]> git.lizzy.rs Git - rust.git/blob - src/data_race.rs
data_race: use glob import like most files
[rust.git] / src / 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 //! This does not explore weak memory orders and so 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 sequentially consistent ordering corresponds to the ordering that the threads
33 //! are currently scheduled, this means that the data-race detector has no additional
34 //! logic for sequentially consistent accesses at the moment since they are indistinguishable
35 //! from acquire/release operations. If weak memory orderings are explored then this
36 //! may need to change or be updated accordingly.
37 //!
38 //! Per the C++ spec for the memory model a sequentially consistent operation:
39 //!   "A load operation with this memory order performs an acquire operation,
40 //!    a store performs a release operation, and read-modify-write performs
41 //!    both an acquire operation and a release operation, plus a single total
42 //!    order exists in which all threads observe all modifications in the same
43 //!    order (see Sequentially-consistent ordering below) "
44 //! So in the absence of weak memory effects a seq-cst load & a seq-cst store is identical
45 //! to an acquire load and a release store given the global sequentially consistent order
46 //! of the schedule.
47 //!
48 //! The timestamps used in the data-race detector assign each sequence of non-atomic operations
49 //! followed by a single atomic or concurrent operation a single timestamp.
50 //! Write, Read, Write, ThreadJoin will be represented by a single timestamp value on a thread.
51 //! This is because extra increment operations between the operations in the sequence are not
52 //! required for accurate reporting of data-race values.
53 //!
54 //! As per the paper a threads timestamp is only incremented after a release operation is performed
55 //! so some atomic operations that only perform acquires do not increment the timestamp. Due to shared
56 //! code some atomic operations may increment the timestamp when not necessary but this has no effect
57 //! on the data-race detection code.
58 //!
59 //! FIXME:
60 //! currently we have our own local copy of the currently active thread index and names, this is due
61 //! in part to the inability to access the current location of threads.active_thread inside the AllocExtra
62 //! read, write and deallocate functions and should be cleaned up in the future.
63
64 use std::{
65     cell::{Cell, Ref, RefCell, RefMut},
66     fmt::Debug,
67     mem,
68 };
69
70 use rustc_data_structures::fx::{FxHashMap, FxHashSet};
71 use rustc_index::vec::{Idx, IndexVec};
72 use rustc_middle::{mir, ty::layout::TyAndLayout};
73 use rustc_target::abi::Size;
74
75 use crate::*;
76
77 pub type AllocExtra = VClockAlloc;
78
79 /// Valid atomic read-write operations, alias of atomic::Ordering (not non-exhaustive).
80 #[derive(Copy, Clone, PartialEq, Eq, Debug)]
81 pub enum AtomicRwOp {
82     Relaxed,
83     Acquire,
84     Release,
85     AcqRel,
86     SeqCst,
87 }
88
89 /// Valid atomic read operations, subset of atomic::Ordering.
90 #[derive(Copy, Clone, PartialEq, Eq, Debug)]
91 pub enum AtomicReadOp {
92     Relaxed,
93     Acquire,
94     SeqCst,
95 }
96
97 /// Valid atomic write operations, subset of atomic::Ordering.
98 #[derive(Copy, Clone, PartialEq, Eq, Debug)]
99 pub enum AtomicWriteOp {
100     Relaxed,
101     Release,
102     SeqCst,
103 }
104
105 /// Valid atomic fence operations, subset of atomic::Ordering.
106 #[derive(Copy, Clone, PartialEq, Eq, Debug)]
107 pub enum AtomicFenceOp {
108     Acquire,
109     Release,
110     AcqRel,
111     SeqCst,
112 }
113
114 /// The current set of vector clocks describing the state
115 /// of a thread, contains the happens-before clock and
116 /// additional metadata to model atomic fence operations.
117 #[derive(Clone, Default, Debug)]
118 struct ThreadClockSet {
119     /// The increasing clock representing timestamps
120     /// that happen-before this thread.
121     clock: VClock,
122
123     /// The set of timestamps that will happen-before this
124     /// thread once it performs an acquire fence.
125     fence_acquire: VClock,
126
127     /// The last timestamp of happens-before relations that
128     /// have been released by this thread by a fence.
129     fence_release: VClock,
130 }
131
132 impl ThreadClockSet {
133     /// Apply the effects of a release fence to this
134     /// set of thread vector clocks.
135     #[inline]
136     fn apply_release_fence(&mut self) {
137         self.fence_release.clone_from(&self.clock);
138     }
139
140     /// Apply the effects of an acquire fence to this
141     /// set of thread vector clocks.
142     #[inline]
143     fn apply_acquire_fence(&mut self) {
144         self.clock.join(&self.fence_acquire);
145     }
146
147     /// Increment the happens-before clock at a
148     /// known index.
149     #[inline]
150     fn increment_clock(&mut self, index: VectorIdx) {
151         self.clock.increment_index(index);
152     }
153
154     /// Join the happens-before clock with that of
155     /// another thread, used to model thread join
156     /// operations.
157     fn join_with(&mut self, other: &ThreadClockSet) {
158         self.clock.join(&other.clock);
159     }
160 }
161
162 /// Error returned by finding a data race
163 /// should be elaborated upon.
164 #[derive(Copy, Clone, PartialEq, Eq, PartialOrd, Ord, Hash, Debug)]
165 pub struct DataRace;
166
167 /// Externally stored memory cell clocks
168 /// explicitly to reduce memory usage for the
169 /// common case where no atomic operations
170 /// exists on the memory cell.
171 #[derive(Clone, PartialEq, Eq, Default, Debug)]
172 struct AtomicMemoryCellClocks {
173     /// The clock-vector of the timestamp of the last atomic
174     /// read operation performed by each thread.
175     /// This detects potential data-races between atomic read
176     /// and non-atomic write operations.
177     read_vector: VClock,
178
179     /// The clock-vector of the timestamp of the last atomic
180     /// write operation performed by each thread.
181     /// This detects potential data-races between atomic write
182     /// and non-atomic read or write operations.
183     write_vector: VClock,
184
185     /// Synchronization vector for acquire-release semantics
186     /// contains the vector of timestamps that will
187     /// happen-before a thread if an acquire-load is
188     /// performed on the data.
189     sync_vector: VClock,
190 }
191
192 /// Type of write operation: allocating memory
193 /// non-atomic writes and deallocating memory
194 /// are all treated as writes for the purpose
195 /// of the data-race detector.
196 #[derive(Copy, Clone, PartialEq, Eq, Debug)]
197 enum WriteType {
198     /// Allocate memory.
199     Allocate,
200
201     /// Standard unsynchronized write.
202     Write,
203
204     /// Deallocate memory.
205     /// Note that when memory is deallocated first, later non-atomic accesses
206     /// will be reported as use-after-free, not as data races.
207     /// (Same for `Allocate` above.)
208     Deallocate,
209 }
210 impl WriteType {
211     fn get_descriptor(self) -> &'static str {
212         match self {
213             WriteType::Allocate => "Allocate",
214             WriteType::Write => "Write",
215             WriteType::Deallocate => "Deallocate",
216         }
217     }
218 }
219
220 /// Memory Cell vector clock metadata
221 /// for data-race detection.
222 #[derive(Clone, PartialEq, Eq, Debug)]
223 struct MemoryCellClocks {
224     /// The vector-clock timestamp of the last write
225     /// corresponding to the writing threads timestamp.
226     write: VTimestamp,
227
228     /// The identifier of the vector index, corresponding to a thread
229     /// that performed the last write operation.
230     write_index: VectorIdx,
231
232     /// The type of operation that the write index represents,
233     /// either newly allocated memory, a non-atomic write or
234     /// a deallocation of memory.
235     write_type: WriteType,
236
237     /// The vector-clock of the timestamp of the last read operation
238     /// performed by a thread since the last write operation occurred.
239     /// It is reset to zero on each write operation.
240     read: VClock,
241
242     /// Atomic acquire & release sequence tracking clocks.
243     /// For non-atomic memory in the common case this
244     /// value is set to None.
245     atomic_ops: Option<Box<AtomicMemoryCellClocks>>,
246 }
247
248 impl MemoryCellClocks {
249     /// Create a new set of clocks representing memory allocated
250     ///  at a given vector timestamp and index.
251     fn new(alloc: VTimestamp, alloc_index: VectorIdx) -> Self {
252         MemoryCellClocks {
253             read: VClock::default(),
254             write: alloc,
255             write_index: alloc_index,
256             write_type: WriteType::Allocate,
257             atomic_ops: None,
258         }
259     }
260
261     /// Load the internal atomic memory cells if they exist.
262     #[inline]
263     fn atomic(&self) -> Option<&AtomicMemoryCellClocks> {
264         match &self.atomic_ops {
265             Some(op) => Some(&*op),
266             None => None,
267         }
268     }
269
270     /// Load or create the internal atomic memory metadata
271     /// if it does not exist.
272     #[inline]
273     fn atomic_mut(&mut self) -> &mut AtomicMemoryCellClocks {
274         self.atomic_ops.get_or_insert_with(Default::default)
275     }
276
277     /// Update memory cell data-race tracking for atomic
278     /// load acquire semantics, is a no-op if this memory was
279     /// not used previously as atomic memory.
280     fn load_acquire(
281         &mut self,
282         clocks: &mut ThreadClockSet,
283         index: VectorIdx,
284     ) -> Result<(), DataRace> {
285         self.atomic_read_detect(clocks, index)?;
286         if let Some(atomic) = self.atomic() {
287             clocks.clock.join(&atomic.sync_vector);
288         }
289         Ok(())
290     }
291
292     /// Update memory cell data-race tracking for atomic
293     /// load relaxed semantics, is a no-op if this memory was
294     /// not used previously as atomic memory.
295     fn load_relaxed(
296         &mut self,
297         clocks: &mut ThreadClockSet,
298         index: VectorIdx,
299     ) -> Result<(), DataRace> {
300         self.atomic_read_detect(clocks, index)?;
301         if let Some(atomic) = self.atomic() {
302             clocks.fence_acquire.join(&atomic.sync_vector);
303         }
304         Ok(())
305     }
306
307     /// Update the memory cell data-race tracking for atomic
308     /// store release semantics.
309     fn store_release(&mut self, clocks: &ThreadClockSet, index: VectorIdx) -> Result<(), DataRace> {
310         self.atomic_write_detect(clocks, index)?;
311         let atomic = self.atomic_mut();
312         atomic.sync_vector.clone_from(&clocks.clock);
313         Ok(())
314     }
315
316     /// Update the memory cell data-race tracking for atomic
317     /// store relaxed semantics.
318     fn store_relaxed(&mut self, clocks: &ThreadClockSet, index: VectorIdx) -> Result<(), DataRace> {
319         self.atomic_write_detect(clocks, index)?;
320
321         // The handling of release sequences was changed in C++20 and so
322         // the code here is different to the paper since now all relaxed
323         // stores block release sequences. The exception for same-thread
324         // relaxed stores has been removed.
325         let atomic = self.atomic_mut();
326         atomic.sync_vector.clone_from(&clocks.fence_release);
327         Ok(())
328     }
329
330     /// Update the memory cell data-race tracking for atomic
331     /// store release semantics for RMW operations.
332     fn rmw_release(&mut self, clocks: &ThreadClockSet, index: VectorIdx) -> Result<(), DataRace> {
333         self.atomic_write_detect(clocks, index)?;
334         let atomic = self.atomic_mut();
335         atomic.sync_vector.join(&clocks.clock);
336         Ok(())
337     }
338
339     /// Update the memory cell data-race tracking for atomic
340     /// store relaxed semantics for RMW operations.
341     fn rmw_relaxed(&mut self, clocks: &ThreadClockSet, index: VectorIdx) -> Result<(), DataRace> {
342         self.atomic_write_detect(clocks, index)?;
343         let atomic = self.atomic_mut();
344         atomic.sync_vector.join(&clocks.fence_release);
345         Ok(())
346     }
347
348     /// Detect data-races with an atomic read, caused by a non-atomic write that does
349     /// not happen-before the atomic-read.
350     fn atomic_read_detect(
351         &mut self,
352         clocks: &ThreadClockSet,
353         index: VectorIdx,
354     ) -> Result<(), DataRace> {
355         log::trace!("Atomic read with vectors: {:#?} :: {:#?}", self, clocks);
356         if self.write <= clocks.clock[self.write_index] {
357             let atomic = self.atomic_mut();
358             atomic.read_vector.set_at_index(&clocks.clock, index);
359             Ok(())
360         } else {
361             Err(DataRace)
362         }
363     }
364
365     /// Detect data-races with an atomic write, either with a non-atomic read or with
366     /// a non-atomic write.
367     fn atomic_write_detect(
368         &mut self,
369         clocks: &ThreadClockSet,
370         index: VectorIdx,
371     ) -> Result<(), DataRace> {
372         log::trace!("Atomic write with vectors: {:#?} :: {:#?}", self, clocks);
373         if self.write <= clocks.clock[self.write_index] && self.read <= clocks.clock {
374             let atomic = self.atomic_mut();
375             atomic.write_vector.set_at_index(&clocks.clock, index);
376             Ok(())
377         } else {
378             Err(DataRace)
379         }
380     }
381
382     /// Detect races for non-atomic read operations at the current memory cell
383     /// returns true if a data-race is detected.
384     fn read_race_detect(
385         &mut self,
386         clocks: &ThreadClockSet,
387         index: VectorIdx,
388     ) -> Result<(), DataRace> {
389         log::trace!("Unsynchronized read with vectors: {:#?} :: {:#?}", self, clocks);
390         if self.write <= clocks.clock[self.write_index] {
391             let race_free = if let Some(atomic) = self.atomic() {
392                 atomic.write_vector <= clocks.clock
393             } else {
394                 true
395             };
396             if race_free {
397                 self.read.set_at_index(&clocks.clock, index);
398                 Ok(())
399             } else {
400                 Err(DataRace)
401             }
402         } else {
403             Err(DataRace)
404         }
405     }
406
407     /// Detect races for non-atomic write operations at the current memory cell
408     /// returns true if a data-race is detected.
409     fn write_race_detect(
410         &mut self,
411         clocks: &ThreadClockSet,
412         index: VectorIdx,
413         write_type: WriteType,
414     ) -> Result<(), DataRace> {
415         log::trace!("Unsynchronized write with vectors: {:#?} :: {:#?}", self, clocks);
416         if self.write <= clocks.clock[self.write_index] && self.read <= clocks.clock {
417             let race_free = if let Some(atomic) = self.atomic() {
418                 atomic.write_vector <= clocks.clock && atomic.read_vector <= clocks.clock
419             } else {
420                 true
421             };
422             if race_free {
423                 self.write = clocks.clock[index];
424                 self.write_index = index;
425                 self.write_type = write_type;
426                 self.read.set_zero_vector();
427                 Ok(())
428             } else {
429                 Err(DataRace)
430             }
431         } else {
432             Err(DataRace)
433         }
434     }
435 }
436
437 /// Evaluation context extensions.
438 impl<'mir, 'tcx: 'mir> EvalContextExt<'mir, 'tcx> for MiriEvalContext<'mir, 'tcx> {}
439 pub trait EvalContextExt<'mir, 'tcx: 'mir>: MiriEvalContextExt<'mir, 'tcx> {
440     /// Atomic variant of read_scalar_at_offset.
441     fn read_scalar_at_offset_atomic(
442         &self,
443         op: &OpTy<'tcx, Tag>,
444         offset: u64,
445         layout: TyAndLayout<'tcx>,
446         atomic: AtomicReadOp,
447     ) -> InterpResult<'tcx, ScalarMaybeUninit<Tag>> {
448         let this = self.eval_context_ref();
449         let value_place = this.deref_operand_and_offset(op, offset, layout)?;
450         this.read_scalar_atomic(&value_place, atomic)
451     }
452
453     /// Atomic variant of write_scalar_at_offset.
454     fn write_scalar_at_offset_atomic(
455         &mut self,
456         op: &OpTy<'tcx, Tag>,
457         offset: u64,
458         value: impl Into<ScalarMaybeUninit<Tag>>,
459         layout: TyAndLayout<'tcx>,
460         atomic: AtomicWriteOp,
461     ) -> InterpResult<'tcx> {
462         let this = self.eval_context_mut();
463         let value_place = this.deref_operand_and_offset(op, offset, layout)?;
464         this.write_scalar_atomic(value.into(), &value_place, atomic)
465     }
466
467     /// Perform an atomic read operation at the memory location.
468     fn read_scalar_atomic(
469         &self,
470         place: &MPlaceTy<'tcx, Tag>,
471         atomic: AtomicReadOp,
472     ) -> InterpResult<'tcx, ScalarMaybeUninit<Tag>> {
473         let this = self.eval_context_ref();
474         let scalar = this.allow_data_races_ref(move |this| this.read_scalar(&place.into()))?;
475         this.validate_atomic_load(place, atomic)?;
476         Ok(scalar)
477     }
478
479     /// Perform an atomic write operation at the memory location.
480     fn write_scalar_atomic(
481         &mut self,
482         val: ScalarMaybeUninit<Tag>,
483         dest: &MPlaceTy<'tcx, Tag>,
484         atomic: AtomicWriteOp,
485     ) -> InterpResult<'tcx> {
486         let this = self.eval_context_mut();
487         this.allow_data_races_mut(move |this| this.write_scalar(val, &(*dest).into()))?;
488         this.validate_atomic_store(dest, atomic)
489     }
490
491     /// Perform an atomic operation on a memory location.
492     fn atomic_op_immediate(
493         &mut self,
494         place: &MPlaceTy<'tcx, Tag>,
495         rhs: &ImmTy<'tcx, Tag>,
496         op: mir::BinOp,
497         neg: bool,
498         atomic: AtomicRwOp,
499     ) -> InterpResult<'tcx, ImmTy<'tcx, Tag>> {
500         let this = self.eval_context_mut();
501
502         let old = this.allow_data_races_mut(|this| this.read_immediate(&place.into()))?;
503
504         // Atomics wrap around on overflow.
505         let val = this.binary_op(op, &old, rhs)?;
506         let val = if neg { this.unary_op(mir::UnOp::Not, &val)? } else { val };
507         this.allow_data_races_mut(|this| this.write_immediate(*val, &(*place).into()))?;
508
509         this.validate_atomic_rmw(place, atomic)?;
510         Ok(old)
511     }
512
513     /// Perform an atomic exchange with a memory place and a new
514     /// scalar value, the old value is returned.
515     fn atomic_exchange_scalar(
516         &mut self,
517         place: &MPlaceTy<'tcx, Tag>,
518         new: ScalarMaybeUninit<Tag>,
519         atomic: AtomicRwOp,
520     ) -> InterpResult<'tcx, ScalarMaybeUninit<Tag>> {
521         let this = self.eval_context_mut();
522
523         let old = this.allow_data_races_mut(|this| this.read_scalar(&place.into()))?;
524         this.allow_data_races_mut(|this| this.write_scalar(new, &(*place).into()))?;
525         this.validate_atomic_rmw(place, atomic)?;
526         Ok(old)
527     }
528
529     /// Perform an conditional atomic exchange with a memory place and a new
530     /// scalar value, the old value is returned.
531     fn atomic_min_max_scalar(
532         &mut self,
533         place: &MPlaceTy<'tcx, Tag>,
534         rhs: ImmTy<'tcx, Tag>,
535         min: bool,
536         atomic: AtomicRwOp,
537     ) -> InterpResult<'tcx, ImmTy<'tcx, Tag>> {
538         let this = self.eval_context_mut();
539
540         let old = this.allow_data_races_mut(|this| this.read_immediate(&place.into()))?;
541         let lt = this.binary_op(mir::BinOp::Lt, &old, &rhs)?.to_scalar()?.to_bool()?;
542
543         let new_val = if min {
544             if lt { &old } else { &rhs }
545         } else {
546             if lt { &rhs } else { &old }
547         };
548
549         this.allow_data_races_mut(|this| this.write_immediate(**new_val, &(*place).into()))?;
550
551         this.validate_atomic_rmw(place, atomic)?;
552
553         // Return the old value.
554         Ok(old)
555     }
556
557     /// Perform an atomic compare and exchange at a given memory location.
558     /// On success an atomic RMW operation is performed and on failure
559     /// only an atomic read occurs. If `can_fail_spuriously` is true,
560     /// then we treat it as a "compare_exchange_weak" operation, and
561     /// some portion of the time fail even when the values are actually
562     /// identical.
563     fn atomic_compare_exchange_scalar(
564         &mut self,
565         place: &MPlaceTy<'tcx, Tag>,
566         expect_old: &ImmTy<'tcx, Tag>,
567         new: ScalarMaybeUninit<Tag>,
568         success: AtomicRwOp,
569         fail: AtomicReadOp,
570         can_fail_spuriously: bool,
571     ) -> InterpResult<'tcx, Immediate<Tag>> {
572         use rand::Rng as _;
573         let this = self.eval_context_mut();
574
575         // Failure ordering cannot be stronger than success ordering, therefore first attempt
576         // to read with the failure ordering and if successful then try again with the success
577         // read ordering and write in the success case.
578         // Read as immediate for the sake of `binary_op()`
579         let old = this.allow_data_races_mut(|this| this.read_immediate(&(place.into())))?;
580         // `binary_op` will bail if either of them is not a scalar.
581         let eq = this.binary_op(mir::BinOp::Eq, &old, expect_old)?;
582         // If the operation would succeed, but is "weak", fail some portion
583         // of the time, based on `rate`.
584         let rate = this.machine.cmpxchg_weak_failure_rate;
585         let cmpxchg_success = eq.to_scalar()?.to_bool()?
586             && (!can_fail_spuriously || this.machine.rng.get_mut().gen::<f64>() < rate);
587         let res = Immediate::ScalarPair(
588             old.to_scalar_or_uninit(),
589             Scalar::from_bool(cmpxchg_success).into(),
590         );
591
592         // Update ptr depending on comparison.
593         // if successful, perform a full rw-atomic validation
594         // otherwise treat this as an atomic load with the fail ordering.
595         if cmpxchg_success {
596             this.allow_data_races_mut(|this| this.write_scalar(new, &(*place).into()))?;
597             this.validate_atomic_rmw(place, success)?;
598         } else {
599             this.validate_atomic_load(place, fail)?;
600         }
601
602         // Return the old value.
603         Ok(res)
604     }
605
606     /// Update the data-race detector for an atomic read occurring at the
607     /// associated memory-place and on the current thread.
608     fn validate_atomic_load(
609         &self,
610         place: &MPlaceTy<'tcx, Tag>,
611         atomic: AtomicReadOp,
612     ) -> InterpResult<'tcx> {
613         let this = self.eval_context_ref();
614         this.validate_atomic_op(
615             place,
616             atomic,
617             "Atomic Load",
618             move |memory, clocks, index, atomic| {
619                 if atomic == AtomicReadOp::Relaxed {
620                     memory.load_relaxed(&mut *clocks, index)
621                 } else {
622                     memory.load_acquire(&mut *clocks, index)
623                 }
624             },
625         )
626     }
627
628     /// Update the data-race detector for an atomic write occurring at the
629     /// associated memory-place and on the current thread.
630     fn validate_atomic_store(
631         &mut self,
632         place: &MPlaceTy<'tcx, Tag>,
633         atomic: AtomicWriteOp,
634     ) -> InterpResult<'tcx> {
635         let this = self.eval_context_mut();
636         this.validate_atomic_op(
637             place,
638             atomic,
639             "Atomic Store",
640             move |memory, clocks, index, atomic| {
641                 if atomic == AtomicWriteOp::Relaxed {
642                     memory.store_relaxed(clocks, index)
643                 } else {
644                     memory.store_release(clocks, index)
645                 }
646             },
647         )
648     }
649
650     /// Update the data-race detector for an atomic read-modify-write occurring
651     /// at the associated memory place and on the current thread.
652     fn validate_atomic_rmw(
653         &mut self,
654         place: &MPlaceTy<'tcx, Tag>,
655         atomic: AtomicRwOp,
656     ) -> InterpResult<'tcx> {
657         use AtomicRwOp::*;
658         let acquire = matches!(atomic, Acquire | AcqRel | SeqCst);
659         let release = matches!(atomic, Release | AcqRel | SeqCst);
660         let this = self.eval_context_mut();
661         this.validate_atomic_op(place, atomic, "Atomic RMW", move |memory, clocks, index, _| {
662             if acquire {
663                 memory.load_acquire(clocks, index)?;
664             } else {
665                 memory.load_relaxed(clocks, index)?;
666             }
667             if release {
668                 memory.rmw_release(clocks, index)
669             } else {
670                 memory.rmw_relaxed(clocks, index)
671             }
672         })
673     }
674
675     /// Update the data-race detector for an atomic fence on the current thread.
676     fn validate_atomic_fence(&mut self, atomic: AtomicFenceOp) -> InterpResult<'tcx> {
677         let this = self.eval_context_mut();
678         if let Some(data_race) = &mut this.machine.data_race {
679             data_race.maybe_perform_sync_operation(move |index, mut clocks| {
680                 log::trace!("Atomic fence on {:?} with ordering {:?}", index, atomic);
681
682                 // Apply data-race detection for the current fences
683                 // this treats AcqRel and SeqCst as the same as an acquire
684                 // and release fence applied in the same timestamp.
685                 if atomic != AtomicFenceOp::Release {
686                     // Either Acquire | AcqRel | SeqCst
687                     clocks.apply_acquire_fence();
688                 }
689                 if atomic != AtomicFenceOp::Acquire {
690                     // Either Release | AcqRel | SeqCst
691                     clocks.apply_release_fence();
692                 }
693
694                 // Increment timestamp in case of release semantics.
695                 Ok(atomic != AtomicFenceOp::Acquire)
696             })
697         } else {
698             Ok(())
699         }
700     }
701 }
702
703 /// Vector clock metadata for a logical memory allocation.
704 #[derive(Debug, Clone)]
705 pub struct VClockAlloc {
706     /// Assigning each byte a MemoryCellClocks.
707     alloc_ranges: RefCell<RangeMap<MemoryCellClocks>>,
708 }
709
710 impl VClockAlloc {
711     /// Create a new data-race detector for newly allocated memory.
712     pub fn new_allocation(
713         global: &GlobalState,
714         len: Size,
715         kind: MemoryKind<MiriMemoryKind>,
716     ) -> VClockAlloc {
717         let (alloc_timestamp, alloc_index) = match kind {
718             // User allocated and stack memory should track allocation.
719             MemoryKind::Machine(
720                 MiriMemoryKind::Rust | MiriMemoryKind::C | MiriMemoryKind::WinHeap,
721             )
722             | MemoryKind::Stack => {
723                 let (alloc_index, clocks) = global.current_thread_state();
724                 let alloc_timestamp = clocks.clock[alloc_index];
725                 (alloc_timestamp, alloc_index)
726             }
727             // Other global memory should trace races but be allocated at the 0 timestamp.
728             MemoryKind::Machine(
729                 MiriMemoryKind::Global
730                 | MiriMemoryKind::Machine
731                 | MiriMemoryKind::Runtime
732                 | MiriMemoryKind::ExternStatic
733                 | MiriMemoryKind::Tls,
734             )
735             | MemoryKind::CallerLocation => (0, VectorIdx::MAX_INDEX),
736         };
737         VClockAlloc {
738             alloc_ranges: RefCell::new(RangeMap::new(
739                 len,
740                 MemoryCellClocks::new(alloc_timestamp, alloc_index),
741             )),
742         }
743     }
744
745     // Find an index, if one exists where the value
746     // in `l` is greater than the value in `r`.
747     fn find_gt_index(l: &VClock, r: &VClock) -> Option<VectorIdx> {
748         log::trace!("Find index where not {:?} <= {:?}", l, r);
749         let l_slice = l.as_slice();
750         let r_slice = r.as_slice();
751         l_slice
752             .iter()
753             .zip(r_slice.iter())
754             .enumerate()
755             .find_map(|(idx, (&l, &r))| if l > r { Some(idx) } else { None })
756             .or_else(|| {
757                 if l_slice.len() > r_slice.len() {
758                     // By invariant, if l_slice is longer
759                     // then one element must be larger.
760                     // This just validates that this is true
761                     // and reports earlier elements first.
762                     let l_remainder_slice = &l_slice[r_slice.len()..];
763                     let idx = l_remainder_slice
764                         .iter()
765                         .enumerate()
766                         .find_map(|(idx, &r)| if r == 0 { None } else { Some(idx) })
767                         .expect("Invalid VClock Invariant");
768                     Some(idx + r_slice.len())
769                 } else {
770                     None
771                 }
772             })
773             .map(VectorIdx::new)
774     }
775
776     /// Report a data-race found in the program.
777     /// This finds the two racing threads and the type
778     /// of data-race that occurred. This will also
779     /// return info about the memory location the data-race
780     /// occurred in.
781     #[cold]
782     #[inline(never)]
783     fn report_data_race<'tcx>(
784         global: &GlobalState,
785         range: &MemoryCellClocks,
786         action: &str,
787         is_atomic: bool,
788         ptr_dbg: Pointer<AllocId>,
789     ) -> InterpResult<'tcx> {
790         let (current_index, current_clocks) = global.current_thread_state();
791         let write_clock;
792         let (other_action, other_thread, other_clock) = if range.write
793             > current_clocks.clock[range.write_index]
794         {
795             // Convert the write action into the vector clock it
796             // represents for diagnostic purposes.
797             write_clock = VClock::new_with_index(range.write_index, range.write);
798             (range.write_type.get_descriptor(), range.write_index, &write_clock)
799         } else if let Some(idx) = Self::find_gt_index(&range.read, &current_clocks.clock) {
800             ("Read", idx, &range.read)
801         } else if !is_atomic {
802             if let Some(atomic) = range.atomic() {
803                 if let Some(idx) = Self::find_gt_index(&atomic.write_vector, &current_clocks.clock)
804                 {
805                     ("Atomic Store", idx, &atomic.write_vector)
806                 } else if let Some(idx) =
807                     Self::find_gt_index(&atomic.read_vector, &current_clocks.clock)
808                 {
809                     ("Atomic Load", idx, &atomic.read_vector)
810                 } else {
811                     unreachable!(
812                         "Failed to report data-race for non-atomic operation: no race found"
813                     )
814                 }
815             } else {
816                 unreachable!(
817                     "Failed to report data-race for non-atomic operation: no atomic component"
818                 )
819             }
820         } else {
821             unreachable!("Failed to report data-race for atomic operation")
822         };
823
824         // Load elaborated thread information about the racing thread actions.
825         let current_thread_info = global.print_thread_metadata(current_index);
826         let other_thread_info = global.print_thread_metadata(other_thread);
827
828         // Throw the data-race detection.
829         throw_ub_format!(
830             "Data race detected between {} on {} and {} on {} at {:?} (current vector clock = {:?}, conflicting timestamp = {:?})",
831             action,
832             current_thread_info,
833             other_action,
834             other_thread_info,
835             ptr_dbg,
836             current_clocks.clock,
837             other_clock
838         )
839     }
840
841     /// Detect data-races for an unsynchronized read operation, will not perform
842     /// data-race detection if `multi-threaded` is false, either due to no threads
843     /// being created or if it is temporarily disabled during a racy read or write
844     /// operation for which data-race detection is handled separately, for example
845     /// atomic read operations.
846     pub fn read<'tcx>(
847         &self,
848         alloc_id: AllocId,
849         range: AllocRange,
850         global: &GlobalState,
851     ) -> InterpResult<'tcx> {
852         if global.multi_threaded.get() {
853             let (index, clocks) = global.current_thread_state();
854             let mut alloc_ranges = self.alloc_ranges.borrow_mut();
855             for (offset, range) in alloc_ranges.iter_mut(range.start, range.size) {
856                 if let Err(DataRace) = range.read_race_detect(&*clocks, index) {
857                     // Report data-race.
858                     return Self::report_data_race(
859                         global,
860                         range,
861                         "Read",
862                         false,
863                         Pointer::new(alloc_id, offset),
864                     );
865                 }
866             }
867             Ok(())
868         } else {
869             Ok(())
870         }
871     }
872
873     // Shared code for detecting data-races on unique access to a section of memory
874     fn unique_access<'tcx>(
875         &mut self,
876         alloc_id: AllocId,
877         range: AllocRange,
878         write_type: WriteType,
879         global: &mut GlobalState,
880     ) -> InterpResult<'tcx> {
881         if global.multi_threaded.get() {
882             let (index, clocks) = global.current_thread_state();
883             for (offset, range) in self.alloc_ranges.get_mut().iter_mut(range.start, range.size) {
884                 if let Err(DataRace) = range.write_race_detect(&*clocks, index, write_type) {
885                     // Report data-race
886                     return Self::report_data_race(
887                         global,
888                         range,
889                         write_type.get_descriptor(),
890                         false,
891                         Pointer::new(alloc_id, offset),
892                     );
893                 }
894             }
895             Ok(())
896         } else {
897             Ok(())
898         }
899     }
900
901     /// Detect data-races for an unsynchronized write operation, will not perform
902     /// data-race threads if `multi-threaded` is false, either due to no threads
903     /// being created or if it is temporarily disabled during a racy read or write
904     /// operation
905     pub fn write<'tcx>(
906         &mut self,
907         alloc_id: AllocId,
908         range: AllocRange,
909         global: &mut GlobalState,
910     ) -> InterpResult<'tcx> {
911         self.unique_access(alloc_id, range, WriteType::Write, global)
912     }
913
914     /// Detect data-races for an unsynchronized deallocate operation, will not perform
915     /// data-race threads if `multi-threaded` is false, either due to no threads
916     /// being created or if it is temporarily disabled during a racy read or write
917     /// operation
918     pub fn deallocate<'tcx>(
919         &mut self,
920         alloc_id: AllocId,
921         range: AllocRange,
922         global: &mut GlobalState,
923     ) -> InterpResult<'tcx> {
924         self.unique_access(alloc_id, range, WriteType::Deallocate, global)
925     }
926 }
927
928 impl<'mir, 'tcx: 'mir> EvalContextPrivExt<'mir, 'tcx> for MiriEvalContext<'mir, 'tcx> {}
929 trait EvalContextPrivExt<'mir, 'tcx: 'mir>: MiriEvalContextExt<'mir, 'tcx> {
930     // Temporarily allow data-races to occur, this should only be
931     // used if either one of the appropriate `validate_atomic` functions
932     // will be called to treat a memory access as atomic or if the memory
933     // being accessed should be treated as internal state, that cannot be
934     // accessed by the interpreted program.
935     #[inline]
936     fn allow_data_races_ref<R>(&self, op: impl FnOnce(&MiriEvalContext<'mir, 'tcx>) -> R) -> R {
937         let this = self.eval_context_ref();
938         let old = if let Some(data_race) = &this.machine.data_race {
939             data_race.multi_threaded.replace(false)
940         } else {
941             false
942         };
943         let result = op(this);
944         if let Some(data_race) = &this.machine.data_race {
945             data_race.multi_threaded.set(old);
946         }
947         result
948     }
949
950     /// Same as `allow_data_races_ref`, this temporarily disables any data-race detection and
951     /// so should only be used for atomic operations or internal state that the program cannot
952     /// access.
953     #[inline]
954     fn allow_data_races_mut<R>(
955         &mut self,
956         op: impl FnOnce(&mut MiriEvalContext<'mir, 'tcx>) -> R,
957     ) -> R {
958         let this = self.eval_context_mut();
959         let old = if let Some(data_race) = &this.machine.data_race {
960             data_race.multi_threaded.replace(false)
961         } else {
962             false
963         };
964         let result = op(this);
965         if let Some(data_race) = &this.machine.data_race {
966             data_race.multi_threaded.set(old);
967         }
968         result
969     }
970
971     /// Generic atomic operation implementation
972     fn validate_atomic_op<A: Debug + Copy>(
973         &self,
974         place: &MPlaceTy<'tcx, Tag>,
975         atomic: A,
976         description: &str,
977         mut op: impl FnMut(
978             &mut MemoryCellClocks,
979             &mut ThreadClockSet,
980             VectorIdx,
981             A,
982         ) -> Result<(), DataRace>,
983     ) -> InterpResult<'tcx> {
984         let this = self.eval_context_ref();
985         if let Some(data_race) = &this.machine.data_race {
986             if data_race.multi_threaded.get() {
987                 let size = place.layout.size;
988                 let (alloc_id, base_offset, _tag) = this.ptr_get_alloc_id(place.ptr)?;
989                 // Load and log the atomic operation.
990                 // Note that atomic loads are possible even from read-only allocations, so `get_alloc_extra_mut` is not an option.
991                 let alloc_meta = &this.get_alloc_extra(alloc_id)?.data_race.as_ref().unwrap();
992                 log::trace!(
993                     "Atomic op({}) with ordering {:?} on {:?} (size={})",
994                     description,
995                     &atomic,
996                     place.ptr,
997                     size.bytes()
998                 );
999
1000                 // Perform the atomic operation.
1001                 data_race.maybe_perform_sync_operation(|index, mut clocks| {
1002                     for (offset, range) in
1003                         alloc_meta.alloc_ranges.borrow_mut().iter_mut(base_offset, size)
1004                     {
1005                         if let Err(DataRace) = op(range, &mut *clocks, index, atomic) {
1006                             mem::drop(clocks);
1007                             return VClockAlloc::report_data_race(
1008                                 data_race,
1009                                 range,
1010                                 description,
1011                                 true,
1012                                 Pointer::new(alloc_id, offset),
1013                             )
1014                             .map(|_| true);
1015                         }
1016                     }
1017
1018                     // This conservatively assumes all operations have release semantics
1019                     Ok(true)
1020                 })?;
1021
1022                 // Log changes to atomic memory.
1023                 if log::log_enabled!(log::Level::Trace) {
1024                     for (_offset, range) in alloc_meta.alloc_ranges.borrow().iter(base_offset, size)
1025                     {
1026                         log::trace!(
1027                             "Updated atomic memory({:?}, size={}) to {:#?}",
1028                             place.ptr,
1029                             size.bytes(),
1030                             range.atomic_ops
1031                         );
1032                     }
1033                 }
1034             }
1035         }
1036         Ok(())
1037     }
1038 }
1039
1040 /// Extra metadata associated with a thread.
1041 #[derive(Debug, Clone, Default)]
1042 struct ThreadExtraState {
1043     /// The current vector index in use by the
1044     /// thread currently, this is set to None
1045     /// after the vector index has been re-used
1046     /// and hence the value will never need to be
1047     /// read during data-race reporting.
1048     vector_index: Option<VectorIdx>,
1049
1050     /// The name of the thread, updated for better
1051     /// diagnostics when reporting detected data
1052     /// races.
1053     thread_name: Option<Box<str>>,
1054
1055     /// Thread termination vector clock, this
1056     /// is set on thread termination and is used
1057     /// for joining on threads since the vector_index
1058     /// may be re-used when the join operation occurs.
1059     termination_vector_clock: Option<VClock>,
1060 }
1061
1062 /// Global data-race detection state, contains the currently
1063 /// executing thread as well as the vector-clocks associated
1064 /// with each of the threads.
1065 // FIXME: it is probably better to have one large RefCell, than to have so many small ones.
1066 #[derive(Debug, Clone)]
1067 pub struct GlobalState {
1068     /// Set to true once the first additional
1069     /// thread has launched, due to the dependency
1070     /// between before and after a thread launch.
1071     /// Any data-races must be recorded after this
1072     /// so concurrent execution can ignore recording
1073     /// any data-races.
1074     multi_threaded: Cell<bool>,
1075
1076     /// Mapping of a vector index to a known set of thread
1077     /// clocks, this is not directly mapping from a thread id
1078     /// since it may refer to multiple threads.
1079     vector_clocks: RefCell<IndexVec<VectorIdx, ThreadClockSet>>,
1080
1081     /// Mapping of a given vector index to the current thread
1082     /// that the execution is representing, this may change
1083     /// if a vector index is re-assigned to a new thread.
1084     vector_info: RefCell<IndexVec<VectorIdx, ThreadId>>,
1085
1086     /// The mapping of a given thread to associated thread metadata.
1087     thread_info: RefCell<IndexVec<ThreadId, ThreadExtraState>>,
1088
1089     /// The current vector index being executed.
1090     current_index: Cell<VectorIdx>,
1091
1092     /// Potential vector indices that could be re-used on thread creation
1093     /// values are inserted here on after the thread has terminated and
1094     /// been joined with, and hence may potentially become free
1095     /// for use as the index for a new thread.
1096     /// Elements in this set may still require the vector index to
1097     /// report data-races, and can only be re-used after all
1098     /// active vector-clocks catch up with the threads timestamp.
1099     reuse_candidates: RefCell<FxHashSet<VectorIdx>>,
1100
1101     /// Counts the number of threads that are currently active
1102     /// if the number of active threads reduces to 1 and then
1103     /// a join operation occurs with the remaining main thread
1104     /// then multi-threaded execution may be disabled.
1105     active_thread_count: Cell<usize>,
1106
1107     /// This contains threads that have terminated, but not yet joined
1108     /// and so cannot become re-use candidates until a join operation
1109     /// occurs.
1110     /// The associated vector index will be moved into re-use candidates
1111     /// after the join operation occurs.
1112     terminated_threads: RefCell<FxHashMap<ThreadId, VectorIdx>>,
1113 }
1114
1115 impl GlobalState {
1116     /// Create a new global state, setup with just thread-id=0
1117     /// advanced to timestamp = 1.
1118     pub fn new() -> Self {
1119         let mut global_state = GlobalState {
1120             multi_threaded: Cell::new(false),
1121             vector_clocks: RefCell::new(IndexVec::new()),
1122             vector_info: RefCell::new(IndexVec::new()),
1123             thread_info: RefCell::new(IndexVec::new()),
1124             current_index: Cell::new(VectorIdx::new(0)),
1125             active_thread_count: Cell::new(1),
1126             reuse_candidates: RefCell::new(FxHashSet::default()),
1127             terminated_threads: RefCell::new(FxHashMap::default()),
1128         };
1129
1130         // Setup the main-thread since it is not explicitly created:
1131         // uses vector index and thread-id 0, also the rust runtime gives
1132         // the main-thread a name of "main".
1133         let index = global_state.vector_clocks.get_mut().push(ThreadClockSet::default());
1134         global_state.vector_info.get_mut().push(ThreadId::new(0));
1135         global_state.thread_info.get_mut().push(ThreadExtraState {
1136             vector_index: Some(index),
1137             thread_name: Some("main".to_string().into_boxed_str()),
1138             termination_vector_clock: None,
1139         });
1140
1141         global_state
1142     }
1143
1144     // Try to find vector index values that can potentially be re-used
1145     // by a new thread instead of a new vector index being created.
1146     fn find_vector_index_reuse_candidate(&self) -> Option<VectorIdx> {
1147         let mut reuse = self.reuse_candidates.borrow_mut();
1148         let vector_clocks = self.vector_clocks.borrow();
1149         let vector_info = self.vector_info.borrow();
1150         let terminated_threads = self.terminated_threads.borrow();
1151         for &candidate in reuse.iter() {
1152             let target_timestamp = vector_clocks[candidate].clock[candidate];
1153             if vector_clocks.iter_enumerated().all(|(clock_idx, clock)| {
1154                 // The thread happens before the clock, and hence cannot report
1155                 // a data-race with this the candidate index.
1156                 let no_data_race = clock.clock[candidate] >= target_timestamp;
1157
1158                 // The vector represents a thread that has terminated and hence cannot
1159                 // report a data-race with the candidate index.
1160                 let thread_id = vector_info[clock_idx];
1161                 let vector_terminated =
1162                     reuse.contains(&clock_idx) || terminated_threads.contains_key(&thread_id);
1163
1164                 // The vector index cannot report a race with the candidate index
1165                 // and hence allows the candidate index to be re-used.
1166                 no_data_race || vector_terminated
1167             }) {
1168                 // All vector clocks for each vector index are equal to
1169                 // the target timestamp, and the thread is known to have
1170                 // terminated, therefore this vector clock index cannot
1171                 // report any more data-races.
1172                 assert!(reuse.remove(&candidate));
1173                 return Some(candidate);
1174             }
1175         }
1176         None
1177     }
1178
1179     // Hook for thread creation, enabled multi-threaded execution and marks
1180     // the current thread timestamp as happening-before the current thread.
1181     #[inline]
1182     pub fn thread_created(&mut self, thread: ThreadId) {
1183         let current_index = self.current_index();
1184
1185         // Increment the number of active threads.
1186         let active_threads = self.active_thread_count.get();
1187         self.active_thread_count.set(active_threads + 1);
1188
1189         // Enable multi-threaded execution, there are now two threads
1190         // so data-races are now possible.
1191         self.multi_threaded.set(true);
1192
1193         // Load and setup the associated thread metadata
1194         let mut thread_info = self.thread_info.borrow_mut();
1195         thread_info.ensure_contains_elem(thread, Default::default);
1196
1197         // Assign a vector index for the thread, attempting to re-use an old
1198         // vector index that can no longer report any data-races if possible.
1199         let created_index = if let Some(reuse_index) = self.find_vector_index_reuse_candidate() {
1200             // Now re-configure the re-use candidate, increment the clock
1201             // for the new sync use of the vector.
1202             let vector_clocks = self.vector_clocks.get_mut();
1203             vector_clocks[reuse_index].increment_clock(reuse_index);
1204
1205             // Locate the old thread the vector was associated with and update
1206             // it to represent the new thread instead.
1207             let vector_info = self.vector_info.get_mut();
1208             let old_thread = vector_info[reuse_index];
1209             vector_info[reuse_index] = thread;
1210
1211             // Mark the thread the vector index was associated with as no longer
1212             // representing a thread index.
1213             thread_info[old_thread].vector_index = None;
1214
1215             reuse_index
1216         } else {
1217             // No vector re-use candidates available, instead create
1218             // a new vector index.
1219             let vector_info = self.vector_info.get_mut();
1220             vector_info.push(thread)
1221         };
1222
1223         log::trace!("Creating thread = {:?} with vector index = {:?}", thread, created_index);
1224
1225         // Mark the chosen vector index as in use by the thread.
1226         thread_info[thread].vector_index = Some(created_index);
1227
1228         // Create a thread clock set if applicable.
1229         let vector_clocks = self.vector_clocks.get_mut();
1230         if created_index == vector_clocks.next_index() {
1231             vector_clocks.push(ThreadClockSet::default());
1232         }
1233
1234         // Now load the two clocks and configure the initial state.
1235         let (current, created) = vector_clocks.pick2_mut(current_index, created_index);
1236
1237         // Join the created with current, since the current threads
1238         // previous actions happen-before the created thread.
1239         created.join_with(current);
1240
1241         // Advance both threads after the synchronized operation.
1242         // Both operations are considered to have release semantics.
1243         current.increment_clock(current_index);
1244         created.increment_clock(created_index);
1245     }
1246
1247     /// Hook on a thread join to update the implicit happens-before relation
1248     /// between the joined thread and the current thread.
1249     #[inline]
1250     pub fn thread_joined(&mut self, current_thread: ThreadId, join_thread: ThreadId) {
1251         let clocks_vec = self.vector_clocks.get_mut();
1252         let thread_info = self.thread_info.get_mut();
1253
1254         // Load the vector clock of the current thread.
1255         let current_index = thread_info[current_thread]
1256             .vector_index
1257             .expect("Performed thread join on thread with no assigned vector");
1258         let current = &mut clocks_vec[current_index];
1259
1260         // Load the associated vector clock for the terminated thread.
1261         let join_clock = thread_info[join_thread]
1262             .termination_vector_clock
1263             .as_ref()
1264             .expect("Joined with thread but thread has not terminated");
1265
1266         // The join thread happens-before the current thread
1267         // so update the current vector clock.
1268         // Is not a release operation so the clock is not incremented.
1269         current.clock.join(join_clock);
1270
1271         // Check the number of active threads, if the value is 1
1272         // then test for potentially disabling multi-threaded execution.
1273         let active_threads = self.active_thread_count.get();
1274         if active_threads == 1 {
1275             // May potentially be able to disable multi-threaded execution.
1276             let current_clock = &clocks_vec[current_index];
1277             if clocks_vec
1278                 .iter_enumerated()
1279                 .all(|(idx, clocks)| clocks.clock[idx] <= current_clock.clock[idx])
1280             {
1281                 // All thread terminations happen-before the current clock
1282                 // therefore no data-races can be reported until a new thread
1283                 // is created, so disable multi-threaded execution.
1284                 self.multi_threaded.set(false);
1285             }
1286         }
1287
1288         // If the thread is marked as terminated but not joined
1289         // then move the thread to the re-use set.
1290         let termination = self.terminated_threads.get_mut();
1291         if let Some(index) = termination.remove(&join_thread) {
1292             let reuse = self.reuse_candidates.get_mut();
1293             reuse.insert(index);
1294         }
1295     }
1296
1297     /// On thread termination, the vector-clock may re-used
1298     /// in the future once all remaining thread-clocks catch
1299     /// up with the time index of the terminated thread.
1300     /// This assigns thread termination with a unique index
1301     /// which will be used to join the thread
1302     /// This should be called strictly before any calls to
1303     /// `thread_joined`.
1304     #[inline]
1305     pub fn thread_terminated(&mut self) {
1306         let current_index = self.current_index();
1307
1308         // Increment the clock to a unique termination timestamp.
1309         let vector_clocks = self.vector_clocks.get_mut();
1310         let current_clocks = &mut vector_clocks[current_index];
1311         current_clocks.increment_clock(current_index);
1312
1313         // Load the current thread id for the executing vector.
1314         let vector_info = self.vector_info.get_mut();
1315         let current_thread = vector_info[current_index];
1316
1317         // Load the current thread metadata, and move to a terminated
1318         // vector state. Setting up the vector clock all join operations
1319         // will use.
1320         let thread_info = self.thread_info.get_mut();
1321         let current = &mut thread_info[current_thread];
1322         current.termination_vector_clock = Some(current_clocks.clock.clone());
1323
1324         // Add this thread as a candidate for re-use after a thread join
1325         // occurs.
1326         let termination = self.terminated_threads.get_mut();
1327         termination.insert(current_thread, current_index);
1328
1329         // Reduce the number of active threads, now that a thread has
1330         // terminated.
1331         let mut active_threads = self.active_thread_count.get();
1332         active_threads -= 1;
1333         self.active_thread_count.set(active_threads);
1334     }
1335
1336     /// Hook for updating the local tracker of the currently
1337     /// enabled thread, should always be updated whenever
1338     /// `active_thread` in thread.rs is updated.
1339     #[inline]
1340     pub fn thread_set_active(&self, thread: ThreadId) {
1341         let thread_info = self.thread_info.borrow();
1342         let vector_idx = thread_info[thread]
1343             .vector_index
1344             .expect("Setting thread active with no assigned vector");
1345         self.current_index.set(vector_idx);
1346     }
1347
1348     /// Hook for updating the local tracker of the threads name
1349     /// this should always mirror the local value in thread.rs
1350     /// the thread name is used for improved diagnostics
1351     /// during a data-race.
1352     #[inline]
1353     pub fn thread_set_name(&mut self, thread: ThreadId, name: String) {
1354         let name = name.into_boxed_str();
1355         let thread_info = self.thread_info.get_mut();
1356         thread_info[thread].thread_name = Some(name);
1357     }
1358
1359     /// Attempt to perform a synchronized operation, this
1360     /// will perform no operation if multi-threading is
1361     /// not currently enabled.
1362     /// Otherwise it will increment the clock for the current
1363     /// vector before and after the operation for data-race
1364     /// detection between any happens-before edges the
1365     /// operation may create.
1366     fn maybe_perform_sync_operation<'tcx>(
1367         &self,
1368         op: impl FnOnce(VectorIdx, RefMut<'_, ThreadClockSet>) -> InterpResult<'tcx, bool>,
1369     ) -> InterpResult<'tcx> {
1370         if self.multi_threaded.get() {
1371             let (index, clocks) = self.current_thread_state_mut();
1372             if op(index, clocks)? {
1373                 let (_, mut clocks) = self.current_thread_state_mut();
1374                 clocks.increment_clock(index);
1375             }
1376         }
1377         Ok(())
1378     }
1379
1380     /// Internal utility to identify a thread stored internally
1381     /// returns the id and the name for better diagnostics.
1382     fn print_thread_metadata(&self, vector: VectorIdx) -> String {
1383         let thread = self.vector_info.borrow()[vector];
1384         let thread_name = &self.thread_info.borrow()[thread].thread_name;
1385         if let Some(name) = thread_name {
1386             let name: &str = name;
1387             format!("Thread(id = {:?}, name = {:?})", thread.to_u32(), &*name)
1388         } else {
1389             format!("Thread(id = {:?})", thread.to_u32())
1390         }
1391     }
1392
1393     /// Acquire a lock, express that the previous call of
1394     /// `validate_lock_release` must happen before this.
1395     /// As this is an acquire operation, the thread timestamp is not
1396     /// incremented.
1397     pub fn validate_lock_acquire(&self, lock: &VClock, thread: ThreadId) {
1398         let (_, mut clocks) = self.load_thread_state_mut(thread);
1399         clocks.clock.join(lock);
1400     }
1401
1402     /// Release a lock handle, express that this happens-before
1403     /// any subsequent calls to `validate_lock_acquire`.
1404     /// For normal locks this should be equivalent to `validate_lock_release_shared`
1405     /// since an acquire operation should have occurred before, however
1406     /// for futex & condvar operations this is not the case and this
1407     /// operation must be used.
1408     pub fn validate_lock_release(&self, lock: &mut VClock, thread: ThreadId) {
1409         let (index, mut clocks) = self.load_thread_state_mut(thread);
1410         lock.clone_from(&clocks.clock);
1411         clocks.increment_clock(index);
1412     }
1413
1414     /// Release a lock handle, express that this happens-before
1415     /// any subsequent calls to `validate_lock_acquire` as well
1416     /// as any previous calls to this function after any
1417     /// `validate_lock_release` calls.
1418     /// For normal locks this should be equivalent to `validate_lock_release`.
1419     /// This function only exists for joining over the set of concurrent readers
1420     /// in a read-write lock and should not be used for anything else.
1421     pub fn validate_lock_release_shared(&self, lock: &mut VClock, thread: ThreadId) {
1422         let (index, mut clocks) = self.load_thread_state_mut(thread);
1423         lock.join(&clocks.clock);
1424         clocks.increment_clock(index);
1425     }
1426
1427     /// Load the vector index used by the given thread as well as the set of vector clocks
1428     /// used by the thread.
1429     #[inline]
1430     fn load_thread_state_mut(&self, thread: ThreadId) -> (VectorIdx, RefMut<'_, ThreadClockSet>) {
1431         let index = self.thread_info.borrow()[thread]
1432             .vector_index
1433             .expect("Loading thread state for thread with no assigned vector");
1434         let ref_vector = self.vector_clocks.borrow_mut();
1435         let clocks = RefMut::map(ref_vector, |vec| &mut vec[index]);
1436         (index, clocks)
1437     }
1438
1439     /// Load the current vector clock in use and the current set of thread clocks
1440     /// in use for the vector.
1441     #[inline]
1442     fn current_thread_state(&self) -> (VectorIdx, Ref<'_, ThreadClockSet>) {
1443         let index = self.current_index();
1444         let ref_vector = self.vector_clocks.borrow();
1445         let clocks = Ref::map(ref_vector, |vec| &vec[index]);
1446         (index, clocks)
1447     }
1448
1449     /// Load the current vector clock in use and the current set of thread clocks
1450     /// in use for the vector mutably for modification.
1451     #[inline]
1452     fn current_thread_state_mut(&self) -> (VectorIdx, RefMut<'_, ThreadClockSet>) {
1453         let index = self.current_index();
1454         let ref_vector = self.vector_clocks.borrow_mut();
1455         let clocks = RefMut::map(ref_vector, |vec| &mut vec[index]);
1456         (index, clocks)
1457     }
1458
1459     /// Return the current thread, should be the same
1460     /// as the data-race active thread.
1461     #[inline]
1462     fn current_index(&self) -> VectorIdx {
1463         self.current_index.get()
1464     }
1465 }