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Auto merge of #107642 - Dylan-DPC:rollup-edcqhm5, r=Dylan-DPC
[rust.git] / library / std / src / io / error / repr_bitpacked.rs
1 //! This is a densely packed error representation which is used on targets with
2 //! 64-bit pointers.
3 //!
4 //! (Note that `bitpacked` vs `unpacked` here has no relationship to
5 //! `#[repr(packed)]`, it just refers to attempting to use any available bits in
6 //! a more clever manner than `rustc`'s default layout algorithm would).
7 //!
8 //! Conceptually, it stores the same data as the "unpacked" equivalent we use on
9 //! other targets. Specifically, you can imagine it as an optimized version of
10 //! the following enum (which is roughly equivalent to what's stored by
11 //! `repr_unpacked::Repr`, e.g. `super::ErrorData<Box<Custom>>`):
12 //!
13 //! ```ignore (exposition-only)
14 //! enum ErrorData {
15 //!    Os(i32),
16 //!    Simple(ErrorKind),
17 //!    SimpleMessage(&'static SimpleMessage),
18 //!    Custom(Box<Custom>),
19 //! }
20 //! ```
21 //!
22 //! However, it packs this data into a 64bit non-zero value.
23 //!
24 //! This optimization not only allows `io::Error` to occupy a single pointer,
25 //! but improves `io::Result` as well, especially for situations like
26 //! `io::Result<()>` (which is now 64 bits) or `io::Result<u64>` (which is now
27 //! 128 bits), which are quite common.
28 //!
29 //! # Layout
30 //! Tagged values are 64 bits, with the 2 least significant bits used for the
31 //! tag. This means there are there are 4 "variants":
32 //!
33 //! - **Tag 0b00**: The first variant is equivalent to
34 //!   `ErrorData::SimpleMessage`, and holds a `&'static SimpleMessage` directly.
35 //!
36 //!   `SimpleMessage` has an alignment >= 4 (which is requested with
37 //!   `#[repr(align)]` and checked statically at the bottom of this file), which
38 //!   means every `&'static SimpleMessage` should have the both tag bits as 0,
39 //!   meaning its tagged and untagged representation are equivalent.
40 //!
41 //!   This means we can skip tagging it, which is necessary as this variant can
42 //!   be constructed from a `const fn`, which probably cannot tag pointers (or
43 //!   at least it would be difficult).
44 //!
45 //! - **Tag 0b01**: The other pointer variant holds the data for
46 //!   `ErrorData::Custom` and the remaining 62 bits are used to store a
47 //!   `Box<Custom>`. `Custom` also has alignment >= 4, so the bottom two bits
48 //!   are free to use for the tag.
49 //!
50 //!   The only important thing to note is that `ptr::wrapping_add` and
51 //!   `ptr::wrapping_sub` are used to tag the pointer, rather than bitwise
52 //!   operations. This should preserve the pointer's provenance, which would
53 //!   otherwise be lost.
54 //!
55 //! - **Tag 0b10**: Holds the data for `ErrorData::Os(i32)`. We store the `i32`
56 //!   in the pointer's most significant 32 bits, and don't use the bits `2..32`
57 //!   for anything. Using the top 32 bits is just to let us easily recover the
58 //!   `i32` code with the correct sign.
59 //!
60 //! - **Tag 0b11**: Holds the data for `ErrorData::Simple(ErrorKind)`. This
61 //!   stores the `ErrorKind` in the top 32 bits as well, although it doesn't
62 //!   occupy nearly that many. Most of the bits are unused here, but it's not
63 //!   like we need them for anything else yet.
64 //!
65 //! # Use of `NonNull<()>`
66 //!
67 //! Everything is stored in a `NonNull<()>`, which is odd, but actually serves a
68 //! purpose.
69 //!
70 //! Conceptually you might think of this more like:
71 //!
72 //! ```ignore (exposition-only)
73 //! union Repr {
74 //!     // holds integer (Simple/Os) variants, and
75 //!     // provides access to the tag bits.
76 //!     bits: NonZeroU64,
77 //!     // Tag is 0, so this is stored untagged.
78 //!     msg: &'static SimpleMessage,
79 //!     // Tagged (offset) `Box<Custom>` pointer.
80 //!     tagged_custom: NonNull<()>,
81 //! }
82 //! ```
83 //!
84 //! But there are a few problems with this:
85 //!
86 //! 1. Union access is equivalent to a transmute, so this representation would
87 //!    require we transmute between integers and pointers in at least one
88 //!    direction, which may be UB (and even if not, it is likely harder for a
89 //!    compiler to reason about than explicit ptr->int operations).
90 //!
91 //! 2. Even if all fields of a union have a niche, the union itself doesn't,
92 //!    although this may change in the future. This would make things like
93 //!    `io::Result<()>` and `io::Result<usize>` larger, which defeats part of
94 //!    the motivation of this bitpacking.
95 //!
96 //! Storing everything in a `NonZeroUsize` (or some other integer) would be a
97 //! bit more traditional for pointer tagging, but it would lose provenance
98 //! information, couldn't be constructed from a `const fn`, and would probably
99 //! run into other issues as well.
100 //!
101 //! The `NonNull<()>` seems like the only alternative, even if it's fairly odd
102 //! to use a pointer type to store something that may hold an integer, some of
103 //! the time.
104
105 use super::{Custom, ErrorData, ErrorKind, SimpleMessage};
106 use alloc::boxed::Box;
107 use core::marker::PhantomData;
108 use core::mem::{align_of, size_of};
109 use core::ptr::{self, NonNull};
110
111 // The 2 least-significant bits are used as tag.
112 const TAG_MASK: usize = 0b11;
113 const TAG_SIMPLE_MESSAGE: usize = 0b00;
114 const TAG_CUSTOM: usize = 0b01;
115 const TAG_OS: usize = 0b10;
116 const TAG_SIMPLE: usize = 0b11;
117
118 /// The internal representation.
119 ///
120 /// See the module docs for more, this is just a way to hack in a check that we
121 /// indeed are not unwind-safe.
122 ///
123 /// ```compile_fail,E0277
124 /// fn is_unwind_safe<T: core::panic::UnwindSafe>() {}
125 /// is_unwind_safe::<std::io::Error>();
126 /// ```
127 #[repr(transparent)]
128 pub(super) struct Repr(NonNull<()>, PhantomData<ErrorData<Box<Custom>>>);
129
130 // All the types `Repr` stores internally are Send + Sync, and so is it.
131 unsafe impl Send for Repr {}
132 unsafe impl Sync for Repr {}
133
134 impl Repr {
135     pub(super) fn new(dat: ErrorData<Box<Custom>>) -> Self {
136         match dat {
137             ErrorData::Os(code) => Self::new_os(code),
138             ErrorData::Simple(kind) => Self::new_simple(kind),
139             ErrorData::SimpleMessage(simple_message) => Self::new_simple_message(simple_message),
140             ErrorData::Custom(b) => Self::new_custom(b),
141         }
142     }
143
144     pub(super) fn new_custom(b: Box<Custom>) -> Self {
145         let p = Box::into_raw(b).cast::<u8>();
146         // Should only be possible if an allocator handed out a pointer with
147         // wrong alignment.
148         debug_assert_eq!(p.addr() & TAG_MASK, 0);
149         // Note: We know `TAG_CUSTOM <= size_of::<Custom>()` (static_assert at
150         // end of file), and both the start and end of the expression must be
151         // valid without address space wraparound due to `Box`'s semantics.
152         //
153         // This means it would be correct to implement this using `ptr::add`
154         // (rather than `ptr::wrapping_add`), but it's unclear this would give
155         // any benefit, so we just use `wrapping_add` instead.
156         let tagged = p.wrapping_add(TAG_CUSTOM).cast::<()>();
157         // Safety: `TAG_CUSTOM + p` is the same as `TAG_CUSTOM | p`,
158         // because `p`'s alignment means it isn't allowed to have any of the
159         // `TAG_BITS` set (you can verify that addition and bitwise-or are the
160         // same when the operands have no bits in common using a truth table).
161         //
162         // Then, `TAG_CUSTOM | p` is not zero, as that would require
163         // `TAG_CUSTOM` and `p` both be zero, and neither is (as `p` came from a
164         // box, and `TAG_CUSTOM` just... isn't zero -- it's `0b01`). Therefore,
165         // `TAG_CUSTOM + p` isn't zero and so `tagged` can't be, and the
166         // `new_unchecked` is safe.
167         let res = Self(unsafe { NonNull::new_unchecked(tagged) }, PhantomData);
168         // quickly smoke-check we encoded the right thing (This generally will
169         // only run in std's tests, unless the user uses -Zbuild-std)
170         debug_assert!(matches!(res.data(), ErrorData::Custom(_)), "repr(custom) encoding failed");
171         res
172     }
173
174     #[inline]
175     pub(super) fn new_os(code: i32) -> Self {
176         let utagged = ((code as usize) << 32) | TAG_OS;
177         // Safety: `TAG_OS` is not zero, so the result of the `|` is not 0.
178         let res = Self(unsafe { NonNull::new_unchecked(ptr::invalid_mut(utagged)) }, PhantomData);
179         // quickly smoke-check we encoded the right thing (This generally will
180         // only run in std's tests, unless the user uses -Zbuild-std)
181         debug_assert!(
182             matches!(res.data(), ErrorData::Os(c) if c == code),
183             "repr(os) encoding failed for {code}"
184         );
185         res
186     }
187
188     #[inline]
189     pub(super) fn new_simple(kind: ErrorKind) -> Self {
190         let utagged = ((kind as usize) << 32) | TAG_SIMPLE;
191         // Safety: `TAG_SIMPLE` is not zero, so the result of the `|` is not 0.
192         let res = Self(unsafe { NonNull::new_unchecked(ptr::invalid_mut(utagged)) }, PhantomData);
193         // quickly smoke-check we encoded the right thing (This generally will
194         // only run in std's tests, unless the user uses -Zbuild-std)
195         debug_assert!(
196             matches!(res.data(), ErrorData::Simple(k) if k == kind),
197             "repr(simple) encoding failed {:?}",
198             kind,
199         );
200         res
201     }
202
203     #[inline]
204     pub(super) const fn new_simple_message(m: &'static SimpleMessage) -> Self {
205         // Safety: References are never null.
206         Self(unsafe { NonNull::new_unchecked(m as *const _ as *mut ()) }, PhantomData)
207     }
208
209     #[inline]
210     pub(super) fn data(&self) -> ErrorData<&Custom> {
211         // Safety: We're a Repr, decode_repr is fine.
212         unsafe { decode_repr(self.0, |c| &*c) }
213     }
214
215     #[inline]
216     pub(super) fn data_mut(&mut self) -> ErrorData<&mut Custom> {
217         // Safety: We're a Repr, decode_repr is fine.
218         unsafe { decode_repr(self.0, |c| &mut *c) }
219     }
220
221     #[inline]
222     pub(super) fn into_data(self) -> ErrorData<Box<Custom>> {
223         let this = core::mem::ManuallyDrop::new(self);
224         // Safety: We're a Repr, decode_repr is fine. The `Box::from_raw` is
225         // safe because we prevent double-drop using `ManuallyDrop`.
226         unsafe { decode_repr(this.0, |p| Box::from_raw(p)) }
227     }
228 }
229
230 impl Drop for Repr {
231     #[inline]
232     fn drop(&mut self) {
233         // Safety: We're a Repr, decode_repr is fine. The `Box::from_raw` is
234         // safe because we're being dropped.
235         unsafe {
236             let _ = decode_repr(self.0, |p| Box::<Custom>::from_raw(p));
237         }
238     }
239 }
240
241 // Shared helper to decode a `Repr`'s internal pointer into an ErrorData.
242 //
243 // Safety: `ptr`'s bits should be encoded as described in the document at the
244 // top (it should `some_repr.0`)
245 #[inline]
246 unsafe fn decode_repr<C, F>(ptr: NonNull<()>, make_custom: F) -> ErrorData<C>
247 where
248     F: FnOnce(*mut Custom) -> C,
249 {
250     let bits = ptr.as_ptr().addr();
251     match bits & TAG_MASK {
252         TAG_OS => {
253             let code = ((bits as i64) >> 32) as i32;
254             ErrorData::Os(code)
255         }
256         TAG_SIMPLE => {
257             let kind_bits = (bits >> 32) as u32;
258             let kind = kind_from_prim(kind_bits).unwrap_or_else(|| {
259                 debug_assert!(false, "Invalid io::error::Repr bits: `Repr({:#018x})`", bits);
260                 // This means the `ptr` passed in was not valid, which violates
261                 // the unsafe contract of `decode_repr`.
262                 //
263                 // Using this rather than unwrap meaningfully improves the code
264                 // for callers which only care about one variant (usually
265                 // `Custom`)
266                 core::hint::unreachable_unchecked();
267             });
268             ErrorData::Simple(kind)
269         }
270         TAG_SIMPLE_MESSAGE => ErrorData::SimpleMessage(&*ptr.cast::<SimpleMessage>().as_ptr()),
271         TAG_CUSTOM => {
272             // It would be correct for us to use `ptr::byte_sub` here (see the
273             // comment above the `wrapping_add` call in `new_custom` for why),
274             // but it isn't clear that it makes a difference, so we don't.
275             let custom = ptr.as_ptr().wrapping_byte_sub(TAG_CUSTOM).cast::<Custom>();
276             ErrorData::Custom(make_custom(custom))
277         }
278         _ => {
279             // Can't happen, and compiler can tell
280             unreachable!();
281         }
282     }
283 }
284
285 // This compiles to the same code as the check+transmute, but doesn't require
286 // unsafe, or to hard-code max ErrorKind or its size in a way the compiler
287 // couldn't verify.
288 #[inline]
289 fn kind_from_prim(ek: u32) -> Option<ErrorKind> {
290     macro_rules! from_prim {
291         ($prim:expr => $Enum:ident { $($Variant:ident),* $(,)? }) => {{
292             // Force a compile error if the list gets out of date.
293             const _: fn(e: $Enum) = |e: $Enum| match e {
294                 $($Enum::$Variant => ()),*
295             };
296             match $prim {
297                 $(v if v == ($Enum::$Variant as _) => Some($Enum::$Variant),)*
298                 _ => None,
299             }
300         }}
301     }
302     from_prim!(ek => ErrorKind {
303         NotFound,
304         PermissionDenied,
305         ConnectionRefused,
306         ConnectionReset,
307         HostUnreachable,
308         NetworkUnreachable,
309         ConnectionAborted,
310         NotConnected,
311         AddrInUse,
312         AddrNotAvailable,
313         NetworkDown,
314         BrokenPipe,
315         AlreadyExists,
316         WouldBlock,
317         NotADirectory,
318         IsADirectory,
319         DirectoryNotEmpty,
320         ReadOnlyFilesystem,
321         FilesystemLoop,
322         StaleNetworkFileHandle,
323         InvalidInput,
324         InvalidData,
325         TimedOut,
326         WriteZero,
327         StorageFull,
328         NotSeekable,
329         FilesystemQuotaExceeded,
330         FileTooLarge,
331         ResourceBusy,
332         ExecutableFileBusy,
333         Deadlock,
334         CrossesDevices,
335         TooManyLinks,
336         InvalidFilename,
337         ArgumentListTooLong,
338         Interrupted,
339         Other,
340         UnexpectedEof,
341         Unsupported,
342         OutOfMemory,
343         Uncategorized,
344     })
345 }
346
347 // Some static checking to alert us if a change breaks any of the assumptions
348 // that our encoding relies on for correctness and soundness. (Some of these are
349 // a bit overly thorough/cautious, admittedly)
350 //
351 // If any of these are hit on a platform that std supports, we should likely
352 // just use `repr_unpacked.rs` there instead (unless the fix is easy).
353 macro_rules! static_assert {
354     ($condition:expr) => {
355         const _: () = assert!($condition);
356     };
357     (@usize_eq: $lhs:expr, $rhs:expr) => {
358         const _: [(); $lhs] = [(); $rhs];
359     };
360 }
361
362 // The bitpacking we use requires pointers be exactly 64 bits.
363 static_assert!(@usize_eq: size_of::<NonNull<()>>(), 8);
364
365 // We also require pointers and usize be the same size.
366 static_assert!(@usize_eq: size_of::<NonNull<()>>(), size_of::<usize>());
367
368 // `Custom` and `SimpleMessage` need to be thin pointers.
369 static_assert!(@usize_eq: size_of::<&'static SimpleMessage>(), 8);
370 static_assert!(@usize_eq: size_of::<Box<Custom>>(), 8);
371
372 static_assert!((TAG_MASK + 1).is_power_of_two());
373 // And they must have sufficient alignment.
374 static_assert!(align_of::<SimpleMessage>() >= TAG_MASK + 1);
375 static_assert!(align_of::<Custom>() >= TAG_MASK + 1);
376
377 static_assert!(@usize_eq: TAG_MASK & TAG_SIMPLE_MESSAGE, TAG_SIMPLE_MESSAGE);
378 static_assert!(@usize_eq: TAG_MASK & TAG_CUSTOM, TAG_CUSTOM);
379 static_assert!(@usize_eq: TAG_MASK & TAG_OS, TAG_OS);
380 static_assert!(@usize_eq: TAG_MASK & TAG_SIMPLE, TAG_SIMPLE);
381
382 // This is obviously true (`TAG_CUSTOM` is `0b01`), but in `Repr::new_custom` we
383 // offset a pointer by this value, and expect it to both be within the same
384 // object, and to not wrap around the address space. See the comment in that
385 // function for further details.
386 //
387 // Actually, at the moment we use `ptr::wrapping_add`, not `ptr::add`, so this
388 // check isn't needed for that one, although the assertion that we don't
389 // actually wrap around in that wrapping_add does simplify the safety reasoning
390 // elsewhere considerably.
391 static_assert!(size_of::<Custom>() >= TAG_CUSTOM);
392
393 // These two store a payload which is allowed to be zero, so they must be
394 // non-zero to preserve the `NonNull`'s range invariant.
395 static_assert!(TAG_OS != 0);
396 static_assert!(TAG_SIMPLE != 0);
397 // We can't tag `SimpleMessage`s, the tag must be 0.
398 static_assert!(@usize_eq: TAG_SIMPLE_MESSAGE, 0);
399
400 // Check that the point of all of this still holds.
401 //
402 // We'd check against `io::Error`, but *technically* it's allowed to vary,
403 // as it's not `#[repr(transparent)]`/`#[repr(C)]`. We could add that, but
404 // the `#[repr()]` would show up in rustdoc, which might be seen as a stable
405 // commitment.
406 static_assert!(@usize_eq: size_of::<Repr>(), 8);
407 static_assert!(@usize_eq: size_of::<Option<Repr>>(), 8);
408 static_assert!(@usize_eq: size_of::<Result<(), Repr>>(), 8);
409 static_assert!(@usize_eq: size_of::<Result<usize, Repr>>(), 16);