library/std/src/sync/mutex.rs

   1 #[cfg(all(test, not(target_os = "emscripten")))]
   2 mod tests;
   3
   4 use crate::cell::UnsafeCell;
   5 use crate::fmt;
   6 use crate::ops::{Deref, DerefMut};
   7 use crate::sync::{poison, LockResult, TryLockError, TryLockResult};
   8 use crate::sys::locks as sys;
   9
  10 /// A mutual exclusion primitive useful for protecting shared data
  11 ///
  12 /// This mutex will block threads waiting for the lock to become available. The
  13 /// mutex can be created via a [`new`] constructor. Each mutex has a type parameter
  14 /// which represents the data that it is protecting. The data can only be accessed
  15 /// through the RAII guards returned from [`lock`] and [`try_lock`], which
  16 /// guarantees that the data is only ever accessed when the mutex is locked.
  17 ///
  18 /// # Poisoning
  19 ///
  20 /// The mutexes in this module implement a strategy called "poisoning" where a
  21 /// mutex is considered poisoned whenever a thread panics while holding the
  22 /// mutex. Once a mutex is poisoned, all other threads are unable to access the
  23 /// data by default as it is likely tainted (some invariant is not being
  24 /// upheld).
  25 ///
  26 /// For a mutex, this means that the [`lock`] and [`try_lock`] methods return a
  27 /// [`Result`] which indicates whether a mutex has been poisoned or not. Most
  28 /// usage of a mutex will simply [`unwrap()`] these results, propagating panics
  29 /// among threads to ensure that a possibly invalid invariant is not witnessed.
  30 ///
  31 /// A poisoned mutex, however, does not prevent all access to the underlying
  32 /// data. The [`PoisonError`] type has an [`into_inner`] method which will return
  33 /// the guard that would have otherwise been returned on a successful lock. This
  34 /// allows access to the data, despite the lock being poisoned.
  35 ///
  36 /// [`new`]: Self::new
  37 /// [`lock`]: Self::lock
  38 /// [`try_lock`]: Self::try_lock
  39 /// [`unwrap()`]: Result::unwrap
  40 /// [`PoisonError`]: super::PoisonError
  41 /// [`into_inner`]: super::PoisonError::into_inner
  42 ///
  43 /// # Examples
  44 ///
  45 /// ```
  46 /// use std::sync::{Arc, Mutex};
  47 /// use std::thread;
  48 /// use std::sync::mpsc::channel;
  49 ///
  50 /// const N: usize = 10;
  51 ///
  52 /// // Spawn a few threads to increment a shared variable (non-atomically), and
  53 /// // let the main thread know once all increments are done.
  54 /// //
  55 /// // Here we're using an Arc to share memory among threads, and the data inside
  56 /// // the Arc is protected with a mutex.
  57 /// let data = Arc::new(Mutex::new(0));
  58 ///
  59 /// let (tx, rx) = channel();
  60 /// for _ in 0..N {
  61 ///     let (data, tx) = (Arc::clone(&data), tx.clone());
  62 ///     thread::spawn(move || {
  63 ///         // The shared state can only be accessed once the lock is held.
  64 ///         // Our non-atomic increment is safe because we're the only thread
  65 ///         // which can access the shared state when the lock is held.
  66 ///         //
  67 ///         // We unwrap() the return value to assert that we are not expecting
  68 ///         // threads to ever fail while holding the lock.
  69 ///         let mut data = data.lock().unwrap();
  70 ///         *data += 1;
  71 ///         if *data == N {
  72 ///             tx.send(()).unwrap();
  73 ///         }
  74 ///         // the lock is unlocked here when `data` goes out of scope.
  75 ///     });
  76 /// }
  77 ///
  78 /// rx.recv().unwrap();
  79 /// ```
  80 ///
  81 /// To recover from a poisoned mutex:
  82 ///
  83 /// ```
  84 /// use std::sync::{Arc, Mutex};
  85 /// use std::thread;
  86 ///
  87 /// let lock = Arc::new(Mutex::new(0_u32));
  88 /// let lock2 = Arc::clone(&lock);
  89 ///
  90 /// let _ = thread::spawn(move || -> () {
  91 ///     // This thread will acquire the mutex first, unwrapping the result of
  92 ///     // `lock` because the lock has not been poisoned.
  93 ///     let _guard = lock2.lock().unwrap();
  94 ///
  95 ///     // This panic while holding the lock (`_guard` is in scope) will poison
  96 ///     // the mutex.
  97 ///     panic!();
  98 /// }).join();
  99 ///
 100 /// // The lock is poisoned by this point, but the returned result can be
 101 /// // pattern matched on to return the underlying guard on both branches.
 102 /// let mut guard = match lock.lock() {
 103 ///     Ok(guard) => guard,
 104 ///     Err(poisoned) => poisoned.into_inner(),
 105 /// };
 106 ///
 107 /// *guard += 1;
 108 /// ```
 109 ///
 110 /// It is sometimes necessary to manually drop the mutex guard to unlock it
 111 /// sooner than the end of the enclosing scope.
 112 ///
 113 /// ```
 114 /// use std::sync::{Arc, Mutex};
 115 /// use std::thread;
 116 ///
 117 /// const N: usize = 3;
 118 ///
 119 /// let data_mutex = Arc::new(Mutex::new(vec![1, 2, 3, 4]));
 120 /// let res_mutex = Arc::new(Mutex::new(0));
 121 ///
 122 /// let mut threads = Vec::with_capacity(N);
 123 /// (0..N).for_each(|_| {
 124 ///     let data_mutex_clone = Arc::clone(&data_mutex);
 125 ///     let res_mutex_clone = Arc::clone(&res_mutex);
 126 ///
 127 ///     threads.push(thread::spawn(move || {
 128 ///         let mut data = data_mutex_clone.lock().unwrap();
 129 ///         // This is the result of some important and long-ish work.
 130 ///         let result = data.iter().fold(0, |acc, x| acc + x * 2);
 131 ///         data.push(result);
 132 ///         drop(data);
 133 ///         *res_mutex_clone.lock().unwrap() += result;
 134 ///     }));
 135 /// });
 136 ///
 137 /// let mut data = data_mutex.lock().unwrap();
 138 /// // This is the result of some important and long-ish work.
 139 /// let result = data.iter().fold(0, |acc, x| acc + x * 2);
 140 /// data.push(result);
 141 /// // We drop the `data` explicitly because it's not necessary anymore and the
 142 /// // thread still has work to do. This allow other threads to start working on
 143 /// // the data immediately, without waiting for the rest of the unrelated work
 144 /// // to be done here.
 145 /// //
 146 /// // It's even more important here than in the threads because we `.join` the
 147 /// // threads after that. If we had not dropped the mutex guard, a thread could
 148 /// // be waiting forever for it, causing a deadlock.
 149 /// drop(data);
 150 /// // Here the mutex guard is not assigned to a variable and so, even if the
 151 /// // scope does not end after this line, the mutex is still released: there is
 152 /// // no deadlock.
 153 /// *res_mutex.lock().unwrap() += result;
 154 ///
 155 /// threads.into_iter().for_each(|thread| {
 156 ///     thread
 157 ///         .join()
 158 ///         .expect("The thread creating or execution failed !")
 159 /// });
 160 ///
 161 /// assert_eq!(*res_mutex.lock().unwrap(), 800);
 162 /// ```
 163 #[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
 164 #[cfg_attr(not(test), rustc_diagnostic_item = "Mutex")]
 165 pub struct Mutex<T: ?Sized> {
 166     inner: sys::Mutex,
 167     poison: poison::Flag,
 168     data: UnsafeCell<T>,
 169 }
 170
 171 // these are the only places where `T: Send` matters; all other
 172 // functionality works fine on a single thread.
 173 #[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
 174 unsafe impl<T: ?Sized + Send> Send for Mutex<T> {}
 175 #[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
 176 unsafe impl<T: ?Sized + Send> Sync for Mutex<T> {}
 177
 178 /// An RAII implementation of a "scoped lock" of a mutex. When this structure is
 179 /// dropped (falls out of scope), the lock will be unlocked.
 180 ///
 181 /// The data protected by the mutex can be accessed through this guard via its
 182 /// [`Deref`] and [`DerefMut`] implementations.
 183 ///
 184 /// This structure is created by the [`lock`] and [`try_lock`] methods on
 185 /// [`Mutex`].
 186 ///
 187 /// [`lock`]: Mutex::lock
 188 /// [`try_lock`]: Mutex::try_lock
 189 #[must_use = "if unused the Mutex will immediately unlock"]
 190 #[must_not_suspend = "holding a MutexGuard across suspend \
 191                       points can cause deadlocks, delays, \
 192                       and cause Futures to not implement `Send`"]
 193 #[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
 194 #[clippy::has_significant_drop]
 195 #[cfg_attr(not(test), rustc_diagnostic_item = "MutexGuard")]
 196 pub struct MutexGuard<'a, T: ?Sized + 'a> {
 197     lock: &'a Mutex<T>,
 198     poison: poison::Guard,
 199 }
 200
 201 #[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
 202 impl<T: ?Sized> !Send for MutexGuard<'_, T> {}
 203 #[stable(feature = "mutexguard", since = "1.19.0")]
 204 unsafe impl<T: ?Sized + Sync> Sync for MutexGuard<'_, T> {}
 205
 206 impl<T> Mutex<T> {
 207     /// Creates a new mutex in an unlocked state ready for use.
 208     ///
 209     /// # Examples
 210     ///
 211     /// ```
 212     /// use std::sync::Mutex;
 213     ///
 214     /// let mutex = Mutex::new(0);
 215     /// ```
 216     #[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
 217     #[rustc_const_stable(feature = "const_locks", since = "1.63.0")]
 218     #[inline]
 219     pub const fn new(t: T) -> Mutex<T> {
 220         Mutex { inner: sys::Mutex::new(), poison: poison::Flag::new(), data: UnsafeCell::new(t) }
 221     }
 222 }
 223
 224 impl<T: ?Sized> Mutex<T> {
 225     /// Acquires a mutex, blocking the current thread until it is able to do so.
 226     ///
 227     /// This function will block the local thread until it is available to acquire
 228     /// the mutex. Upon returning, the thread is the only thread with the lock
 229     /// held. An RAII guard is returned to allow scoped unlock of the lock. When
 230     /// the guard goes out of scope, the mutex will be unlocked.
 231     ///
 232     /// The exact behavior on locking a mutex in the thread which already holds
 233     /// the lock is left unspecified. However, this function will not return on
 234     /// the second call (it might panic or deadlock, for example).
 235     ///
 236     /// # Errors
 237     ///
 238     /// If another user of this mutex panicked while holding the mutex, then
 239     /// this call will return an error once the mutex is acquired.
 240     ///
 241     /// # Panics
 242     ///
 243     /// This function might panic when called if the lock is already held by
 244     /// the current thread.
 245     ///
 246     /// # Examples
 247     ///
 248     /// ```
 249     /// use std::sync::{Arc, Mutex};
 250     /// use std::thread;
 251     ///
 252     /// let mutex = Arc::new(Mutex::new(0));
 253     /// let c_mutex = Arc::clone(&mutex);
 254     ///
 255     /// thread::spawn(move || {
 256     ///     *c_mutex.lock().unwrap() = 10;
 257     /// }).join().expect("thread::spawn failed");
 258     /// assert_eq!(*mutex.lock().unwrap(), 10);
 259     /// ```
 260     #[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
 261     pub fn lock(&self) -> LockResult<MutexGuard<'_, T>> {
 262         unsafe {
 263             self.inner.lock();
 264             MutexGuard::new(self)
 265         }
 266     }
 267
 268     /// Attempts to acquire this lock.
 269     ///
 270     /// If the lock could not be acquired at this time, then [`Err`] is returned.
 271     /// Otherwise, an RAII guard is returned. The lock will be unlocked when the
 272     /// guard is dropped.
 273     ///
 274     /// This function does not block.
 275     ///
 276     /// # Errors
 277     ///
 278     /// If another user of this mutex panicked while holding the mutex, then
 279     /// this call will return the [`Poisoned`] error if the mutex would
 280     /// otherwise be acquired.
 281     ///
 282     /// If the mutex could not be acquired because it is already locked, then
 283     /// this call will return the [`WouldBlock`] error.
 284     ///
 285     /// [`Poisoned`]: TryLockError::Poisoned
 286     /// [`WouldBlock`]: TryLockError::WouldBlock
 287     ///
 288     /// # Examples
 289     ///
 290     /// ```
 291     /// use std::sync::{Arc, Mutex};
 292     /// use std::thread;
 293     ///
 294     /// let mutex = Arc::new(Mutex::new(0));
 295     /// let c_mutex = Arc::clone(&mutex);
 296     ///
 297     /// thread::spawn(move || {
 298     ///     let mut lock = c_mutex.try_lock();
 299     ///     if let Ok(ref mut mutex) = lock {
 300     ///         **mutex = 10;
 301     ///     } else {
 302     ///         println!("try_lock failed");
 303     ///     }
 304     /// }).join().expect("thread::spawn failed");
 305     /// assert_eq!(*mutex.lock().unwrap(), 10);
 306     /// ```
 307     #[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
 308     pub fn try_lock(&self) -> TryLockResult<MutexGuard<'_, T>> {
 309         unsafe {
 310             if self.inner.try_lock() {
 311                 Ok(MutexGuard::new(self)?)
 312             } else {
 313                 Err(TryLockError::WouldBlock)
 314             }
 315         }
 316     }
 317
 318     /// Immediately drops the guard, and consequently unlocks the mutex.
 319     ///
 320     /// This function is equivalent to calling [`drop`] on the guard but is more self-documenting.
 321     /// Alternately, the guard will be automatically dropped when it goes out of scope.
 322     ///
 323     /// ```
 324     /// #![feature(mutex_unlock)]
 325     ///
 326     /// use std::sync::Mutex;
 327     /// let mutex = Mutex::new(0);
 328     ///
 329     /// let mut guard = mutex.lock().unwrap();
 330     /// *guard += 20;
 331     /// Mutex::unlock(guard);
 332     /// ```
 333     #[unstable(feature = "mutex_unlock", issue = "81872")]
 334     pub fn unlock(guard: MutexGuard<'_, T>) {
 335         drop(guard);
 336     }
 337
 338     /// Determines whether the mutex is poisoned.
 339     ///
 340     /// If another thread is active, the mutex can still become poisoned at any
 341     /// time. You should not trust a `false` value for program correctness
 342     /// without additional synchronization.
 343     ///
 344     /// # Examples
 345     ///
 346     /// ```
 347     /// use std::sync::{Arc, Mutex};
 348     /// use std::thread;
 349     ///
 350     /// let mutex = Arc::new(Mutex::new(0));
 351     /// let c_mutex = Arc::clone(&mutex);
 352     ///
 353     /// let _ = thread::spawn(move || {
 354     ///     let _lock = c_mutex.lock().unwrap();
 355     ///     panic!(); // the mutex gets poisoned
 356     /// }).join();
 357     /// assert_eq!(mutex.is_poisoned(), true);
 358     /// ```
 359     #[inline]
 360     #[stable(feature = "sync_poison", since = "1.2.0")]
 361     pub fn is_poisoned(&self) -> bool {
 362         self.poison.get()
 363     }
 364
 365     /// Clear the poisoned state from a mutex
 366     ///
 367     /// If the mutex is poisoned, it will remain poisoned until this function is called. This
 368     /// allows recovering from a poisoned state and marking that it has recovered. For example, if
 369     /// the value is overwritten by a known-good value, then the mutex can be marked as
 370     /// un-poisoned. Or possibly, the value could be inspected to determine if it is in a
 371     /// consistent state, and if so the poison is removed.
 372     ///
 373     /// # Examples
 374     ///
 375     /// ```
 376     /// #![feature(mutex_unpoison)]
 377     ///
 378     /// use std::sync::{Arc, Mutex};
 379     /// use std::thread;
 380     ///
 381     /// let mutex = Arc::new(Mutex::new(0));
 382     /// let c_mutex = Arc::clone(&mutex);
 383     ///
 384     /// let _ = thread::spawn(move || {
 385     ///     let _lock = c_mutex.lock().unwrap();
 386     ///     panic!(); // the mutex gets poisoned
 387     /// }).join();
 388     ///
 389     /// assert_eq!(mutex.is_poisoned(), true);
 390     /// let x = mutex.lock().unwrap_or_else(|mut e| {
 391     ///     **e.get_mut() = 1;
 392     ///     mutex.clear_poison();
 393     ///     e.into_inner()
 394     /// });
 395     /// assert_eq!(mutex.is_poisoned(), false);
 396     /// assert_eq!(*x, 1);
 397     /// ```
 398     #[inline]
 399     #[unstable(feature = "mutex_unpoison", issue = "96469")]
 400     pub fn clear_poison(&self) {
 401         self.poison.clear();
 402     }
 403
 404     /// Consumes this mutex, returning the underlying data.
 405     ///
 406     /// # Errors
 407     ///
 408     /// If another user of this mutex panicked while holding the mutex, then
 409     /// this call will return an error instead.
 410     ///
 411     /// # Examples
 412     ///
 413     /// ```
 414     /// use std::sync::Mutex;
 415     ///
 416     /// let mutex = Mutex::new(0);
 417     /// assert_eq!(mutex.into_inner().unwrap(), 0);
 418     /// ```
 419     #[stable(feature = "mutex_into_inner", since = "1.6.0")]
 420     pub fn into_inner(self) -> LockResult<T>
 421     where
 422         T: Sized,
 423     {
 424         let data = self.data.into_inner();
 425         poison::map_result(self.poison.borrow(), |()| data)
 426     }
 427
 428     /// Returns a mutable reference to the underlying data.
 429     ///
 430     /// Since this call borrows the `Mutex` mutably, no actual locking needs to
 431     /// take place -- the mutable borrow statically guarantees no locks exist.
 432     ///
 433     /// # Errors
 434     ///
 435     /// If another user of this mutex panicked while holding the mutex, then
 436     /// this call will return an error instead.
 437     ///
 438     /// # Examples
 439     ///
 440     /// ```
 441     /// use std::sync::Mutex;
 442     ///
 443     /// let mut mutex = Mutex::new(0);
 444     /// *mutex.get_mut().unwrap() = 10;
 445     /// assert_eq!(*mutex.lock().unwrap(), 10);
 446     /// ```
 447     #[stable(feature = "mutex_get_mut", since = "1.6.0")]
 448     pub fn get_mut(&mut self) -> LockResult<&mut T> {
 449         let data = self.data.get_mut();
 450         poison::map_result(self.poison.borrow(), |()| data)
 451     }
 452 }
 453
 454 #[stable(feature = "mutex_from", since = "1.24.0")]
 455 impl<T> From<T> for Mutex<T> {
 456     /// Creates a new mutex in an unlocked state ready for use.
 457     /// This is equivalent to [`Mutex::new`].
 458     fn from(t: T) -> Self {
 459         Mutex::new(t)
 460     }
 461 }
 462
 463 #[stable(feature = "mutex_default", since = "1.10.0")]
 464 impl<T: ?Sized + Default> Default for Mutex<T> {
 465     /// Creates a `Mutex<T>`, with the `Default` value for T.
 466     fn default() -> Mutex<T> {
 467         Mutex::new(Default::default())
 468     }
 469 }
 470
 471 #[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
 472 impl<T: ?Sized + fmt::Debug> fmt::Debug for Mutex<T> {
 473     fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter<'_>) -> fmt::Result {
 474         let mut d = f.debug_struct("Mutex");
 475         match self.try_lock() {
 476             Ok(guard) => {
 477                 d.field("data", &&*guard);
 478             }
 479             Err(TryLockError::Poisoned(err)) => {
 480                 d.field("data", &&**err.get_ref());
 481             }
 482             Err(TryLockError::WouldBlock) => {
 483                 struct LockedPlaceholder;
 484                 impl fmt::Debug for LockedPlaceholder {
 485                     fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter<'_>) -> fmt::Result {
 486                         f.write_str("<locked>")
 487                     }
 488                 }
 489                 d.field("data", &LockedPlaceholder);
 490             }
 491         }
 492         d.field("poisoned", &self.poison.get());
 493         d.finish_non_exhaustive()
 494     }
 495 }
 496
 497 impl<'mutex, T: ?Sized> MutexGuard<'mutex, T> {
 498     unsafe fn new(lock: &'mutex Mutex<T>) -> LockResult<MutexGuard<'mutex, T>> {
 499         poison::map_result(lock.poison.guard(), |guard| MutexGuard { lock, poison: guard })
 500     }
 501 }
 502
 503 #[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
 504 impl<T: ?Sized> Deref for MutexGuard<'_, T> {
 505     type Target = T;
 506
 507     fn deref(&self) -> &T {
 508         unsafe { &*self.lock.data.get() }
 509     }
 510 }
 511
 512 #[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
 513 impl<T: ?Sized> DerefMut for MutexGuard<'_, T> {
 514     fn deref_mut(&mut self) -> &mut T {
 515         unsafe { &mut *self.lock.data.get() }
 516     }
 517 }
 518
 519 #[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
 520 impl<T: ?Sized> Drop for MutexGuard<'_, T> {
 521     #[inline]
 522     fn drop(&mut self) {
 523         unsafe {
 524             self.lock.poison.done(&self.poison);
 525             self.lock.inner.unlock();
 526         }
 527     }
 528 }
 529
 530 #[stable(feature = "std_debug", since = "1.16.0")]
 531 impl<T: ?Sized + fmt::Debug> fmt::Debug for MutexGuard<'_, T> {
 532     fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter<'_>) -> fmt::Result {
 533         fmt::Debug::fmt(&**self, f)
 534     }
 535 }
 536
 537 #[stable(feature = "std_guard_impls", since = "1.20.0")]
 538 impl<T: ?Sized + fmt::Display> fmt::Display for MutexGuard<'_, T> {
 539     fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter<'_>) -> fmt::Result {
 540         (**self).fmt(f)
 541     }
 542 }
 543
 544 pub fn guard_lock<'a, T: ?Sized>(guard: &MutexGuard<'a, T>) -> &'a sys::Mutex {
 545     &guard.lock.inner
 546 }
 547
 548 pub fn guard_poison<'a, T: ?Sized>(guard: &MutexGuard<'a, T>) -> &'a poison::Flag {
 549     &guard.lock.poison
 550 }