]> git.lizzy.rs Git - rust.git/blob - src/liballoc/raw_vec.rs
Merge raw_vec into_box with previous impl<T, Global>
[rust.git] / src / liballoc / raw_vec.rs
1 #![unstable(feature = "raw_vec_internals", reason = "implementation detail", issue = "none")]
2 #![doc(hidden)]
3
4 use core::alloc::{LayoutErr, MemoryBlock};
5 use core::cmp;
6 use core::mem::{self, ManuallyDrop, MaybeUninit};
7 use core::ops::Drop;
8 use core::ptr::{NonNull, Unique};
9 use core::slice;
10
11 use crate::alloc::{
12     handle_alloc_error, AllocErr,
13     AllocInit::{self, *},
14     AllocRef, Global, Layout,
15     ReallocPlacement::{self, *},
16 };
17 use crate::boxed::Box;
18 use crate::collections::TryReserveError::{self, *};
19
20 #[cfg(test)]
21 mod tests;
22
23 /// A low-level utility for more ergonomically allocating, reallocating, and deallocating
24 /// a buffer of memory on the heap without having to worry about all the corner cases
25 /// involved. This type is excellent for building your own data structures like Vec and VecDeque.
26 /// In particular:
27 ///
28 /// * Produces `Unique::dangling()` on zero-sized types.
29 /// * Produces `Unique::dangling()` on zero-length allocations.
30 /// * Avoids freeing `Unique::dangling()`.
31 /// * Catches all overflows in capacity computations (promotes them to "capacity overflow" panics).
32 /// * Guards against 32-bit systems allocating more than isize::MAX bytes.
33 /// * Guards against overflowing your length.
34 /// * Calls `handle_alloc_error` for fallible allocations.
35 /// * Contains a `ptr::Unique` and thus endows the user with all related benefits.
36 /// * Uses the excess returned from the allocator to use the largest available capacity.
37 ///
38 /// This type does not in anyway inspect the memory that it manages. When dropped it *will*
39 /// free its memory, but it *won't* try to drop its contents. It is up to the user of `RawVec`
40 /// to handle the actual things *stored* inside of a `RawVec`.
41 ///
42 /// Note that the excess of a zero-sized types is always infinite, so `capacity()` always returns
43 /// `usize::MAX`. This means that you need to be careful when round-tripping this type with a
44 /// `Box<[T]>`, since `capacity()` won't yield the length.
45 #[allow(missing_debug_implementations)]
46 pub struct RawVec<T, A: AllocRef = Global> {
47     ptr: Unique<T>,
48     cap: usize,
49     alloc: A,
50 }
51
52 impl<T> RawVec<T, Global> {
53     /// HACK(Centril): This exists because `#[unstable]` `const fn`s needn't conform
54     /// to `min_const_fn` and so they cannot be called in `min_const_fn`s either.
55     ///
56     /// If you change `RawVec<T>::new` or dependencies, please take care to not
57     /// introduce anything that would truly violate `min_const_fn`.
58     ///
59     /// NOTE: We could avoid this hack and check conformance with some
60     /// `#[rustc_force_min_const_fn]` attribute which requires conformance
61     /// with `min_const_fn` but does not necessarily allow calling it in
62     /// `stable(...) const fn` / user code not enabling `foo` when
63     /// `#[rustc_const_unstable(feature = "foo", ..)]` is present.
64     pub const NEW: Self = Self::new();
65
66     /// Creates the biggest possible `RawVec` (on the system heap)
67     /// without allocating. If `T` has positive size, then this makes a
68     /// `RawVec` with capacity `0`. If `T` is zero-sized, then it makes a
69     /// `RawVec` with capacity `usize::MAX`. Useful for implementing
70     /// delayed allocation.
71     pub const fn new() -> Self {
72         Self::new_in(Global)
73     }
74
75     /// Creates a `RawVec` (on the system heap) with exactly the
76     /// capacity and alignment requirements for a `[T; capacity]`. This is
77     /// equivalent to calling `RawVec::new` when `capacity` is `0` or `T` is
78     /// zero-sized. Note that if `T` is zero-sized this means you will
79     /// *not* get a `RawVec` with the requested capacity.
80     ///
81     /// # Panics
82     ///
83     /// * Panics if the requested capacity exceeds `usize::MAX` bytes.
84     /// * Panics on 32-bit platforms if the requested capacity exceeds
85     ///   `isize::MAX` bytes.
86     ///
87     /// # Aborts
88     ///
89     /// Aborts on OOM.
90     #[inline]
91     pub fn with_capacity(capacity: usize) -> Self {
92         Self::with_capacity_in(capacity, Global)
93     }
94
95     /// Like `with_capacity`, but guarantees the buffer is zeroed.
96     #[inline]
97     pub fn with_capacity_zeroed(capacity: usize) -> Self {
98         Self::with_capacity_zeroed_in(capacity, Global)
99     }
100
101     /// Reconstitutes a `RawVec` from a pointer and capacity.
102     ///
103     /// # Safety
104     ///
105     /// The `ptr` must be allocated (on the system heap), and with the given `capacity`.
106     /// The `capacity` cannot exceed `isize::MAX` for sized types. (only a concern on 32-bit
107     /// systems). ZST vectors may have a capacity up to `usize::MAX`.
108     /// If the `ptr` and `capacity` come from a `RawVec`, then this is guaranteed.
109     #[inline]
110     pub unsafe fn from_raw_parts(ptr: *mut T, capacity: usize) -> Self {
111         Self::from_raw_parts_in(ptr, capacity, Global)
112     }
113
114     /// Converts a `Box<[T]>` into a `RawVec<T>`.
115     pub fn from_box(slice: Box<[T]>) -> Self {
116         unsafe {
117             let mut slice = ManuallyDrop::new(slice);
118             RawVec::from_raw_parts(slice.as_mut_ptr(), slice.len())
119         }
120     }
121
122     /// Converts the entire buffer into `Box<[MaybeUninit<T>]>` with the specified `len`.
123     ///
124     /// Note that this will correctly reconstitute any `cap` changes
125     /// that may have been performed. (See description of type for details.)
126     ///
127     /// # Safety
128     ///
129     /// * `len` must be greater than or equal to the most recently requested capacity, and
130     /// * `len` must be less than or equal to `self.capacity()`.
131     ///
132     /// Note, that the requested capacity and `self.capacity()` could differ, as
133     /// an allocator could overallocate and return a greater memory block than requested.
134     pub unsafe fn into_box(self, len: usize) -> Box<[MaybeUninit<T>]> {
135         // Sanity-check one half of the safety requirement (we cannot check the other half).
136         debug_assert!(
137             len <= self.capacity(),
138             "`len` must be smaller than or equal to `self.capacity()`"
139         );
140
141         let me = ManuallyDrop::new(self);
142         let slice = slice::from_raw_parts_mut(me.ptr() as *mut MaybeUninit<T>, len);
143         Box::from_raw(slice)
144     }
145 }
146
147 impl<T, A: AllocRef> RawVec<T, A> {
148     /// Like `new`, but parameterized over the choice of allocator for
149     /// the returned `RawVec`.
150     pub const fn new_in(alloc: A) -> Self {
151         // `cap: 0` means "unallocated". zero-sized types are ignored.
152         Self { ptr: Unique::dangling(), cap: 0, alloc }
153     }
154
155     /// Like `with_capacity`, but parameterized over the choice of
156     /// allocator for the returned `RawVec`.
157     #[inline]
158     pub fn with_capacity_in(capacity: usize, alloc: A) -> Self {
159         Self::allocate_in(capacity, Uninitialized, alloc)
160     }
161
162     /// Like `with_capacity_zeroed`, but parameterized over the choice
163     /// of allocator for the returned `RawVec`.
164     #[inline]
165     pub fn with_capacity_zeroed_in(capacity: usize, alloc: A) -> Self {
166         Self::allocate_in(capacity, Zeroed, alloc)
167     }
168
169     fn allocate_in(capacity: usize, init: AllocInit, mut alloc: A) -> Self {
170         if mem::size_of::<T>() == 0 {
171             Self::new_in(alloc)
172         } else {
173             let layout = Layout::array::<T>(capacity).unwrap_or_else(|_| capacity_overflow());
174             alloc_guard(layout.size()).unwrap_or_else(|_| capacity_overflow());
175
176             let memory = alloc.alloc(layout, init).unwrap_or_else(|_| handle_alloc_error(layout));
177             Self {
178                 ptr: unsafe { Unique::new_unchecked(memory.ptr.cast().as_ptr()) },
179                 cap: Self::capacity_from_bytes(memory.size),
180                 alloc,
181             }
182         }
183     }
184
185     /// Reconstitutes a `RawVec` from a pointer, capacity, and allocator.
186     ///
187     /// # Safety
188     ///
189     /// The `ptr` must be allocated (via the given allocator `a`), and with the given `capacity`.
190     /// The `capacity` cannot exceed `isize::MAX` for sized types. (only a concern on 32-bit
191     /// systems). ZST vectors may have a capacity up to `usize::MAX`.
192     /// If the `ptr` and `capacity` come from a `RawVec` created via `a`, then this is guaranteed.
193     #[inline]
194     pub unsafe fn from_raw_parts_in(ptr: *mut T, capacity: usize, a: A) -> Self {
195         Self { ptr: Unique::new_unchecked(ptr), cap: capacity, alloc: a }
196     }
197
198     /// Gets a raw pointer to the start of the allocation. Note that this is
199     /// `Unique::dangling()` if `capacity == 0` or `T` is zero-sized. In the former case, you must
200     /// be careful.
201     pub fn ptr(&self) -> *mut T {
202         self.ptr.as_ptr()
203     }
204
205     /// Gets the capacity of the allocation.
206     ///
207     /// This will always be `usize::MAX` if `T` is zero-sized.
208     #[inline(always)]
209     pub fn capacity(&self) -> usize {
210         if mem::size_of::<T>() == 0 { usize::MAX } else { self.cap }
211     }
212
213     /// Returns a shared reference to the allocator backing this `RawVec`.
214     pub fn alloc(&self) -> &A {
215         &self.alloc
216     }
217
218     /// Returns a mutable reference to the allocator backing this `RawVec`.
219     pub fn alloc_mut(&mut self) -> &mut A {
220         &mut self.alloc
221     }
222
223     fn current_memory(&self) -> Option<(NonNull<u8>, Layout)> {
224         if mem::size_of::<T>() == 0 || self.cap == 0 {
225             None
226         } else {
227             // We have an allocated chunk of memory, so we can bypass runtime
228             // checks to get our current layout.
229             unsafe {
230                 let align = mem::align_of::<T>();
231                 let size = mem::size_of::<T>() * self.cap;
232                 let layout = Layout::from_size_align_unchecked(size, align);
233                 Some((self.ptr.cast().into(), layout))
234             }
235         }
236     }
237
238     /// Ensures that the buffer contains at least enough space to hold
239     /// `used_capacity + needed_extra_capacity` elements. If it doesn't already have
240     /// enough capacity, will reallocate enough space plus comfortable slack
241     /// space to get amortized `O(1)` behavior. Will limit this behavior
242     /// if it would needlessly cause itself to panic.
243     ///
244     /// If `used_capacity` exceeds `self.capacity()`, this may fail to actually allocate
245     /// the requested space. This is not really unsafe, but the unsafe
246     /// code *you* write that relies on the behavior of this function may break.
247     ///
248     /// This is ideal for implementing a bulk-push operation like `extend`.
249     ///
250     /// # Panics
251     ///
252     /// * Panics if the requested capacity exceeds `usize::MAX` bytes.
253     /// * Panics on 32-bit platforms if the requested capacity exceeds
254     ///   `isize::MAX` bytes.
255     ///
256     /// # Aborts
257     ///
258     /// Aborts on OOM.
259     ///
260     /// # Examples
261     ///
262     /// ```
263     /// # #![feature(raw_vec_internals)]
264     /// # extern crate alloc;
265     /// # use std::ptr;
266     /// # use alloc::raw_vec::RawVec;
267     /// struct MyVec<T> {
268     ///     buf: RawVec<T>,
269     ///     len: usize,
270     /// }
271     ///
272     /// impl<T: Clone> MyVec<T> {
273     ///     pub fn push_all(&mut self, elems: &[T]) {
274     ///         self.buf.reserve(self.len, elems.len());
275     ///         // reserve would have aborted or panicked if the len exceeded
276     ///         // `isize::MAX` so this is safe to do unchecked now.
277     ///         for x in elems {
278     ///             unsafe {
279     ///                 ptr::write(self.buf.ptr().add(self.len), x.clone());
280     ///             }
281     ///             self.len += 1;
282     ///         }
283     ///     }
284     /// }
285     /// # fn main() {
286     /// #   let mut vector = MyVec { buf: RawVec::new(), len: 0 };
287     /// #   vector.push_all(&[1, 3, 5, 7, 9]);
288     /// # }
289     /// ```
290     pub fn reserve(&mut self, used_capacity: usize, needed_extra_capacity: usize) {
291         match self.try_reserve(used_capacity, needed_extra_capacity) {
292             Err(CapacityOverflow) => capacity_overflow(),
293             Err(AllocError { layout, .. }) => handle_alloc_error(layout),
294             Ok(()) => { /* yay */ }
295         }
296     }
297
298     /// The same as `reserve`, but returns on errors instead of panicking or aborting.
299     pub fn try_reserve(
300         &mut self,
301         used_capacity: usize,
302         needed_extra_capacity: usize,
303     ) -> Result<(), TryReserveError> {
304         if self.needs_to_grow(used_capacity, needed_extra_capacity) {
305             self.grow_amortized(used_capacity, needed_extra_capacity, MayMove)
306         } else {
307             Ok(())
308         }
309     }
310
311     /// Attempts to ensure that the buffer contains at least enough space to hold
312     /// `used_capacity + needed_extra_capacity` elements. If it doesn't already have
313     /// enough capacity, will reallocate in place enough space plus comfortable slack
314     /// space to get amortized `O(1)` behavior. Will limit this behaviour
315     /// if it would needlessly cause itself to panic.
316     ///
317     /// If `used_capacity` exceeds `self.capacity()`, this may fail to actually allocate
318     /// the requested space. This is not really unsafe, but the unsafe
319     /// code *you* write that relies on the behavior of this function may break.
320     ///
321     /// Returns `true` if the reallocation attempt has succeeded.
322     ///
323     /// # Panics
324     ///
325     /// * Panics if the requested capacity exceeds `usize::MAX` bytes.
326     /// * Panics on 32-bit platforms if the requested capacity exceeds
327     ///   `isize::MAX` bytes.
328     pub fn reserve_in_place(&mut self, used_capacity: usize, needed_extra_capacity: usize) -> bool {
329         // This is more readable than putting this in one line:
330         // `!self.needs_to_grow(...) || self.grow(...).is_ok()`
331         if self.needs_to_grow(used_capacity, needed_extra_capacity) {
332             self.grow_amortized(used_capacity, needed_extra_capacity, InPlace).is_ok()
333         } else {
334             true
335         }
336     }
337
338     /// Ensures that the buffer contains at least enough space to hold
339     /// `used_capacity + needed_extra_capacity` elements. If it doesn't already,
340     /// will reallocate the minimum possible amount of memory necessary.
341     /// Generally this will be exactly the amount of memory necessary,
342     /// but in principle the allocator is free to give back more than what
343     /// we asked for.
344     ///
345     /// If `used_capacity` exceeds `self.capacity()`, this may fail to actually allocate
346     /// the requested space. This is not really unsafe, but the unsafe
347     /// code *you* write that relies on the behavior of this function may break.
348     ///
349     /// # Panics
350     ///
351     /// * Panics if the requested capacity exceeds `usize::MAX` bytes.
352     /// * Panics on 32-bit platforms if the requested capacity exceeds
353     ///   `isize::MAX` bytes.
354     ///
355     /// # Aborts
356     ///
357     /// Aborts on OOM.
358     pub fn reserve_exact(&mut self, used_capacity: usize, needed_extra_capacity: usize) {
359         match self.try_reserve_exact(used_capacity, needed_extra_capacity) {
360             Err(CapacityOverflow) => capacity_overflow(),
361             Err(AllocError { layout, .. }) => handle_alloc_error(layout),
362             Ok(()) => { /* yay */ }
363         }
364     }
365
366     /// The same as `reserve_exact`, but returns on errors instead of panicking or aborting.
367     pub fn try_reserve_exact(
368         &mut self,
369         used_capacity: usize,
370         needed_extra_capacity: usize,
371     ) -> Result<(), TryReserveError> {
372         if self.needs_to_grow(used_capacity, needed_extra_capacity) {
373             self.grow_exact(used_capacity, needed_extra_capacity)
374         } else {
375             Ok(())
376         }
377     }
378
379     /// Shrinks the allocation down to the specified amount. If the given amount
380     /// is 0, actually completely deallocates.
381     ///
382     /// # Panics
383     ///
384     /// Panics if the given amount is *larger* than the current capacity.
385     ///
386     /// # Aborts
387     ///
388     /// Aborts on OOM.
389     pub fn shrink_to_fit(&mut self, amount: usize) {
390         match self.shrink(amount, MayMove) {
391             Err(CapacityOverflow) => capacity_overflow(),
392             Err(AllocError { layout, .. }) => handle_alloc_error(layout),
393             Ok(()) => { /* yay */ }
394         }
395     }
396 }
397
398 impl<T, A: AllocRef> RawVec<T, A> {
399     /// Returns if the buffer needs to grow to fulfill the needed extra capacity.
400     /// Mainly used to make inlining reserve-calls possible without inlining `grow`.
401     fn needs_to_grow(&self, used_capacity: usize, needed_extra_capacity: usize) -> bool {
402         needed_extra_capacity > self.capacity().wrapping_sub(used_capacity)
403     }
404
405     fn capacity_from_bytes(excess: usize) -> usize {
406         debug_assert_ne!(mem::size_of::<T>(), 0);
407         excess / mem::size_of::<T>()
408     }
409
410     fn set_memory(&mut self, memory: MemoryBlock) {
411         self.ptr = unsafe { Unique::new_unchecked(memory.ptr.cast().as_ptr()) };
412         self.cap = Self::capacity_from_bytes(memory.size);
413     }
414
415     // This method is usually instantiated many times. So we want it to be as
416     // small as possible, to improve compile times. But we also want as much of
417     // its contents to be statically computable as possible, to make the
418     // generated code run faster. Therefore, this method is carefully written
419     // so that all of the code that depends on `T` is within it, while as much
420     // of the code that doesn't depend on `T` as possible is in functions that
421     // are non-generic over `T`.
422     fn grow_amortized(
423         &mut self,
424         used_capacity: usize,
425         needed_extra_capacity: usize,
426         placement: ReallocPlacement,
427     ) -> Result<(), TryReserveError> {
428         // This is ensured by the calling contexts.
429         debug_assert!(needed_extra_capacity > 0);
430
431         if mem::size_of::<T>() == 0 {
432             // Since we return a capacity of `usize::MAX` when `elem_size` is
433             // 0, getting to here necessarily means the `RawVec` is overfull.
434             return Err(CapacityOverflow);
435         }
436
437         // Nothing we can really do about these checks, sadly.
438         let required_cap =
439             used_capacity.checked_add(needed_extra_capacity).ok_or(CapacityOverflow)?;
440
441         // This guarantees exponential growth. The doubling cannot overflow
442         // because `cap <= isize::MAX` and the type of `cap` is `usize`.
443         let cap = cmp::max(self.cap * 2, required_cap);
444
445         // Tiny Vecs are dumb. Skip to:
446         // - 8 if the element size is 1, because any heap allocators is likely
447         //   to round up a request of less than 8 bytes to at least 8 bytes.
448         // - 4 if elements are moderate-sized (<= 1 KiB).
449         // - 1 otherwise, to avoid wasting too much space for very short Vecs.
450         // Note that `min_non_zero_cap` is computed statically.
451         let elem_size = mem::size_of::<T>();
452         let min_non_zero_cap = if elem_size == 1 {
453             8
454         } else if elem_size <= 1024 {
455             4
456         } else {
457             1
458         };
459         let cap = cmp::max(min_non_zero_cap, cap);
460
461         let new_layout = Layout::array::<T>(cap);
462
463         // `finish_grow` is non-generic over `T`.
464         let memory = finish_grow(new_layout, placement, self.current_memory(), &mut self.alloc)?;
465         self.set_memory(memory);
466         Ok(())
467     }
468
469     // The constraints on this method are much the same as those on
470     // `grow_amortized`, but this method is usually instantiated less often so
471     // it's less critical.
472     fn grow_exact(
473         &mut self,
474         used_capacity: usize,
475         needed_extra_capacity: usize,
476     ) -> Result<(), TryReserveError> {
477         if mem::size_of::<T>() == 0 {
478             // Since we return a capacity of `usize::MAX` when the type size is
479             // 0, getting to here necessarily means the `RawVec` is overfull.
480             return Err(CapacityOverflow);
481         }
482
483         let cap = used_capacity.checked_add(needed_extra_capacity).ok_or(CapacityOverflow)?;
484         let new_layout = Layout::array::<T>(cap);
485
486         // `finish_grow` is non-generic over `T`.
487         let memory = finish_grow(new_layout, MayMove, self.current_memory(), &mut self.alloc)?;
488         self.set_memory(memory);
489         Ok(())
490     }
491
492     fn shrink(
493         &mut self,
494         amount: usize,
495         placement: ReallocPlacement,
496     ) -> Result<(), TryReserveError> {
497         assert!(amount <= self.capacity(), "Tried to shrink to a larger capacity");
498
499         let (ptr, layout) = if let Some(mem) = self.current_memory() { mem } else { return Ok(()) };
500         let new_size = amount * mem::size_of::<T>();
501
502         let memory = unsafe {
503             self.alloc.shrink(ptr, layout, new_size, placement).map_err(|_| {
504                 TryReserveError::AllocError {
505                     layout: Layout::from_size_align_unchecked(new_size, layout.align()),
506                     non_exhaustive: (),
507                 }
508             })?
509         };
510         self.set_memory(memory);
511         Ok(())
512     }
513 }
514
515 // This function is outside `RawVec` to minimize compile times. See the comment
516 // above `RawVec::grow_amortized` for details. (The `A` parameter isn't
517 // significant, because the number of different `A` types seen in practice is
518 // much smaller than the number of `T` types.)
519 fn finish_grow<A>(
520     new_layout: Result<Layout, LayoutErr>,
521     placement: ReallocPlacement,
522     current_memory: Option<(NonNull<u8>, Layout)>,
523     alloc: &mut A,
524 ) -> Result<MemoryBlock, TryReserveError>
525 where
526     A: AllocRef,
527 {
528     // Check for the error here to minimize the size of `RawVec::grow_*`.
529     let new_layout = new_layout.map_err(|_| CapacityOverflow)?;
530
531     alloc_guard(new_layout.size())?;
532
533     let memory = if let Some((ptr, old_layout)) = current_memory {
534         debug_assert_eq!(old_layout.align(), new_layout.align());
535         unsafe { alloc.grow(ptr, old_layout, new_layout.size(), placement, Uninitialized) }
536     } else {
537         match placement {
538             MayMove => alloc.alloc(new_layout, Uninitialized),
539             InPlace => Err(AllocErr),
540         }
541     }
542     .map_err(|_| AllocError { layout: new_layout, non_exhaustive: () })?;
543
544     Ok(memory)
545 }
546
547 unsafe impl<#[may_dangle] T, A: AllocRef> Drop for RawVec<T, A> {
548     /// Frees the memory owned by the `RawVec` *without* trying to drop its contents.
549     fn drop(&mut self) {
550         if let Some((ptr, layout)) = self.current_memory() {
551             unsafe { self.alloc.dealloc(ptr, layout) }
552         }
553     }
554 }
555
556 // We need to guarantee the following:
557 // * We don't ever allocate `> isize::MAX` byte-size objects.
558 // * We don't overflow `usize::MAX` and actually allocate too little.
559 //
560 // On 64-bit we just need to check for overflow since trying to allocate
561 // `> isize::MAX` bytes will surely fail. On 32-bit and 16-bit we need to add
562 // an extra guard for this in case we're running on a platform which can use
563 // all 4GB in user-space, e.g., PAE or x32.
564
565 #[inline]
566 fn alloc_guard(alloc_size: usize) -> Result<(), TryReserveError> {
567     if mem::size_of::<usize>() < 8 && alloc_size > isize::MAX as usize {
568         Err(CapacityOverflow)
569     } else {
570         Ok(())
571     }
572 }
573
574 // One central function responsible for reporting capacity overflows. This'll
575 // ensure that the code generation related to these panics is minimal as there's
576 // only one location which panics rather than a bunch throughout the module.
577 fn capacity_overflow() -> ! {
578     panic!("capacity overflow");
579 }