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