &x as *const i32;
1467 ///
1468 /// unsafe {
1469 ///     assert_eq!(std::ptr::read_volatile(y), 12);
1470 /// }
1471 /// ```
1472 #[inline]
1473 #[stable(feature = "volatile", since = "1.9.0")]
1474 #[cfg_attr(miri, track_caller)] // even without panics, this helps for Miri backtraces
1475 pub unsafe fn read_volatile<T>(src: *const T) -> T {
1476     // SAFETY: the caller must uphold the safety contract for `volatile_load`.
1477     unsafe {
1478         assert_unsafe_precondition!([T](src: *const T) => is_aligned_and_not_null(src));
1479         intrinsics::volatile_load(src)
1480     }
1481 }
1482
1483 /// Performs a volatile write of a memory location with the given value without
1484 /// reading or dropping the old value.
1485 ///
1486 /// Volatile operations are intended to act on I/O memory, and are guaranteed
1487 /// to not be elided or reordered by the compiler across other volatile
1488 /// operations.
1489 ///
1490 /// `write_volatile` does not drop the contents of `dst`. This is safe, but it
1491 /// could leak allocations or resources, so care should be taken not to overwrite
1492 /// an object that should be dropped.
1493 ///
1494 /// Additionally, it does not drop `src`. Semantically, `src` is moved into the
1495 /// location pointed to by `dst`.
1496 ///
1497 /// # Notes
1498 ///
1499 /// Rust does not currently have a rigorously and formally defined memory model,
1500 /// so the precise semantics of what "volatile" means here is subject to change
1501 /// over time. That being said, the semantics will almost always end up pretty
1502 /// similar to [C11's definition of volatile][c11].
1503 ///
1504 /// The compiler shouldn't change the relative order or number of volatile
1505 /// memory operations. However, volatile memory operations on zero-sized types
1506 /// (e.g., if a zero-sized type is passed to `write_volatile`) are noops
1507 /// and may be ignored.
1508 ///
1509 /// [c11]: http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg14/www/docs/n1570.pdf
1510 ///
1511 /// # Safety
1512 ///
1513 /// Behavior is undefined if any of the following conditions are violated:
1514 ///
1515 /// * `dst` must be [valid] for writes.
1516 ///
1517 /// * `dst` must be properly aligned.
1518 ///
1519 /// Note that even if `T` has size `0`, the pointer must be non-null and properly aligned.
1520 ///
1521 /// [valid]: self#safety
1522 ///
1523 /// Just like in C, whether an operation is volatile has no bearing whatsoever
1524 /// on questions involving concurrent access from multiple threads. Volatile
1525 /// accesses behave exactly like non-atomic accesses in that regard. In particular,
1526 /// a race between a `write_volatile` and any other operation (reading or writing)
1527 /// on the same location is undefined behavior.
1528 ///
1529 /// # Examples
1530 ///
1531 /// Basic usage:
1532 ///
1533 /// ```
1534 /// let mut x = 0;
1535 /// let y = &mut x as *mut i32;
1536 /// let z = 12;
1537 ///
1538 /// unsafe {
1539 ///     std::ptr::write_volatile(y, z);
1540 ///     assert_eq!(std::ptr::read_volatile(y), 12);
1541 /// }
1542 /// ```
1543 #[inline]
1544 #[stable(feature = "volatile", since = "1.9.0")]
1545 #[cfg_attr(miri, track_caller)] // even without panics, this helps for Miri backtraces
1546 pub unsafe fn write_volatile<T>(dst: *mut T, src: T) {
1547     // SAFETY: the caller must uphold the safety contract for `volatile_store`.
1548     unsafe {
1549         assert_unsafe_precondition!([T](dst: *mut T) => is_aligned_and_not_null(dst));
1550         intrinsics::volatile_store(dst, src);
1551     }
1552 }
1553
1554 /// Align pointer `p`.
1555 ///
1556 /// Calculate offset (in terms of elements of `stride` stride) that has to be applied
1557 /// to pointer `p` so that pointer `p` would get aligned to `a`.
1558 ///
1559 /// Note: This implementation has been carefully tailored to not panic. It is UB for this to panic.
1560 /// The only real change that can be made here is change of `INV_TABLE_MOD_16` and associated
1561 /// constants.
1562 ///
1563 /// If we ever decide to make it possible to call the intrinsic with `a` that is not a
1564 /// power-of-two, it will probably be more prudent to just change to a naive implementation rather
1565 /// than trying to adapt this to accommodate that change.
1566 ///
1567 /// Any questions go to @nagisa.
1568 #[lang = "align_offset"]
1569 pub(crate) unsafe fn align_offset<T: Sized>(p: *const T, a: usize) -> usize {
1570     // FIXME(#75598): Direct use of these intrinsics improves codegen significantly at opt-level <=
1571     // 1, where the method versions of these operations are not inlined.
1572     use intrinsics::{
1573         cttz_nonzero, exact_div, unchecked_rem, unchecked_shl, unchecked_shr, unchecked_sub,
1574         wrapping_add, wrapping_mul, wrapping_sub,
1575     };
1576
1577     /// Calculate multiplicative modular inverse of `x` modulo `m`.
1578     ///
1579     /// This implementation is tailored for `align_offset` and has following preconditions:
1580     ///
1581     /// * `m` is a power-of-two;
1582     /// * `x < m`; (if `x ≥ m`, pass in `x % m` instead)
1583     ///
1584     /// Implementation of this function shall not panic. Ever.
1585     #[inline]
1586     unsafe fn mod_inv(x: usize, m: usize) -> usize {
1587         /// Multiplicative modular inverse table modulo 2⁴ = 16.
1588         ///
1589         /// Note, that this table does not contain values where inverse does not exist (i.e., for
1590         /// `0⁻¹ mod 16`, `2⁻¹ mod 16`, etc.)
1591         const INV_TABLE_MOD_16: [u8; 8] = [1, 11, 13, 7, 9, 3, 5, 15];
1592         /// Modulo for which the `INV_TABLE_MOD_16` is intended.
1593         const INV_TABLE_MOD: usize = 16;
1594         /// INV_TABLE_MOD²
1595         const INV_TABLE_MOD_SQUARED: usize = INV_TABLE_MOD * INV_TABLE_MOD;
1596
1597         let table_inverse = INV_TABLE_MOD_16[(x & (INV_TABLE_MOD - 1)) >> 1] as usize;
1598         // SAFETY: `m` is required to be a power-of-two, hence non-zero.
1599         let m_minus_one = unsafe { unchecked_sub(m, 1) };
1600         if m <= INV_TABLE_MOD {
1601             table_inverse & m_minus_one
1602         } else {
1603             // We iterate "up" using the following formula:
1604             //
1605             // $$ xy ≡ 1 (mod 2ⁿ) → xy (2 - xy) ≡ 1 (mod 2²ⁿ) $$
1606             //
1607             // until 2²ⁿ ≥ m. Then we can reduce to our desired `m` by taking the result `mod m`.
1608             let mut inverse = table_inverse;
1609             let mut going_mod = INV_TABLE_MOD_SQUARED;
1610             loop {
1611                 // y = y * (2 - xy) mod n
1612                 //
1613                 // Note, that we use wrapping operations here intentionally – the original formula
1614                 // uses e.g., subtraction `mod n`. It is entirely fine to do them `mod
1615                 // usize::MAX` instead, because we take the result `mod n` at the end
1616                 // anyway.
1617                 inverse = wrapping_mul(inverse, wrapping_sub(2usize, wrapping_mul(x, inverse)));
1618                 if going_mod >= m {
1619                     return inverse & m_minus_one;
1620                 }
1621                 going_mod = wrapping_mul(going_mod, going_mod);
1622             }
1623         }
1624     }
1625
1626     let addr = p.addr();
1627     let stride = mem::size_of::<T>();
1628     // SAFETY: `a` is a power-of-two, therefore non-zero.
1629     let a_minus_one = unsafe { unchecked_sub(a, 1) };
1630
1631     if stride == 0 {
1632         // SPECIAL_CASE: handle 0-sized types. No matter how many times we step, the address will
1633         // stay the same, so no offset will be able to align the pointer unless it is already
1634         // aligned. This branch _will_ be optimized out as `stride` is known at compile-time.
1635         let p_mod_a = addr & a_minus_one;
1636         return if p_mod_a == 0 { 0 } else { usize::MAX };
1637     }
1638
1639     // SAFETY: `stride == 0` case has been handled by the special case above.
1640     let a_mod_stride = unsafe { unchecked_rem(a, stride) };
1641     if a_mod_stride == 0 {
1642         // SPECIAL_CASE: In cases where the `a` is divisible by `stride`, byte offset to align a
1643         // pointer can be computed more simply through `-p (mod a)`. In the off-chance the byte
1644         // offset is not a multiple of `stride`, the input pointer was misaligned and no pointer
1645         // offset will be able to produce a `p` aligned to the specified `a`.
1646         //
1647         // The naive `-p (mod a)` equation  inhibits LLVM's ability to select instructions
1648         // like `lea`. We compute `(round_up_to_next_alignment(p, a) - p)` instead. This
1649         // redistributes operations around the load-bearing, but pessimizing `and` instruction
1650         // sufficiently for LLVM to be able to utilize the various optimizations it knows about.
1651         //
1652         // LLVM handles the branch here particularly nicely. If this branch needs to be evaluated
1653         // at runtime, it will produce a mask `if addr_mod_stride == 0 { 0 } else { usize::MAX }`
1654         // in a branch-free way and then bitwise-OR it with whatever result the `-p mod a`
1655         // computation produces.
1656
1657         // SAFETY: `stride == 0` case has been handled by the special case above.
1658         let addr_mod_stride = unsafe { unchecked_rem(addr, stride) };
1659
1660         return if addr_mod_stride == 0 {
1661             let aligned_address = wrapping_add(addr, a_minus_one) & wrapping_sub(0, a);
1662             let byte_offset = wrapping_sub(aligned_address, addr);
1663             // SAFETY: `stride` is non-zero. This is guaranteed to divide exactly as well, because
1664             // addr has been verified to be aligned to the original type’s alignment requirements.
1665             unsafe { exact_div(byte_offset, stride) }
1666         } else {
1667             usize::MAX
1668         };
1669     }
1670
1671     // GENERAL_CASE: From here on we’re handling the very general case where `addr` may be
1672     // misaligned, there isn’t an obvious relationship between `stride` and `a` that we can take an
1673     // advantage of, etc. This case produces machine code that isn’t particularly high quality,
1674     // compared to the special cases above. The code produced here is still within the realm of
1675     // miracles, given the situations this case has to deal with.
1676
1677     // SAFETY: a is power-of-two hence non-zero. stride == 0 case is handled above.
1678     let gcdpow = unsafe { cttz_nonzero(stride).min(cttz_nonzero(a)) };
1679     // SAFETY: gcdpow has an upper-bound that’s at most the number of bits in a usize.
1680     let gcd = unsafe { unchecked_shl(1usize, gcdpow) };
1681     // SAFETY: gcd is always greater or equal to 1.
1682     if addr & unsafe { unchecked_sub(gcd, 1) } == 0 {
1683         // This branch solves for the following linear congruence equation:
1684         //
1685         // ` p + so = 0 mod a `
1686         //
1687         // `p` here is the pointer value, `s` - stride of `T`, `o` offset in `T`s, and `a` - the
1688         // requested alignment.
1689         //
1690         // With `g = gcd(a, s)`, and the above condition asserting that `p` is also divisible by
1691         // `g`, we can denote `a' = a/g`, `s' = s/g`, `p' = p/g`, then this becomes equivalent to:
1692         //
1693         // ` p' + s'o = 0 mod a' `
1694         // ` o = (a' - (p' mod a')) * (s'^-1 mod a') `
1695         //
1696         // The first term is "the relative alignment of `p` to `a`" (divided by the `g`), the
1697         // second term is "how does incrementing `p` by `s` bytes change the relative alignment of
1698         // `p`" (again divided by `g`). Division by `g` is necessary to make the inverse well
1699         // formed if `a` and `s` are not co-prime.
1700         //
1701         // Furthermore, the result produced by this solution is not "minimal", so it is necessary
1702         // to take the result `o mod lcm(s, a)`. This `lcm(s, a)` is the same as `a'`.
1703
1704         // SAFETY: `gcdpow` has an upper-bound not greater than the number of trailing 0-bits in
1705         // `a`.
1706         let a2 = unsafe { unchecked_shr(a, gcdpow) };
1707         // SAFETY: `a2` is non-zero. Shifting `a` by `gcdpow` cannot shift out any of the set bits
1708         // in `a` (of which it has exactly one).
1709         let a2minus1 = unsafe { unchecked_sub(a2, 1) };
1710         // SAFETY: `gcdpow` has an upper-bound not greater than the number of trailing 0-bits in
1711         // `a`.
1712         let s2 = unsafe { unchecked_shr(stride & a_minus_one, gcdpow) };
1713         // SAFETY: `gcdpow` has an upper-bound not greater than the number of trailing 0-bits in
1714         // `a`. Furthermore, the subtraction cannot overflow, because `a2 = a >> gcdpow` will
1715         // always be strictly greater than `(p % a) >> gcdpow`.
1716         let minusp2 = unsafe { unchecked_sub(a2, unchecked_shr(addr & a_minus_one, gcdpow)) };
1717         // SAFETY: `a2` is a power-of-two, as proven above. `s2` is strictly less than `a2`
1718         // because `(s % a) >> gcdpow` is strictly less than `a >> gcdpow`.
1719         return wrapping_mul(minusp2, unsafe { mod_inv(s2, a2) }) & a2minus1;
1720     }
1721
1722     // Cannot be aligned at all.
1723     usize::MAX
1724 }
1725
1726 /// Compares raw pointers for equality.
1727 ///
1728 /// This is the same as using the `==` operator, but less generic:
1729 /// the arguments have to be `*const T` raw pointers,
1730 /// not anything that implements `PartialEq`.
1731 ///
1732 /// This can be used to compare `&T` references (which coerce to `*const T` implicitly)
1733 /// by their address rather than comparing the values they point to
1734 /// (which is what the `PartialEq for &T` implementation does).
1735 ///
1736 /// # Examples
1737 ///
1738 /// ```
1739 /// use std::ptr;
1740 ///
1741 /// let five = 5;
1742 /// let other_five = 5;
1743 /// let five_ref = &five;
1744 /// let same_five_ref = &five;
1745 /// let other_five_ref = &other_five;
1746 ///
1747 /// assert!(five_ref == same_five_ref);
1748 /// assert!(ptr::eq(five_ref, same_five_ref));
1749 ///
1750 /// assert!(five_ref == other_five_ref);
1751 /// assert!(!ptr::eq(five_ref, other_five_ref));
1752 /// ```
1753 ///
1754 /// Slices are also compared by their length (fat pointers):
1755 ///
1756 /// ```
1757 /// let a = [1, 2, 3];
1758 /// assert!(std::ptr::eq(&a[..3], &a[..3]));
1759 /// assert!(!std::ptr::eq(&a[..2], &a[..3]));
1760 /// assert!(!std::ptr::eq(&a[0..2], &a[1..3]));
1761 /// ```
1762 ///
1763 /// Traits are also compared by their implementation:
1764 ///
1765 /// ```
1766 /// #[repr(transparent)]
1767 /// struct Wrapper { member: i32 }
1768 ///
1769 /// trait Trait {}
1770 /// impl Trait for Wrapper {}
1771 /// impl Trait for i32 {}
1772 ///
1773 /// let wrapper = Wrapper { member: 10 };
1774 ///
1775 /// // Pointers have equal addresses.
1776 /// assert!(std::ptr::eq(
1777 ///     &wrapper as *const Wrapper as *const u8,
1778 ///     &wrapper.member as *const i32 as *const u8
1779 /// ));
1780 ///
1781 /// // Objects have equal addresses, but `Trait` has different implementations.
1782 /// assert!(!std::ptr::eq(
1783 ///     &wrapper as &dyn Trait,
1784 ///     &wrapper.member as &dyn Trait,
1785 /// ));
1786 /// assert!(!std::ptr::eq(
1787 ///     &wrapper as &dyn Trait as *const dyn Trait,
1788 ///     &wrapper.member as &dyn Trait as *const dyn Trait,
1789 /// ));
1790 ///
1791 /// // Converting the reference to a `*const u8` compares by address.
1792 /// assert!(std::ptr::eq(
1793 ///     &wrapper as &dyn Trait as *const dyn Trait as *const u8,
1794 ///     &wrapper.member as &dyn Trait as *const dyn Trait as *const u8,
1795 /// ));
1796 /// ```
1797 #[stable(feature = "ptr_eq", since = "1.17.0")]
1798 #[inline]
1799 pub fn eq<T: ?Sized>(a: *const T, b: *const T) -> bool {
1800     a == b
1801 }
1802
1803 /// Hash a raw pointer.
1804 ///
1805 /// This can be used to hash a `&T` reference (which coerces to `*const T` implicitly)
1806 /// by its address rather than the value it points to
1807 /// (which is what the `Hash for &T` implementation does).
1808 ///
1809 /// # Examples
1810 ///
1811 /// ```
1812 /// use std::collections::hash_map::DefaultHasher;
1813 /// use std::hash::{Hash, Hasher};
1814 /// use std::ptr;
1815 ///
1816 /// let five = 5;
1817 /// let five_ref = &five;
1818 ///
1819 /// let mut hasher = DefaultHasher::new();
1820 /// ptr::hash(five_ref, &mut hasher);
1821 /// let actual = hasher.finish();
1822 ///
1823 /// let mut hasher = DefaultHasher::new();
1824 /// (five_ref as *const i32).hash(&mut hasher);
1825 /// let expected = hasher.finish();
1826 ///
1827 /// assert_eq!(actual, expected);
1828 /// ```
1829 #[stable(feature = "ptr_hash", since = "1.35.0")]
1830 pub fn hash<T: ?Sized, S: hash::Hasher>(hashee: *const T, into: &mut S) {
1831     use crate::hash::Hash;
1832     hashee.hash(into);
1833 }
1834
1835 // If this is a unary fn pointer, it adds a doc comment.
1836 // Otherwise, it hides the docs entirely.
1837 macro_rules! maybe_fnptr_doc {
1838     (@ #[$meta:meta] $item:item) => {
1839         #[doc(hidden)]
1840         #[$meta]
1841         $item
1842     };
1843     ($a:ident @ #[$meta:meta] $item:item) => {
1844         #[doc(fake_variadic)]
1845         #[doc = "This trait is implemented for function pointers with up to twelve arguments."]
1846         #[$meta]
1847         $item
1848     };
1849     ($a:ident $($rest_a:ident)+ @ #[$meta:meta] $item:item) => {
1850         #[doc(hidden)]
1851         #[$meta]
1852         $item
1853     };
1854 }
1855
1856 // FIXME(strict_provenance_magic): function pointers have buggy codegen that
1857 // necessitates casting to a usize to get the backend to do the right thing.
1858 // for now I will break AVR to silence *a billion* lints. We should probably
1859 // have a proper "opaque function pointer type" to handle this kind of thing.
1860
1861 // Impls for function pointers
1862 macro_rules! fnptr_impls_safety_abi {
1863     ($FnTy: ty, $($Arg: ident),*) => {
1864         fnptr_impls_safety_abi! { #[stable(feature = "fnptr_impls", since = "1.4.0")] $FnTy, $($Arg),* }
1865     };
1866     (@c_unwind $FnTy: ty, $($Arg: ident),*) => {
1867         #[cfg(not(bootstrap))]
1868         fnptr_impls_safety_abi! { #[unstable(feature = "c_unwind", issue = "74990")] $FnTy, $($Arg),* }
1869     };
1870     (#[$meta:meta] $FnTy: ty, $($Arg: ident),*) => {
1871         maybe_fnptr_doc! {
1872             $($Arg)* @
1873             #[$meta]
1874             impl<Ret, $($Arg),*> PartialEq for $FnTy {
1875                 #[inline]
1876                 fn eq(&self, other: &Self) -> bool {
1877                     *self as usize == *other as usize
1878                 }
1879             }
1880         }
1881
1882         maybe_fnptr_doc! {
1883             $($Arg)* @
1884             #[$meta]
1885             impl<Ret, $($Arg),*> Eq for $FnTy {}
1886         }
1887
1888         maybe_fnptr_doc! {
1889             $($Arg)* @
1890             #[$meta]
1891             impl<Ret, $($Arg),*> PartialOrd for $FnTy {
1892                 #[inline]
1893                 fn partial_cmp(&self, other: &Self) -> Option<Ordering> {
1894                     (*self as usize).partial_cmp(&(*other as usize))
1895                 }
1896             }
1897         }
1898
1899         maybe_fnptr_doc! {
1900             $($Arg)* @
1901             #[$meta]
1902             impl<Ret, $($Arg),*> Ord for $FnTy {
1903                 #[inline]
1904                 fn cmp(&self, other: &Self) -> Ordering {
1905                     (*self as usize).cmp(&(*other as usize))
1906                 }
1907             }
1908         }
1909
1910         maybe_fnptr_doc! {
1911             $($Arg)* @
1912             #[$meta]
1913             impl<Ret, $($Arg),*> hash::Hash for $FnTy {
1914                 fn hash<HH: hash::Hasher>(&self, state: &mut HH) {
1915                     state.write_usize(*self as usize)
1916                 }
1917             }
1918         }
1919
1920         maybe_fnptr_doc! {
1921             $($Arg)* @
1922             #[$meta]
1923             impl<Ret, $($Arg),*> fmt::Pointer for $FnTy {
1924                 fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter<'_>) -> fmt::Result {
1925                     fmt::pointer_fmt_inner(*self as usize, f)
1926                 }
1927             }
1928         }
1929
1930         maybe_fnptr_doc! {
1931             $($Arg)* @
1932             #[$meta]
1933             impl<Ret, $($Arg),*> fmt::Debug for $FnTy {
1934                 fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter<'_>) -> fmt::Result {
1935                     fmt::pointer_fmt_inner(*self as usize, f)
1936                 }
1937             }
1938         }
1939     }
1940 }
1941
1942 macro_rules! fnptr_impls_args {
1943     ($($Arg: ident),+) => {
1944         fnptr_impls_safety_abi! { extern "Rust" fn($($Arg),+) -> Ret, $($Arg),+ }
1945         fnptr_impls_safety_abi! { extern "C" fn($($Arg),+) -> Ret, $($Arg),+ }
1946         fnptr_impls_safety_abi! { extern "C" fn($($Arg),+ , ...) -> Ret, $($Arg),+ }
1947         fnptr_impls_safety_abi! { @c_unwind extern "C-unwind" fn($($Arg),+) -> Ret, $($Arg),+ }
1948         fnptr_impls_safety_abi! { @c_unwind extern "C-unwind" fn($($Arg),+ , ...) -> Ret, $($Arg),+ }
1949         fnptr_impls_safety_abi! { unsafe extern "Rust" fn($($Arg),+) -> Ret, $($Arg),+ }
1950         fnptr_impls_safety_abi! { unsafe extern "C" fn($($Arg),+) -> Ret, $($Arg),+ }
1951         fnptr_impls_safety_abi! { unsafe extern "C" fn($($Arg),+ , ...) -> Ret, $($Arg),+ }
1952         fnptr_impls_safety_abi! { @c_unwind unsafe extern "C-unwind" fn($($Arg),+) -> Ret, $($Arg),+ }
1953         fnptr_impls_safety_abi! { @c_unwind unsafe extern "C-unwind" fn($($Arg),+ , ...) -> Ret, $($Arg),+ }
1954     };
1955     () => {
1956         // No variadic functions with 0 parameters
1957         fnptr_impls_safety_abi! { extern "Rust" fn() -> Ret, }
1958         fnptr_impls_safety_abi! { extern "C" fn() -> Ret, }
1959         fnptr_impls_safety_abi! { @c_unwind extern "C-unwind" fn() -> Ret, }
1960         fnptr_impls_safety_abi! { unsafe extern "Rust" fn() -> Ret, }
1961         fnptr_impls_safety_abi! { unsafe extern "C" fn() -> Ret, }
1962         fnptr_impls_safety_abi! { @c_unwind unsafe extern "C-unwind" fn() -> Ret, }
1963     };
1964 }
1965
1966 fnptr_impls_args! {}
1967 fnptr_impls_args! { T }
1968 fnptr_impls_args! { A, B }
1969 fnptr_impls_args! { A, B, C }
1970 fnptr_impls_args! { A, B, C, D }
1971 fnptr_impls_args! { A, B, C, D, E }
1972 fnptr_impls_args! { A, B, C, D, E, F }
1973 fnptr_impls_args! { A, B, C, D, E, F, G }
1974 fnptr_impls_args! { A, B, C, D, E, F, G, H }
1975 fnptr_impls_args! { A, B, C, D, E, F, G, H, I }
1976 fnptr_impls_args! { A, B, C, D, E, F, G, H, I, J }
1977 fnptr_impls_args! { A, B, C, D, E, F, G, H, I, J, K }
1978 fnptr_impls_args! { A, B, C, D, E, F, G, H, I, J, K, L }
1979
1980 /// Create a `const` raw pointer to a place, without creating an intermediate reference.
1981 ///
1982 /// Creating a reference with `&`/`&mut` is only allowed if the pointer is properly aligned
1983 /// and points to initialized data. For cases where those requirements do not hold,
1984 /// raw pointers should be used instead. However, `&expr as *const _` creates a reference
1985 /// before casting it to a raw pointer, and that reference is subject to the same rules
1986 /// as all other references. This macro can create a raw pointer *without* creating
1987 /// a reference first.
1988 ///
1989 /// Note, however, that the `expr` in `addr_of!(expr)` is still subject to all
1990 /// the usual rules. In particular, `addr_of!(*ptr::null())` is Undefined
1991 /// Behavior because it dereferences a null pointer.
1992 ///
1993 /// # Example
1994 ///
1995 /// ```
1996 /// use std::ptr;
1997 ///
1998 /// #[repr(packed)]
1999 /// struct Packed {
2000 ///     f1: u8,
2001 ///     f2: u16,
2002 /// }
2003 ///
2004 /// let packed = Packed { f1: 1, f2: 2 };
2005 /// // `&packed.f2` would create an unaligned reference, and thus be Undefined Behavior!
2006 /// let raw_f2 = ptr::addr_of!(packed.f2);
2007 /// assert_eq!(unsafe { raw_f2.read_unaligned() }, 2);
2008 /// ```
2009 ///
2010 /// See [`addr_of_mut`] for how to create a pointer to unininitialized data.
2011 /// Doing that with `addr_of` would not make much sense since one could only
2012 /// read the data, and that would be Undefined Behavior.
2013 #[stable(feature = "raw_ref_macros", since = "1.51.0")]
2014 #[rustc_macro_transparency = "semitransparent"]
2015 #[allow_internal_unstable(raw_ref_op)]
2016 pub macro addr_of($place:expr) {
2017     &raw const $place
2018 }
2019
2020 /// Create a `mut` raw pointer to a place, without creating an intermediate reference.
2021 ///
2022 /// Creating a reference with `&`/`&mut` is only allowed if the pointer is properly aligned
2023 /// and points to initialized data. For cases where those requirements do not hold,
2024 /// raw pointers should be used instead. However, `&mut expr as *mut _` creates a reference
2025 /// before casting it to a raw pointer, and that reference is subject to the same rules
2026 /// as all other references. This macro can create a raw pointer *without* creating
2027 /// a reference first.
2028 ///
2029 /// Note, however, that the `expr` in `addr_of_mut!(expr)` is still subject to all
2030 /// the usual rules. In particular, `addr_of_mut!(*ptr::null_mut())` is Undefined
2031 /// Behavior because it dereferences a null pointer.
2032 ///
2033 /// # Examples
2034 ///
2035 /// **Creating a pointer to unaligned data:**
2036 ///
2037 /// ```
2038 /// use std::ptr;
2039 ///
2040 /// #[repr(packed)]
2041 /// struct Packed {
2042 ///     f1: u8,
2043 ///     f2: u16,
2044 /// }
2045 ///
2046 /// let mut packed = Packed { f1: 1, f2: 2 };
2047 /// // `&mut packed.f2` would create an unaligned reference, and thus be Undefined Behavior!
2048 /// let raw_f2 = ptr::addr_of_mut!(packed.f2);
2049 /// unsafe { raw_f2.write_unaligned(42); }
2050 /// assert_eq!({packed.f2}, 42); // `{...}` forces copying the field instead of creating a reference.
2051 /// ```
2052 ///
2053 /// **Creating a pointer to uninitialized data:**
2054 ///
2055 /// ```rust
2056 /// use std::{ptr, mem::MaybeUninit};
2057 ///
2058 /// struct Demo {
2059 ///     field: bool,
2060 /// }
2061 ///
2062 /// let mut uninit = MaybeUninit::<Demo>::uninit();
2063 /// // `&uninit.as_mut().field` would create a reference to an uninitialized `bool`,
2064 /// // and thus be Undefined Behavior!
2065 /// let f1_ptr = unsafe { ptr::addr_of_mut!((*uninit.as_mut_ptr()).field) };
2066 /// unsafe { f1_ptr.write(true); }
2067 /// let init = unsafe { uninit.assume_init() };
2068 /// ```
2069 #[stable(feature = "raw_ref_macros", since = "1.51.0")]
2070 #[rustc_macro_transparency = "semitransparent"]
2071 #[allow_internal_unstable(raw_ref_op)]
2072 pub macro addr_of_mut($place:expr) {
2073     &raw mut $place
2074 }