]> git.lizzy.rs Git - rust.git/blob - src/concurrency/data_race.rs
Remove unused lifetimes
[rust.git] / src / concurrency / data_race.rs
1 //! Implementation of a data-race detector using Lamport Timestamps / Vector-clocks
2 //! based on the Dynamic Race Detection for C++:
3 //! <https://www.doc.ic.ac.uk/~afd/homepages/papers/pdfs/2017/POPL.pdf>
4 //! which does not report false-positives when fences are used, and gives better
5 //! accuracy in presence of read-modify-write operations.
6 //!
7 //! The implementation contains modifications to correctly model the changes to the memory model in C++20
8 //! regarding the weakening of release sequences: <http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2018/p0982r1.html>.
9 //! Relaxed stores now unconditionally block all currently active release sequences and so per-thread tracking of release
10 //! sequences is not needed.
11 //!
12 //! The implementation also models races with memory allocation and deallocation via treating allocation and
13 //! deallocation as a type of write internally for detecting data-races.
14 //!
15 //! Weak memory orders are explored but not all weak behaviours are exhibited, so it can still miss data-races
16 //! but should not report false-positives
17 //!
18 //! Data-race definition from(<https://en.cppreference.com/w/cpp/language/memory_model#Threads_and_data_races>):
19 //! a data race occurs between two memory accesses if they are on different threads, at least one operation
20 //! is non-atomic, at least one operation is a write and neither access happens-before the other. Read the link
21 //! for full definition.
22 //!
23 //! This re-uses vector indexes for threads that are known to be unable to report data-races, this is valid
24 //! because it only re-uses vector indexes once all currently-active (not-terminated) threads have an internal
25 //! vector clock that happens-after the join operation of the candidate thread. Threads that have not been joined
26 //! on are not considered. Since the thread's vector clock will only increase and a data-race implies that
27 //! there is some index x where clock\[x\] > thread_clock, when this is true clock\[candidate-idx\] > thread_clock
28 //! can never hold and hence a data-race can never be reported in that vector index again.
29 //! This means that the thread-index can be safely re-used, starting on the next timestamp for the newly created
30 //! thread.
31 //!
32 //! The timestamps used in the data-race detector assign each sequence of non-atomic operations
33 //! followed by a single atomic or concurrent operation a single timestamp.
34 //! Write, Read, Write, ThreadJoin will be represented by a single timestamp value on a thread.
35 //! This is because extra increment operations between the operations in the sequence are not
36 //! required for accurate reporting of data-race values.
37 //!
38 //! As per the paper a threads timestamp is only incremented after a release operation is performed
39 //! so some atomic operations that only perform acquires do not increment the timestamp. Due to shared
40 //! code some atomic operations may increment the timestamp when not necessary but this has no effect
41 //! on the data-race detection code.
42 //!
43 //! FIXME:
44 //! currently we have our own local copy of the currently active thread index and names, this is due
45 //! in part to the inability to access the current location of threads.active_thread inside the AllocExtra
46 //! read, write and deallocate functions and should be cleaned up in the future.
47
48 use std::{
49     cell::{Cell, Ref, RefCell, RefMut},
50     fmt::Debug,
51     mem,
52 };
53
54 use rustc_data_structures::fx::{FxHashMap, FxHashSet};
55 use rustc_index::vec::{Idx, IndexVec};
56 use rustc_middle::{mir, ty::layout::TyAndLayout};
57 use rustc_target::abi::Size;
58
59 use crate::*;
60
61 use super::weak_memory::EvalContextExt as _;
62
63 pub type AllocExtra = VClockAlloc;
64
65 /// Valid atomic read-write operations, alias of atomic::Ordering (not non-exhaustive).
66 #[derive(Copy, Clone, PartialEq, Eq, Debug)]
67 pub enum AtomicRwOp {
68     Relaxed,
69     Acquire,
70     Release,
71     AcqRel,
72     SeqCst,
73 }
74
75 /// Valid atomic read operations, subset of atomic::Ordering.
76 #[derive(Copy, Clone, PartialEq, Eq, Debug)]
77 pub enum AtomicReadOp {
78     Relaxed,
79     Acquire,
80     SeqCst,
81 }
82
83 /// Valid atomic write operations, subset of atomic::Ordering.
84 #[derive(Copy, Clone, PartialEq, Eq, Debug)]
85 pub enum AtomicWriteOp {
86     Relaxed,
87     Release,
88     SeqCst,
89 }
90
91 /// Valid atomic fence operations, subset of atomic::Ordering.
92 #[derive(Copy, Clone, PartialEq, Eq, Debug)]
93 pub enum AtomicFenceOp {
94     Acquire,
95     Release,
96     AcqRel,
97     SeqCst,
98 }
99
100 /// The current set of vector clocks describing the state
101 /// of a thread, contains the happens-before clock and
102 /// additional metadata to model atomic fence operations.
103 #[derive(Clone, Default, Debug)]
104 pub(super) struct ThreadClockSet {
105     /// The increasing clock representing timestamps
106     /// that happen-before this thread.
107     pub(super) clock: VClock,
108
109     /// The set of timestamps that will happen-before this
110     /// thread once it performs an acquire fence.
111     fence_acquire: VClock,
112
113     /// The last timestamp of happens-before relations that
114     /// have been released by this thread by a fence.
115     fence_release: VClock,
116
117     /// Timestamps of the last SC fence performed by each
118     /// thread, updated when this thread performs an SC fence
119     pub(super) fence_seqcst: VClock,
120
121     /// Timestamps of the last SC write performed by each
122     /// thread, updated when this thread performs an SC fence
123     pub(super) write_seqcst: VClock,
124
125     /// Timestamps of the last SC fence performed by each
126     /// thread, updated when this thread performs an SC read
127     pub(super) read_seqcst: VClock,
128 }
129
130 impl ThreadClockSet {
131     /// Apply the effects of a release fence to this
132     /// set of thread vector clocks.
133     #[inline]
134     fn apply_release_fence(&mut self) {
135         self.fence_release.clone_from(&self.clock);
136     }
137
138     /// Apply the effects of an acquire fence to this
139     /// set of thread vector clocks.
140     #[inline]
141     fn apply_acquire_fence(&mut self) {
142         self.clock.join(&self.fence_acquire);
143     }
144
145     /// Increment the happens-before clock at a
146     /// known index.
147     #[inline]
148     fn increment_clock(&mut self, index: VectorIdx) {
149         self.clock.increment_index(index);
150     }
151
152     /// Join the happens-before clock with that of
153     /// another thread, used to model thread join
154     /// operations.
155     fn join_with(&mut self, other: &ThreadClockSet) {
156         self.clock.join(&other.clock);
157     }
158 }
159
160 /// Error returned by finding a data race
161 /// should be elaborated upon.
162 #[derive(Copy, Clone, PartialEq, Eq, PartialOrd, Ord, Hash, Debug)]
163 pub struct DataRace;
164
165 /// Externally stored memory cell clocks
166 /// explicitly to reduce memory usage for the
167 /// common case where no atomic operations
168 /// exists on the memory cell.
169 #[derive(Clone, PartialEq, Eq, Default, Debug)]
170 struct AtomicMemoryCellClocks {
171     /// The clock-vector of the timestamp of the last atomic
172     /// read operation performed by each thread.
173     /// This detects potential data-races between atomic read
174     /// and non-atomic write operations.
175     read_vector: VClock,
176
177     /// The clock-vector of the timestamp of the last atomic
178     /// write operation performed by each thread.
179     /// This detects potential data-races between atomic write
180     /// and non-atomic read or write operations.
181     write_vector: VClock,
182
183     /// Synchronization vector for acquire-release semantics
184     /// contains the vector of timestamps that will
185     /// happen-before a thread if an acquire-load is
186     /// performed on the data.
187     sync_vector: VClock,
188 }
189
190 /// Type of write operation: allocating memory
191 /// non-atomic writes and deallocating memory
192 /// are all treated as writes for the purpose
193 /// of the data-race detector.
194 #[derive(Copy, Clone, PartialEq, Eq, Debug)]
195 enum WriteType {
196     /// Allocate memory.
197     Allocate,
198
199     /// Standard unsynchronized write.
200     Write,
201
202     /// Deallocate memory.
203     /// Note that when memory is deallocated first, later non-atomic accesses
204     /// will be reported as use-after-free, not as data races.
205     /// (Same for `Allocate` above.)
206     Deallocate,
207 }
208 impl WriteType {
209     fn get_descriptor(self) -> &'static str {
210         match self {
211             WriteType::Allocate => "Allocate",
212             WriteType::Write => "Write",
213             WriteType::Deallocate => "Deallocate",
214         }
215     }
216 }
217
218 /// Memory Cell vector clock metadata
219 /// for data-race detection.
220 #[derive(Clone, PartialEq, Eq, Debug)]
221 struct MemoryCellClocks {
222     /// The vector-clock timestamp of the last write
223     /// corresponding to the writing threads timestamp.
224     write: VTimestamp,
225
226     /// The identifier of the vector index, corresponding to a thread
227     /// that performed the last write operation.
228     write_index: VectorIdx,
229
230     /// The type of operation that the write index represents,
231     /// either newly allocated memory, a non-atomic write or
232     /// a deallocation of memory.
233     write_type: WriteType,
234
235     /// The vector-clock of the timestamp of the last read operation
236     /// performed by a thread since the last write operation occurred.
237     /// It is reset to zero on each write operation.
238     read: VClock,
239
240     /// Atomic acquire & release sequence tracking clocks.
241     /// For non-atomic memory in the common case this
242     /// value is set to None.
243     atomic_ops: Option<Box<AtomicMemoryCellClocks>>,
244 }
245
246 impl MemoryCellClocks {
247     /// Create a new set of clocks representing memory allocated
248     ///  at a given vector timestamp and index.
249     fn new(alloc: VTimestamp, alloc_index: VectorIdx) -> Self {
250         MemoryCellClocks {
251             read: VClock::default(),
252             write: alloc,
253             write_index: alloc_index,
254             write_type: WriteType::Allocate,
255             atomic_ops: None,
256         }
257     }
258
259     /// Load the internal atomic memory cells if they exist.
260     #[inline]
261     fn atomic(&self) -> Option<&AtomicMemoryCellClocks> {
262         match &self.atomic_ops {
263             Some(op) => Some(&*op),
264             None => None,
265         }
266     }
267
268     /// Load or create the internal atomic memory metadata
269     /// if it does not exist.
270     #[inline]
271     fn atomic_mut(&mut self) -> &mut AtomicMemoryCellClocks {
272         self.atomic_ops.get_or_insert_with(Default::default)
273     }
274
275     /// Update memory cell data-race tracking for atomic
276     /// load acquire semantics, is a no-op if this memory was
277     /// not used previously as atomic memory.
278     fn load_acquire(
279         &mut self,
280         clocks: &mut ThreadClockSet,
281         index: VectorIdx,
282     ) -> Result<(), DataRace> {
283         self.atomic_read_detect(clocks, index)?;
284         if let Some(atomic) = self.atomic() {
285             clocks.clock.join(&atomic.sync_vector);
286         }
287         Ok(())
288     }
289
290     /// Checks if the memory cell access is ordered with all prior atomic reads and writes
291     fn race_free_with_atomic(&self, clocks: &ThreadClockSet) -> bool {
292         if let Some(atomic) = self.atomic() {
293             atomic.read_vector <= clocks.clock && atomic.write_vector <= clocks.clock
294         } else {
295             true
296         }
297     }
298
299     /// Update memory cell data-race tracking for atomic
300     /// load relaxed semantics, is a no-op if this memory was
301     /// not used previously as atomic memory.
302     fn load_relaxed(
303         &mut self,
304         clocks: &mut ThreadClockSet,
305         index: VectorIdx,
306     ) -> Result<(), DataRace> {
307         self.atomic_read_detect(clocks, index)?;
308         if let Some(atomic) = self.atomic() {
309             clocks.fence_acquire.join(&atomic.sync_vector);
310         }
311         Ok(())
312     }
313
314     /// Update the memory cell data-race tracking for atomic
315     /// store release semantics.
316     fn store_release(&mut self, clocks: &ThreadClockSet, index: VectorIdx) -> Result<(), DataRace> {
317         self.atomic_write_detect(clocks, index)?;
318         let atomic = self.atomic_mut();
319         atomic.sync_vector.clone_from(&clocks.clock);
320         Ok(())
321     }
322
323     /// Update the memory cell data-race tracking for atomic
324     /// store relaxed semantics.
325     fn store_relaxed(&mut self, clocks: &ThreadClockSet, index: VectorIdx) -> Result<(), DataRace> {
326         self.atomic_write_detect(clocks, index)?;
327
328         // The handling of release sequences was changed in C++20 and so
329         // the code here is different to the paper since now all relaxed
330         // stores block release sequences. The exception for same-thread
331         // relaxed stores has been removed.
332         let atomic = self.atomic_mut();
333         atomic.sync_vector.clone_from(&clocks.fence_release);
334         Ok(())
335     }
336
337     /// Update the memory cell data-race tracking for atomic
338     /// store release semantics for RMW operations.
339     fn rmw_release(&mut self, clocks: &ThreadClockSet, index: VectorIdx) -> Result<(), DataRace> {
340         self.atomic_write_detect(clocks, index)?;
341         let atomic = self.atomic_mut();
342         atomic.sync_vector.join(&clocks.clock);
343         Ok(())
344     }
345
346     /// Update the memory cell data-race tracking for atomic
347     /// store relaxed semantics for RMW operations.
348     fn rmw_relaxed(&mut self, clocks: &ThreadClockSet, index: VectorIdx) -> Result<(), DataRace> {
349         self.atomic_write_detect(clocks, index)?;
350         let atomic = self.atomic_mut();
351         atomic.sync_vector.join(&clocks.fence_release);
352         Ok(())
353     }
354
355     /// Detect data-races with an atomic read, caused by a non-atomic write that does
356     /// not happen-before the atomic-read.
357     fn atomic_read_detect(
358         &mut self,
359         clocks: &ThreadClockSet,
360         index: VectorIdx,
361     ) -> Result<(), DataRace> {
362         log::trace!("Atomic read with vectors: {:#?} :: {:#?}", self, clocks);
363         if self.write <= clocks.clock[self.write_index] {
364             let atomic = self.atomic_mut();
365             atomic.read_vector.set_at_index(&clocks.clock, index);
366             Ok(())
367         } else {
368             Err(DataRace)
369         }
370     }
371
372     /// Detect data-races with an atomic write, either with a non-atomic read or with
373     /// a non-atomic write.
374     fn atomic_write_detect(
375         &mut self,
376         clocks: &ThreadClockSet,
377         index: VectorIdx,
378     ) -> Result<(), DataRace> {
379         log::trace!("Atomic write with vectors: {:#?} :: {:#?}", self, clocks);
380         if self.write <= clocks.clock[self.write_index] && self.read <= clocks.clock {
381             let atomic = self.atomic_mut();
382             atomic.write_vector.set_at_index(&clocks.clock, index);
383             Ok(())
384         } else {
385             Err(DataRace)
386         }
387     }
388
389     /// Detect races for non-atomic read operations at the current memory cell
390     /// returns true if a data-race is detected.
391     fn read_race_detect(
392         &mut self,
393         clocks: &ThreadClockSet,
394         index: VectorIdx,
395     ) -> Result<(), DataRace> {
396         log::trace!("Unsynchronized read with vectors: {:#?} :: {:#?}", self, clocks);
397         if self.write <= clocks.clock[self.write_index] {
398             let race_free = if let Some(atomic) = self.atomic() {
399                 atomic.write_vector <= clocks.clock
400             } else {
401                 true
402             };
403             if race_free {
404                 self.read.set_at_index(&clocks.clock, index);
405                 Ok(())
406             } else {
407                 Err(DataRace)
408             }
409         } else {
410             Err(DataRace)
411         }
412     }
413
414     /// Detect races for non-atomic write operations at the current memory cell
415     /// returns true if a data-race is detected.
416     fn write_race_detect(
417         &mut self,
418         clocks: &ThreadClockSet,
419         index: VectorIdx,
420         write_type: WriteType,
421     ) -> Result<(), DataRace> {
422         log::trace!("Unsynchronized write with vectors: {:#?} :: {:#?}", self, clocks);
423         if self.write <= clocks.clock[self.write_index] && self.read <= clocks.clock {
424             let race_free = if let Some(atomic) = self.atomic() {
425                 atomic.write_vector <= clocks.clock && atomic.read_vector <= clocks.clock
426             } else {
427                 true
428             };
429             if race_free {
430                 self.write = clocks.clock[index];
431                 self.write_index = index;
432                 self.write_type = write_type;
433                 self.read.set_zero_vector();
434                 Ok(())
435             } else {
436                 Err(DataRace)
437             }
438         } else {
439             Err(DataRace)
440         }
441     }
442 }
443
444 /// Evaluation context extensions.
445 impl<'mir, 'tcx: 'mir> EvalContextExt<'mir, 'tcx> for MiriEvalContext<'mir, 'tcx> {}
446 pub trait EvalContextExt<'mir, 'tcx: 'mir>: MiriEvalContextExt<'mir, 'tcx> {
447     /// Temporarily allow data-races to occur. This should only be used in
448     /// one of these cases:
449     /// - One of the appropriate `validate_atomic` functions will be called to
450     /// to treat a memory access as atomic.
451     /// - The memory being accessed should be treated as internal state, that
452     /// cannot be accessed by the interpreted program.
453     /// - Execution of the interpreted program execution has halted.
454     #[inline]
455     fn allow_data_races_ref<R>(&self, op: impl FnOnce(&MiriEvalContext<'mir, 'tcx>) -> R) -> R {
456         let this = self.eval_context_ref();
457         if let Some(data_race) = &this.machine.data_race {
458             data_race.ongoing_action_data_race_free.set(true);
459         }
460         let result = op(this);
461         if let Some(data_race) = &this.machine.data_race {
462             data_race.ongoing_action_data_race_free.set(false);
463         }
464         result
465     }
466
467     /// Same as `allow_data_races_ref`, this temporarily disables any data-race detection and
468     /// so should only be used for atomic operations or internal state that the program cannot
469     /// access.
470     #[inline]
471     fn allow_data_races_mut<R>(
472         &mut self,
473         op: impl FnOnce(&mut MiriEvalContext<'mir, 'tcx>) -> R,
474     ) -> R {
475         let this = self.eval_context_mut();
476         if let Some(data_race) = &this.machine.data_race {
477             data_race.ongoing_action_data_race_free.set(true);
478         }
479         let result = op(this);
480         if let Some(data_race) = &this.machine.data_race {
481             data_race.ongoing_action_data_race_free.set(false);
482         }
483         result
484     }
485
486     /// Atomic variant of read_scalar_at_offset.
487     fn read_scalar_at_offset_atomic(
488         &self,
489         op: &OpTy<'tcx, Tag>,
490         offset: u64,
491         layout: TyAndLayout<'tcx>,
492         atomic: AtomicReadOp,
493     ) -> InterpResult<'tcx, ScalarMaybeUninit<Tag>> {
494         let this = self.eval_context_ref();
495         let value_place = this.deref_operand_and_offset(op, offset, layout)?;
496         this.read_scalar_atomic(&value_place, atomic)
497     }
498
499     /// Atomic variant of write_scalar_at_offset.
500     fn write_scalar_at_offset_atomic(
501         &mut self,
502         op: &OpTy<'tcx, Tag>,
503         offset: u64,
504         value: impl Into<ScalarMaybeUninit<Tag>>,
505         layout: TyAndLayout<'tcx>,
506         atomic: AtomicWriteOp,
507     ) -> InterpResult<'tcx> {
508         let this = self.eval_context_mut();
509         let value_place = this.deref_operand_and_offset(op, offset, layout)?;
510         this.write_scalar_atomic(value.into(), &value_place, atomic)
511     }
512
513     /// Perform an atomic read operation at the memory location.
514     fn read_scalar_atomic(
515         &self,
516         place: &MPlaceTy<'tcx, Tag>,
517         atomic: AtomicReadOp,
518     ) -> InterpResult<'tcx, ScalarMaybeUninit<Tag>> {
519         let this = self.eval_context_ref();
520         // This will read from the last store in the modification order of this location. In case
521         // weak memory emulation is enabled, this may not be the store we will pick to actually read from and return.
522         // This is fine with StackedBorrow and race checks because they don't concern metadata on
523         // the *value* (including the associated provenance if this is an AtomicPtr) at this location.
524         // Only metadata on the location itself is used.
525         let scalar = this.allow_data_races_ref(move |this| this.read_scalar(&place.into()))?;
526         this.validate_overlapping_atomic(place)?;
527         this.buffered_atomic_read(place, atomic, scalar, || {
528             this.validate_atomic_load(place, atomic)
529         })
530     }
531
532     /// Perform an atomic write operation at the memory location.
533     fn write_scalar_atomic(
534         &mut self,
535         val: ScalarMaybeUninit<Tag>,
536         dest: &MPlaceTy<'tcx, Tag>,
537         atomic: AtomicWriteOp,
538     ) -> InterpResult<'tcx> {
539         let this = self.eval_context_mut();
540         this.validate_overlapping_atomic(dest)?;
541         this.allow_data_races_mut(move |this| this.write_scalar(val, &(*dest).into()))?;
542         this.validate_atomic_store(dest, atomic)?;
543         // FIXME: it's not possible to get the value before write_scalar. A read_scalar will cause
544         // side effects from a read the program did not perform. So we have to initialise
545         // the store buffer with the value currently being written
546         // ONCE this is fixed please remove the hack in buffered_atomic_write() in weak_memory.rs
547         // https://github.com/rust-lang/miri/issues/2164
548         this.buffered_atomic_write(val, dest, atomic, val)
549     }
550
551     /// Perform an atomic operation on a memory location.
552     fn atomic_op_immediate(
553         &mut self,
554         place: &MPlaceTy<'tcx, Tag>,
555         rhs: &ImmTy<'tcx, Tag>,
556         op: mir::BinOp,
557         neg: bool,
558         atomic: AtomicRwOp,
559     ) -> InterpResult<'tcx, ImmTy<'tcx, Tag>> {
560         let this = self.eval_context_mut();
561
562         this.validate_overlapping_atomic(place)?;
563         let old = this.allow_data_races_mut(|this| this.read_immediate(&place.into()))?;
564
565         // Atomics wrap around on overflow.
566         let val = this.binary_op(op, &old, rhs)?;
567         let val = if neg { this.unary_op(mir::UnOp::Not, &val)? } else { val };
568         this.allow_data_races_mut(|this| this.write_immediate(*val, &(*place).into()))?;
569
570         this.validate_atomic_rmw(place, atomic)?;
571
572         this.buffered_atomic_rmw(
573             val.to_scalar_or_uninit(),
574             place,
575             atomic,
576             old.to_scalar_or_uninit(),
577         )?;
578         Ok(old)
579     }
580
581     /// Perform an atomic exchange with a memory place and a new
582     /// scalar value, the old value is returned.
583     fn atomic_exchange_scalar(
584         &mut self,
585         place: &MPlaceTy<'tcx, Tag>,
586         new: ScalarMaybeUninit<Tag>,
587         atomic: AtomicRwOp,
588     ) -> InterpResult<'tcx, ScalarMaybeUninit<Tag>> {
589         let this = self.eval_context_mut();
590
591         this.validate_overlapping_atomic(place)?;
592         let old = this.allow_data_races_mut(|this| this.read_scalar(&place.into()))?;
593         this.allow_data_races_mut(|this| this.write_scalar(new, &(*place).into()))?;
594
595         this.validate_atomic_rmw(place, atomic)?;
596
597         this.buffered_atomic_rmw(new, place, atomic, old)?;
598         Ok(old)
599     }
600
601     /// Perform an conditional atomic exchange with a memory place and a new
602     /// scalar value, the old value is returned.
603     fn atomic_min_max_scalar(
604         &mut self,
605         place: &MPlaceTy<'tcx, Tag>,
606         rhs: ImmTy<'tcx, Tag>,
607         min: bool,
608         atomic: AtomicRwOp,
609     ) -> InterpResult<'tcx, ImmTy<'tcx, Tag>> {
610         let this = self.eval_context_mut();
611
612         this.validate_overlapping_atomic(place)?;
613         let old = this.allow_data_races_mut(|this| this.read_immediate(&place.into()))?;
614         let lt = this.binary_op(mir::BinOp::Lt, &old, &rhs)?.to_scalar()?.to_bool()?;
615
616         let new_val = if min {
617             if lt { &old } else { &rhs }
618         } else {
619             if lt { &rhs } else { &old }
620         };
621
622         this.allow_data_races_mut(|this| this.write_immediate(**new_val, &(*place).into()))?;
623
624         this.validate_atomic_rmw(place, atomic)?;
625
626         this.buffered_atomic_rmw(
627             new_val.to_scalar_or_uninit(),
628             place,
629             atomic,
630             old.to_scalar_or_uninit(),
631         )?;
632
633         // Return the old value.
634         Ok(old)
635     }
636
637     /// Perform an atomic compare and exchange at a given memory location.
638     /// On success an atomic RMW operation is performed and on failure
639     /// only an atomic read occurs. If `can_fail_spuriously` is true,
640     /// then we treat it as a "compare_exchange_weak" operation, and
641     /// some portion of the time fail even when the values are actually
642     /// identical.
643     fn atomic_compare_exchange_scalar(
644         &mut self,
645         place: &MPlaceTy<'tcx, Tag>,
646         expect_old: &ImmTy<'tcx, Tag>,
647         new: ScalarMaybeUninit<Tag>,
648         success: AtomicRwOp,
649         fail: AtomicReadOp,
650         can_fail_spuriously: bool,
651     ) -> InterpResult<'tcx, Immediate<Tag>> {
652         use rand::Rng as _;
653         let this = self.eval_context_mut();
654
655         this.validate_overlapping_atomic(place)?;
656         // Failure ordering cannot be stronger than success ordering, therefore first attempt
657         // to read with the failure ordering and if successful then try again with the success
658         // read ordering and write in the success case.
659         // Read as immediate for the sake of `binary_op()`
660         let old = this.allow_data_races_mut(|this| this.read_immediate(&(place.into())))?;
661         // `binary_op` will bail if either of them is not a scalar.
662         let eq = this.binary_op(mir::BinOp::Eq, &old, expect_old)?;
663         // If the operation would succeed, but is "weak", fail some portion
664         // of the time, based on `success_rate`.
665         let success_rate = 1.0 - this.machine.cmpxchg_weak_failure_rate;
666         let cmpxchg_success = eq.to_scalar()?.to_bool()?
667             && if can_fail_spuriously {
668                 this.machine.rng.get_mut().gen_bool(success_rate)
669             } else {
670                 true
671             };
672         let res = Immediate::ScalarPair(
673             old.to_scalar_or_uninit(),
674             Scalar::from_bool(cmpxchg_success).into(),
675         );
676
677         // Update ptr depending on comparison.
678         // if successful, perform a full rw-atomic validation
679         // otherwise treat this as an atomic load with the fail ordering.
680         if cmpxchg_success {
681             this.allow_data_races_mut(|this| this.write_scalar(new, &(*place).into()))?;
682             this.validate_atomic_rmw(place, success)?;
683             this.buffered_atomic_rmw(new, place, success, old.to_scalar_or_uninit())?;
684         } else {
685             this.validate_atomic_load(place, fail)?;
686             // A failed compare exchange is equivalent to a load, reading from the latest store
687             // in the modification order.
688             // Since `old` is only a value and not the store element, we need to separately
689             // find it in our store buffer and perform load_impl on it.
690             this.perform_read_on_buffered_latest(place, fail, old.to_scalar_or_uninit())?;
691         }
692
693         // Return the old value.
694         Ok(res)
695     }
696
697     /// Update the data-race detector for an atomic read occurring at the
698     /// associated memory-place and on the current thread.
699     fn validate_atomic_load(
700         &self,
701         place: &MPlaceTy<'tcx, Tag>,
702         atomic: AtomicReadOp,
703     ) -> InterpResult<'tcx> {
704         let this = self.eval_context_ref();
705         this.validate_overlapping_atomic(place)?;
706         this.validate_atomic_op(
707             place,
708             atomic,
709             "Atomic Load",
710             move |memory, clocks, index, atomic| {
711                 if atomic == AtomicReadOp::Relaxed {
712                     memory.load_relaxed(&mut *clocks, index)
713                 } else {
714                     memory.load_acquire(&mut *clocks, index)
715                 }
716             },
717         )
718     }
719
720     /// Update the data-race detector for an atomic write occurring at the
721     /// associated memory-place and on the current thread.
722     fn validate_atomic_store(
723         &mut self,
724         place: &MPlaceTy<'tcx, Tag>,
725         atomic: AtomicWriteOp,
726     ) -> InterpResult<'tcx> {
727         let this = self.eval_context_mut();
728         this.validate_overlapping_atomic(place)?;
729         this.validate_atomic_op(
730             place,
731             atomic,
732             "Atomic Store",
733             move |memory, clocks, index, atomic| {
734                 if atomic == AtomicWriteOp::Relaxed {
735                     memory.store_relaxed(clocks, index)
736                 } else {
737                     memory.store_release(clocks, index)
738                 }
739             },
740         )
741     }
742
743     /// Update the data-race detector for an atomic read-modify-write occurring
744     /// at the associated memory place and on the current thread.
745     fn validate_atomic_rmw(
746         &mut self,
747         place: &MPlaceTy<'tcx, Tag>,
748         atomic: AtomicRwOp,
749     ) -> InterpResult<'tcx> {
750         use AtomicRwOp::*;
751         let acquire = matches!(atomic, Acquire | AcqRel | SeqCst);
752         let release = matches!(atomic, Release | AcqRel | SeqCst);
753         let this = self.eval_context_mut();
754         this.validate_overlapping_atomic(place)?;
755         this.validate_atomic_op(place, atomic, "Atomic RMW", move |memory, clocks, index, _| {
756             if acquire {
757                 memory.load_acquire(clocks, index)?;
758             } else {
759                 memory.load_relaxed(clocks, index)?;
760             }
761             if release {
762                 memory.rmw_release(clocks, index)
763             } else {
764                 memory.rmw_relaxed(clocks, index)
765             }
766         })
767     }
768
769     /// Update the data-race detector for an atomic fence on the current thread.
770     fn validate_atomic_fence(&mut self, atomic: AtomicFenceOp) -> InterpResult<'tcx> {
771         let this = self.eval_context_mut();
772         if let Some(data_race) = &mut this.machine.data_race {
773             data_race.maybe_perform_sync_operation(|index, mut clocks| {
774                 log::trace!("Atomic fence on {:?} with ordering {:?}", index, atomic);
775
776                 // Apply data-race detection for the current fences
777                 // this treats AcqRel and SeqCst as the same as an acquire
778                 // and release fence applied in the same timestamp.
779                 if atomic != AtomicFenceOp::Release {
780                     // Either Acquire | AcqRel | SeqCst
781                     clocks.apply_acquire_fence();
782                 }
783                 if atomic != AtomicFenceOp::Acquire {
784                     // Either Release | AcqRel | SeqCst
785                     clocks.apply_release_fence();
786                 }
787                 if atomic == AtomicFenceOp::SeqCst {
788                     data_race.last_sc_fence.borrow_mut().set_at_index(&clocks.clock, index);
789                     clocks.fence_seqcst.join(&data_race.last_sc_fence.borrow());
790                     clocks.write_seqcst.join(&data_race.last_sc_write.borrow());
791                 }
792
793                 // Increment timestamp in case of release semantics.
794                 Ok(atomic != AtomicFenceOp::Acquire)
795             })
796         } else {
797             Ok(())
798         }
799     }
800 }
801
802 /// Vector clock metadata for a logical memory allocation.
803 #[derive(Debug, Clone)]
804 pub struct VClockAlloc {
805     /// Assigning each byte a MemoryCellClocks.
806     alloc_ranges: RefCell<RangeMap<MemoryCellClocks>>,
807 }
808
809 impl VClockAlloc {
810     /// Create a new data-race detector for newly allocated memory.
811     pub fn new_allocation(
812         global: &GlobalState,
813         len: Size,
814         kind: MemoryKind<MiriMemoryKind>,
815     ) -> VClockAlloc {
816         let (alloc_timestamp, alloc_index) = match kind {
817             // User allocated and stack memory should track allocation.
818             MemoryKind::Machine(
819                 MiriMemoryKind::Rust | MiriMemoryKind::C | MiriMemoryKind::WinHeap,
820             )
821             | MemoryKind::Stack => {
822                 let (alloc_index, clocks) = global.current_thread_state();
823                 let alloc_timestamp = clocks.clock[alloc_index];
824                 (alloc_timestamp, alloc_index)
825             }
826             // Other global memory should trace races but be allocated at the 0 timestamp.
827             MemoryKind::Machine(
828                 MiriMemoryKind::Global
829                 | MiriMemoryKind::Machine
830                 | MiriMemoryKind::Runtime
831                 | MiriMemoryKind::ExternStatic
832                 | MiriMemoryKind::Tls,
833             )
834             | MemoryKind::CallerLocation => (0, VectorIdx::MAX_INDEX),
835         };
836         VClockAlloc {
837             alloc_ranges: RefCell::new(RangeMap::new(
838                 len,
839                 MemoryCellClocks::new(alloc_timestamp, alloc_index),
840             )),
841         }
842     }
843
844     // Find an index, if one exists where the value
845     // in `l` is greater than the value in `r`.
846     fn find_gt_index(l: &VClock, r: &VClock) -> Option<VectorIdx> {
847         log::trace!("Find index where not {:?} <= {:?}", l, r);
848         let l_slice = l.as_slice();
849         let r_slice = r.as_slice();
850         l_slice
851             .iter()
852             .zip(r_slice.iter())
853             .enumerate()
854             .find_map(|(idx, (&l, &r))| if l > r { Some(idx) } else { None })
855             .or_else(|| {
856                 if l_slice.len() > r_slice.len() {
857                     // By invariant, if l_slice is longer
858                     // then one element must be larger.
859                     // This just validates that this is true
860                     // and reports earlier elements first.
861                     let l_remainder_slice = &l_slice[r_slice.len()..];
862                     let idx = l_remainder_slice
863                         .iter()
864                         .enumerate()
865                         .find_map(|(idx, &r)| if r == 0 { None } else { Some(idx) })
866                         .expect("Invalid VClock Invariant");
867                     Some(idx + r_slice.len())
868                 } else {
869                     None
870                 }
871             })
872             .map(VectorIdx::new)
873     }
874
875     /// Report a data-race found in the program.
876     /// This finds the two racing threads and the type
877     /// of data-race that occurred. This will also
878     /// return info about the memory location the data-race
879     /// occurred in.
880     #[cold]
881     #[inline(never)]
882     fn report_data_race<'tcx>(
883         global: &GlobalState,
884         range: &MemoryCellClocks,
885         action: &str,
886         is_atomic: bool,
887         ptr_dbg: Pointer<AllocId>,
888     ) -> InterpResult<'tcx> {
889         let (current_index, current_clocks) = global.current_thread_state();
890         let write_clock;
891         let (other_action, other_thread, other_clock) = if range.write
892             > current_clocks.clock[range.write_index]
893         {
894             // Convert the write action into the vector clock it
895             // represents for diagnostic purposes.
896             write_clock = VClock::new_with_index(range.write_index, range.write);
897             (range.write_type.get_descriptor(), range.write_index, &write_clock)
898         } else if let Some(idx) = Self::find_gt_index(&range.read, &current_clocks.clock) {
899             ("Read", idx, &range.read)
900         } else if !is_atomic {
901             if let Some(atomic) = range.atomic() {
902                 if let Some(idx) = Self::find_gt_index(&atomic.write_vector, &current_clocks.clock)
903                 {
904                     ("Atomic Store", idx, &atomic.write_vector)
905                 } else if let Some(idx) =
906                     Self::find_gt_index(&atomic.read_vector, &current_clocks.clock)
907                 {
908                     ("Atomic Load", idx, &atomic.read_vector)
909                 } else {
910                     unreachable!(
911                         "Failed to report data-race for non-atomic operation: no race found"
912                     )
913                 }
914             } else {
915                 unreachable!(
916                     "Failed to report data-race for non-atomic operation: no atomic component"
917                 )
918             }
919         } else {
920             unreachable!("Failed to report data-race for atomic operation")
921         };
922
923         // Load elaborated thread information about the racing thread actions.
924         let current_thread_info = global.print_thread_metadata(current_index);
925         let other_thread_info = global.print_thread_metadata(other_thread);
926
927         // Throw the data-race detection.
928         throw_ub_format!(
929             "Data race detected between {} on {} and {} on {} at {:?} (current vector clock = {:?}, conflicting timestamp = {:?})",
930             action,
931             current_thread_info,
932             other_action,
933             other_thread_info,
934             ptr_dbg,
935             current_clocks.clock,
936             other_clock
937         )
938     }
939
940     /// Detect racing atomic read and writes (not data races)
941     /// on every byte of the current access range
942     pub(super) fn race_free_with_atomic(&self, range: AllocRange, global: &GlobalState) -> bool {
943         if global.race_detecting() {
944             let (_, clocks) = global.current_thread_state();
945             let alloc_ranges = self.alloc_ranges.borrow();
946             for (_, range) in alloc_ranges.iter(range.start, range.size) {
947                 if !range.race_free_with_atomic(&clocks) {
948                     return false;
949                 }
950             }
951         }
952         true
953     }
954
955     /// Detect data-races for an unsynchronized read operation, will not perform
956     /// data-race detection if `race_detecting()` is false, either due to no threads
957     /// being created or if it is temporarily disabled during a racy read or write
958     /// operation for which data-race detection is handled separately, for example
959     /// atomic read operations.
960     pub fn read<'tcx>(
961         &self,
962         alloc_id: AllocId,
963         range: AllocRange,
964         global: &GlobalState,
965     ) -> InterpResult<'tcx> {
966         if global.race_detecting() {
967             let (index, clocks) = global.current_thread_state();
968             let mut alloc_ranges = self.alloc_ranges.borrow_mut();
969             for (offset, range) in alloc_ranges.iter_mut(range.start, range.size) {
970                 if let Err(DataRace) = range.read_race_detect(&*clocks, index) {
971                     // Report data-race.
972                     return Self::report_data_race(
973                         global,
974                         range,
975                         "Read",
976                         false,
977                         Pointer::new(alloc_id, offset),
978                     );
979                 }
980             }
981             Ok(())
982         } else {
983             Ok(())
984         }
985     }
986
987     // Shared code for detecting data-races on unique access to a section of memory
988     fn unique_access<'tcx>(
989         &mut self,
990         alloc_id: AllocId,
991         range: AllocRange,
992         write_type: WriteType,
993         global: &mut GlobalState,
994     ) -> InterpResult<'tcx> {
995         if global.race_detecting() {
996             let (index, clocks) = global.current_thread_state();
997             for (offset, range) in self.alloc_ranges.get_mut().iter_mut(range.start, range.size) {
998                 if let Err(DataRace) = range.write_race_detect(&*clocks, index, write_type) {
999                     // Report data-race
1000                     return Self::report_data_race(
1001                         global,
1002                         range,
1003                         write_type.get_descriptor(),
1004                         false,
1005                         Pointer::new(alloc_id, offset),
1006                     );
1007                 }
1008             }
1009             Ok(())
1010         } else {
1011             Ok(())
1012         }
1013     }
1014
1015     /// Detect data-races for an unsynchronized write operation, will not perform
1016     /// data-race threads if `race_detecting()` is false, either due to no threads
1017     /// being created or if it is temporarily disabled during a racy read or write
1018     /// operation
1019     pub fn write<'tcx>(
1020         &mut self,
1021         alloc_id: AllocId,
1022         range: AllocRange,
1023         global: &mut GlobalState,
1024     ) -> InterpResult<'tcx> {
1025         self.unique_access(alloc_id, range, WriteType::Write, global)
1026     }
1027
1028     /// Detect data-races for an unsynchronized deallocate operation, will not perform
1029     /// data-race threads if `race_detecting()` is false, either due to no threads
1030     /// being created or if it is temporarily disabled during a racy read or write
1031     /// operation
1032     pub fn deallocate<'tcx>(
1033         &mut self,
1034         alloc_id: AllocId,
1035         range: AllocRange,
1036         global: &mut GlobalState,
1037     ) -> InterpResult<'tcx> {
1038         self.unique_access(alloc_id, range, WriteType::Deallocate, global)
1039     }
1040 }
1041
1042 impl<'mir, 'tcx: 'mir> EvalContextPrivExt<'mir, 'tcx> for MiriEvalContext<'mir, 'tcx> {}
1043 trait EvalContextPrivExt<'mir, 'tcx: 'mir>: MiriEvalContextExt<'mir, 'tcx> {
1044     /// Generic atomic operation implementation
1045     fn validate_atomic_op<A: Debug + Copy>(
1046         &self,
1047         place: &MPlaceTy<'tcx, Tag>,
1048         atomic: A,
1049         description: &str,
1050         mut op: impl FnMut(
1051             &mut MemoryCellClocks,
1052             &mut ThreadClockSet,
1053             VectorIdx,
1054             A,
1055         ) -> Result<(), DataRace>,
1056     ) -> InterpResult<'tcx> {
1057         let this = self.eval_context_ref();
1058         if let Some(data_race) = &this.machine.data_race {
1059             if data_race.race_detecting() {
1060                 let size = place.layout.size;
1061                 let (alloc_id, base_offset, _tag) = this.ptr_get_alloc_id(place.ptr)?;
1062                 // Load and log the atomic operation.
1063                 // Note that atomic loads are possible even from read-only allocations, so `get_alloc_extra_mut` is not an option.
1064                 let alloc_meta = this.get_alloc_extra(alloc_id)?.data_race.as_ref().unwrap();
1065                 log::trace!(
1066                     "Atomic op({}) with ordering {:?} on {:?} (size={})",
1067                     description,
1068                     &atomic,
1069                     place.ptr,
1070                     size.bytes()
1071                 );
1072
1073                 // Perform the atomic operation.
1074                 data_race.maybe_perform_sync_operation(|index, mut clocks| {
1075                     for (offset, range) in
1076                         alloc_meta.alloc_ranges.borrow_mut().iter_mut(base_offset, size)
1077                     {
1078                         if let Err(DataRace) = op(range, &mut *clocks, index, atomic) {
1079                             mem::drop(clocks);
1080                             return VClockAlloc::report_data_race(
1081                                 data_race,
1082                                 range,
1083                                 description,
1084                                 true,
1085                                 Pointer::new(alloc_id, offset),
1086                             )
1087                             .map(|_| true);
1088                         }
1089                     }
1090
1091                     // This conservatively assumes all operations have release semantics
1092                     Ok(true)
1093                 })?;
1094
1095                 // Log changes to atomic memory.
1096                 if log::log_enabled!(log::Level::Trace) {
1097                     for (_offset, range) in alloc_meta.alloc_ranges.borrow().iter(base_offset, size)
1098                     {
1099                         log::trace!(
1100                             "Updated atomic memory({:?}, size={}) to {:#?}",
1101                             place.ptr,
1102                             size.bytes(),
1103                             range.atomic_ops
1104                         );
1105                     }
1106                 }
1107             }
1108         }
1109         Ok(())
1110     }
1111 }
1112
1113 /// Extra metadata associated with a thread.
1114 #[derive(Debug, Clone, Default)]
1115 struct ThreadExtraState {
1116     /// The current vector index in use by the
1117     /// thread currently, this is set to None
1118     /// after the vector index has been re-used
1119     /// and hence the value will never need to be
1120     /// read during data-race reporting.
1121     vector_index: Option<VectorIdx>,
1122
1123     /// The name of the thread, updated for better
1124     /// diagnostics when reporting detected data
1125     /// races.
1126     thread_name: Option<Box<str>>,
1127
1128     /// Thread termination vector clock, this
1129     /// is set on thread termination and is used
1130     /// for joining on threads since the vector_index
1131     /// may be re-used when the join operation occurs.
1132     termination_vector_clock: Option<VClock>,
1133 }
1134
1135 /// Global data-race detection state, contains the currently
1136 /// executing thread as well as the vector-clocks associated
1137 /// with each of the threads.
1138 // FIXME: it is probably better to have one large RefCell, than to have so many small ones.
1139 #[derive(Debug, Clone)]
1140 pub struct GlobalState {
1141     /// Set to true once the first additional
1142     /// thread has launched, due to the dependency
1143     /// between before and after a thread launch.
1144     /// Any data-races must be recorded after this
1145     /// so concurrent execution can ignore recording
1146     /// any data-races.
1147     multi_threaded: Cell<bool>,
1148
1149     /// A flag to mark we are currently performing
1150     /// a data race free action (such as atomic access)
1151     /// to supress the race detector
1152     ongoing_action_data_race_free: Cell<bool>,
1153
1154     /// Mapping of a vector index to a known set of thread
1155     /// clocks, this is not directly mapping from a thread id
1156     /// since it may refer to multiple threads.
1157     vector_clocks: RefCell<IndexVec<VectorIdx, ThreadClockSet>>,
1158
1159     /// Mapping of a given vector index to the current thread
1160     /// that the execution is representing, this may change
1161     /// if a vector index is re-assigned to a new thread.
1162     vector_info: RefCell<IndexVec<VectorIdx, ThreadId>>,
1163
1164     /// The mapping of a given thread to associated thread metadata.
1165     thread_info: RefCell<IndexVec<ThreadId, ThreadExtraState>>,
1166
1167     /// The current vector index being executed.
1168     current_index: Cell<VectorIdx>,
1169
1170     /// Potential vector indices that could be re-used on thread creation
1171     /// values are inserted here on after the thread has terminated and
1172     /// been joined with, and hence may potentially become free
1173     /// for use as the index for a new thread.
1174     /// Elements in this set may still require the vector index to
1175     /// report data-races, and can only be re-used after all
1176     /// active vector-clocks catch up with the threads timestamp.
1177     reuse_candidates: RefCell<FxHashSet<VectorIdx>>,
1178
1179     /// Counts the number of threads that are currently active
1180     /// if the number of active threads reduces to 1 and then
1181     /// a join operation occurs with the remaining main thread
1182     /// then multi-threaded execution may be disabled.
1183     active_thread_count: Cell<usize>,
1184
1185     /// This contains threads that have terminated, but not yet joined
1186     /// and so cannot become re-use candidates until a join operation
1187     /// occurs.
1188     /// The associated vector index will be moved into re-use candidates
1189     /// after the join operation occurs.
1190     terminated_threads: RefCell<FxHashMap<ThreadId, VectorIdx>>,
1191
1192     /// The timestamp of last SC fence performed by each thread
1193     last_sc_fence: RefCell<VClock>,
1194
1195     /// The timestamp of last SC write performed by each thread
1196     last_sc_write: RefCell<VClock>,
1197 }
1198
1199 impl GlobalState {
1200     /// Create a new global state, setup with just thread-id=0
1201     /// advanced to timestamp = 1.
1202     pub fn new() -> Self {
1203         let mut global_state = GlobalState {
1204             multi_threaded: Cell::new(false),
1205             ongoing_action_data_race_free: Cell::new(false),
1206             vector_clocks: RefCell::new(IndexVec::new()),
1207             vector_info: RefCell::new(IndexVec::new()),
1208             thread_info: RefCell::new(IndexVec::new()),
1209             current_index: Cell::new(VectorIdx::new(0)),
1210             active_thread_count: Cell::new(1),
1211             reuse_candidates: RefCell::new(FxHashSet::default()),
1212             terminated_threads: RefCell::new(FxHashMap::default()),
1213             last_sc_fence: RefCell::new(VClock::default()),
1214             last_sc_write: RefCell::new(VClock::default()),
1215         };
1216
1217         // Setup the main-thread since it is not explicitly created:
1218         // uses vector index and thread-id 0, also the rust runtime gives
1219         // the main-thread a name of "main".
1220         let index = global_state.vector_clocks.get_mut().push(ThreadClockSet::default());
1221         global_state.vector_info.get_mut().push(ThreadId::new(0));
1222         global_state.thread_info.get_mut().push(ThreadExtraState {
1223             vector_index: Some(index),
1224             thread_name: Some("main".to_string().into_boxed_str()),
1225             termination_vector_clock: None,
1226         });
1227
1228         global_state
1229     }
1230
1231     // We perform data race detection when there are more than 1 active thread
1232     // and we have not temporarily disabled race detection to perform something
1233     // data race free
1234     fn race_detecting(&self) -> bool {
1235         self.multi_threaded.get() && !self.ongoing_action_data_race_free.get()
1236     }
1237
1238     pub fn ongoing_action_data_race_free(&self) -> bool {
1239         self.ongoing_action_data_race_free.get()
1240     }
1241
1242     // Try to find vector index values that can potentially be re-used
1243     // by a new thread instead of a new vector index being created.
1244     fn find_vector_index_reuse_candidate(&self) -> Option<VectorIdx> {
1245         let mut reuse = self.reuse_candidates.borrow_mut();
1246         let vector_clocks = self.vector_clocks.borrow();
1247         let vector_info = self.vector_info.borrow();
1248         let terminated_threads = self.terminated_threads.borrow();
1249         for &candidate in reuse.iter() {
1250             let target_timestamp = vector_clocks[candidate].clock[candidate];
1251             if vector_clocks.iter_enumerated().all(|(clock_idx, clock)| {
1252                 // The thread happens before the clock, and hence cannot report
1253                 // a data-race with this the candidate index.
1254                 let no_data_race = clock.clock[candidate] >= target_timestamp;
1255
1256                 // The vector represents a thread that has terminated and hence cannot
1257                 // report a data-race with the candidate index.
1258                 let thread_id = vector_info[clock_idx];
1259                 let vector_terminated =
1260                     reuse.contains(&clock_idx) || terminated_threads.contains_key(&thread_id);
1261
1262                 // The vector index cannot report a race with the candidate index
1263                 // and hence allows the candidate index to be re-used.
1264                 no_data_race || vector_terminated
1265             }) {
1266                 // All vector clocks for each vector index are equal to
1267                 // the target timestamp, and the thread is known to have
1268                 // terminated, therefore this vector clock index cannot
1269                 // report any more data-races.
1270                 assert!(reuse.remove(&candidate));
1271                 return Some(candidate);
1272             }
1273         }
1274         None
1275     }
1276
1277     // Hook for thread creation, enabled multi-threaded execution and marks
1278     // the current thread timestamp as happening-before the current thread.
1279     #[inline]
1280     pub fn thread_created(&mut self, thread: ThreadId) {
1281         let current_index = self.current_index();
1282
1283         // Increment the number of active threads.
1284         let active_threads = self.active_thread_count.get();
1285         self.active_thread_count.set(active_threads + 1);
1286
1287         // Enable multi-threaded execution, there are now two threads
1288         // so data-races are now possible.
1289         self.multi_threaded.set(true);
1290
1291         // Load and setup the associated thread metadata
1292         let mut thread_info = self.thread_info.borrow_mut();
1293         thread_info.ensure_contains_elem(thread, Default::default);
1294
1295         // Assign a vector index for the thread, attempting to re-use an old
1296         // vector index that can no longer report any data-races if possible.
1297         let created_index = if let Some(reuse_index) = self.find_vector_index_reuse_candidate() {
1298             // Now re-configure the re-use candidate, increment the clock
1299             // for the new sync use of the vector.
1300             let vector_clocks = self.vector_clocks.get_mut();
1301             vector_clocks[reuse_index].increment_clock(reuse_index);
1302
1303             // Locate the old thread the vector was associated with and update
1304             // it to represent the new thread instead.
1305             let vector_info = self.vector_info.get_mut();
1306             let old_thread = vector_info[reuse_index];
1307             vector_info[reuse_index] = thread;
1308
1309             // Mark the thread the vector index was associated with as no longer
1310             // representing a thread index.
1311             thread_info[old_thread].vector_index = None;
1312
1313             reuse_index
1314         } else {
1315             // No vector re-use candidates available, instead create
1316             // a new vector index.
1317             let vector_info = self.vector_info.get_mut();
1318             vector_info.push(thread)
1319         };
1320
1321         log::trace!("Creating thread = {:?} with vector index = {:?}", thread, created_index);
1322
1323         // Mark the chosen vector index as in use by the thread.
1324         thread_info[thread].vector_index = Some(created_index);
1325
1326         // Create a thread clock set if applicable.
1327         let vector_clocks = self.vector_clocks.get_mut();
1328         if created_index == vector_clocks.next_index() {
1329             vector_clocks.push(ThreadClockSet::default());
1330         }
1331
1332         // Now load the two clocks and configure the initial state.
1333         let (current, created) = vector_clocks.pick2_mut(current_index, created_index);
1334
1335         // Join the created with current, since the current threads
1336         // previous actions happen-before the created thread.
1337         created.join_with(current);
1338
1339         // Advance both threads after the synchronized operation.
1340         // Both operations are considered to have release semantics.
1341         current.increment_clock(current_index);
1342         created.increment_clock(created_index);
1343     }
1344
1345     /// Hook on a thread join to update the implicit happens-before relation
1346     /// between the joined thread and the current thread.
1347     #[inline]
1348     pub fn thread_joined(&mut self, current_thread: ThreadId, join_thread: ThreadId) {
1349         let clocks_vec = self.vector_clocks.get_mut();
1350         let thread_info = self.thread_info.get_mut();
1351
1352         // Load the vector clock of the current thread.
1353         let current_index = thread_info[current_thread]
1354             .vector_index
1355             .expect("Performed thread join on thread with no assigned vector");
1356         let current = &mut clocks_vec[current_index];
1357
1358         // Load the associated vector clock for the terminated thread.
1359         let join_clock = thread_info[join_thread]
1360             .termination_vector_clock
1361             .as_ref()
1362             .expect("Joined with thread but thread has not terminated");
1363
1364         // The join thread happens-before the current thread
1365         // so update the current vector clock.
1366         // Is not a release operation so the clock is not incremented.
1367         current.clock.join(join_clock);
1368
1369         // Check the number of active threads, if the value is 1
1370         // then test for potentially disabling multi-threaded execution.
1371         let active_threads = self.active_thread_count.get();
1372         if active_threads == 1 {
1373             // May potentially be able to disable multi-threaded execution.
1374             let current_clock = &clocks_vec[current_index];
1375             if clocks_vec
1376                 .iter_enumerated()
1377                 .all(|(idx, clocks)| clocks.clock[idx] <= current_clock.clock[idx])
1378             {
1379                 // All thread terminations happen-before the current clock
1380                 // therefore no data-races can be reported until a new thread
1381                 // is created, so disable multi-threaded execution.
1382                 self.multi_threaded.set(false);
1383             }
1384         }
1385
1386         // If the thread is marked as terminated but not joined
1387         // then move the thread to the re-use set.
1388         let termination = self.terminated_threads.get_mut();
1389         if let Some(index) = termination.remove(&join_thread) {
1390             let reuse = self.reuse_candidates.get_mut();
1391             reuse.insert(index);
1392         }
1393     }
1394
1395     /// On thread termination, the vector-clock may re-used
1396     /// in the future once all remaining thread-clocks catch
1397     /// up with the time index of the terminated thread.
1398     /// This assigns thread termination with a unique index
1399     /// which will be used to join the thread
1400     /// This should be called strictly before any calls to
1401     /// `thread_joined`.
1402     #[inline]
1403     pub fn thread_terminated(&mut self) {
1404         let current_index = self.current_index();
1405
1406         // Increment the clock to a unique termination timestamp.
1407         let vector_clocks = self.vector_clocks.get_mut();
1408         let current_clocks = &mut vector_clocks[current_index];
1409         current_clocks.increment_clock(current_index);
1410
1411         // Load the current thread id for the executing vector.
1412         let vector_info = self.vector_info.get_mut();
1413         let current_thread = vector_info[current_index];
1414
1415         // Load the current thread metadata, and move to a terminated
1416         // vector state. Setting up the vector clock all join operations
1417         // will use.
1418         let thread_info = self.thread_info.get_mut();
1419         let current = &mut thread_info[current_thread];
1420         current.termination_vector_clock = Some(current_clocks.clock.clone());
1421
1422         // Add this thread as a candidate for re-use after a thread join
1423         // occurs.
1424         let termination = self.terminated_threads.get_mut();
1425         termination.insert(current_thread, current_index);
1426
1427         // Reduce the number of active threads, now that a thread has
1428         // terminated.
1429         let mut active_threads = self.active_thread_count.get();
1430         active_threads -= 1;
1431         self.active_thread_count.set(active_threads);
1432     }
1433
1434     /// Hook for updating the local tracker of the currently
1435     /// enabled thread, should always be updated whenever
1436     /// `active_thread` in thread.rs is updated.
1437     #[inline]
1438     pub fn thread_set_active(&self, thread: ThreadId) {
1439         let thread_info = self.thread_info.borrow();
1440         let vector_idx = thread_info[thread]
1441             .vector_index
1442             .expect("Setting thread active with no assigned vector");
1443         self.current_index.set(vector_idx);
1444     }
1445
1446     /// Hook for updating the local tracker of the threads name
1447     /// this should always mirror the local value in thread.rs
1448     /// the thread name is used for improved diagnostics
1449     /// during a data-race.
1450     #[inline]
1451     pub fn thread_set_name(&mut self, thread: ThreadId, name: String) {
1452         let name = name.into_boxed_str();
1453         let thread_info = self.thread_info.get_mut();
1454         thread_info[thread].thread_name = Some(name);
1455     }
1456
1457     /// Attempt to perform a synchronized operation, this
1458     /// will perform no operation if multi-threading is
1459     /// not currently enabled.
1460     /// Otherwise it will increment the clock for the current
1461     /// vector before and after the operation for data-race
1462     /// detection between any happens-before edges the
1463     /// operation may create.
1464     fn maybe_perform_sync_operation<'tcx>(
1465         &self,
1466         op: impl FnOnce(VectorIdx, RefMut<'_, ThreadClockSet>) -> InterpResult<'tcx, bool>,
1467     ) -> InterpResult<'tcx> {
1468         if self.multi_threaded.get() {
1469             let (index, clocks) = self.current_thread_state_mut();
1470             if op(index, clocks)? {
1471                 let (_, mut clocks) = self.current_thread_state_mut();
1472                 clocks.increment_clock(index);
1473             }
1474         }
1475         Ok(())
1476     }
1477
1478     /// Internal utility to identify a thread stored internally
1479     /// returns the id and the name for better diagnostics.
1480     fn print_thread_metadata(&self, vector: VectorIdx) -> String {
1481         let thread = self.vector_info.borrow()[vector];
1482         let thread_name = &self.thread_info.borrow()[thread].thread_name;
1483         if let Some(name) = thread_name {
1484             let name: &str = name;
1485             format!("Thread(id = {:?}, name = {:?})", thread.to_u32(), &*name)
1486         } else {
1487             format!("Thread(id = {:?})", thread.to_u32())
1488         }
1489     }
1490
1491     /// Acquire a lock, express that the previous call of
1492     /// `validate_lock_release` must happen before this.
1493     /// As this is an acquire operation, the thread timestamp is not
1494     /// incremented.
1495     pub fn validate_lock_acquire(&self, lock: &VClock, thread: ThreadId) {
1496         let (_, mut clocks) = self.load_thread_state_mut(thread);
1497         clocks.clock.join(lock);
1498     }
1499
1500     /// Release a lock handle, express that this happens-before
1501     /// any subsequent calls to `validate_lock_acquire`.
1502     /// For normal locks this should be equivalent to `validate_lock_release_shared`
1503     /// since an acquire operation should have occurred before, however
1504     /// for futex & condvar operations this is not the case and this
1505     /// operation must be used.
1506     pub fn validate_lock_release(&self, lock: &mut VClock, thread: ThreadId) {
1507         let (index, mut clocks) = self.load_thread_state_mut(thread);
1508         lock.clone_from(&clocks.clock);
1509         clocks.increment_clock(index);
1510     }
1511
1512     /// Release a lock handle, express that this happens-before
1513     /// any subsequent calls to `validate_lock_acquire` as well
1514     /// as any previous calls to this function after any
1515     /// `validate_lock_release` calls.
1516     /// For normal locks this should be equivalent to `validate_lock_release`.
1517     /// This function only exists for joining over the set of concurrent readers
1518     /// in a read-write lock and should not be used for anything else.
1519     pub fn validate_lock_release_shared(&self, lock: &mut VClock, thread: ThreadId) {
1520         let (index, mut clocks) = self.load_thread_state_mut(thread);
1521         lock.join(&clocks.clock);
1522         clocks.increment_clock(index);
1523     }
1524
1525     /// Load the vector index used by the given thread as well as the set of vector clocks
1526     /// used by the thread.
1527     #[inline]
1528     fn load_thread_state_mut(&self, thread: ThreadId) -> (VectorIdx, RefMut<'_, ThreadClockSet>) {
1529         let index = self.thread_info.borrow()[thread]
1530             .vector_index
1531             .expect("Loading thread state for thread with no assigned vector");
1532         let ref_vector = self.vector_clocks.borrow_mut();
1533         let clocks = RefMut::map(ref_vector, |vec| &mut vec[index]);
1534         (index, clocks)
1535     }
1536
1537     /// Load the current vector clock in use and the current set of thread clocks
1538     /// in use for the vector.
1539     #[inline]
1540     pub(super) fn current_thread_state(&self) -> (VectorIdx, Ref<'_, ThreadClockSet>) {
1541         let index = self.current_index();
1542         let ref_vector = self.vector_clocks.borrow();
1543         let clocks = Ref::map(ref_vector, |vec| &vec[index]);
1544         (index, clocks)
1545     }
1546
1547     /// Load the current vector clock in use and the current set of thread clocks
1548     /// in use for the vector mutably for modification.
1549     #[inline]
1550     pub(super) fn current_thread_state_mut(&self) -> (VectorIdx, RefMut<'_, ThreadClockSet>) {
1551         let index = self.current_index();
1552         let ref_vector = self.vector_clocks.borrow_mut();
1553         let clocks = RefMut::map(ref_vector, |vec| &mut vec[index]);
1554         (index, clocks)
1555     }
1556
1557     /// Return the current thread, should be the same
1558     /// as the data-race active thread.
1559     #[inline]
1560     fn current_index(&self) -> VectorIdx {
1561         self.current_index.get()
1562     }
1563
1564     // SC ATOMIC STORE rule in the paper.
1565     pub(super) fn sc_write(&self) {
1566         let (index, clocks) = self.current_thread_state();
1567         self.last_sc_write.borrow_mut().set_at_index(&clocks.clock, index);
1568     }
1569
1570     // SC ATOMIC READ rule in the paper.
1571     pub(super) fn sc_read(&self) {
1572         let (.., mut clocks) = self.current_thread_state_mut();
1573         clocks.read_seqcst.join(&self.last_sc_fence.borrow());
1574     }
1575 }