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[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
123 impl<T, A: AllocRef> RawVec<T, A> {
124     /// Like `new`, but parameterized over the choice of allocator for
125     /// the returned `RawVec`.
126     pub const fn new_in(alloc: A) -> Self {
127         // `cap: 0` means "unallocated". zero-sized types are ignored.
128         Self { ptr: Unique::dangling(), cap: 0, alloc }
129     }
130
131     /// Like `with_capacity`, but parameterized over the choice of
132     /// allocator for the returned `RawVec`.
133     #[inline]
134     pub fn with_capacity_in(capacity: usize, alloc: A) -> Self {
135         Self::allocate_in(capacity, Uninitialized, alloc)
136     }
137
138     /// Like `with_capacity_zeroed`, but parameterized over the choice
139     /// of allocator for the returned `RawVec`.
140     #[inline]
141     pub fn with_capacity_zeroed_in(capacity: usize, alloc: A) -> Self {
142         Self::allocate_in(capacity, Zeroed, alloc)
143     }
144
145     fn allocate_in(capacity: usize, init: AllocInit, mut alloc: A) -> Self {
146         if mem::size_of::<T>() == 0 {
147             Self::new_in(alloc)
148         } else {
149             let layout = Layout::array::<T>(capacity).unwrap_or_else(|_| capacity_overflow());
150             alloc_guard(layout.size()).unwrap_or_else(|_| capacity_overflow());
151
152             let memory = alloc.alloc(layout, init).unwrap_or_else(|_| handle_alloc_error(layout));
153             Self {
154                 ptr: unsafe { Unique::new_unchecked(memory.ptr.cast().as_ptr()) },
155                 cap: Self::capacity_from_bytes(memory.size),
156                 alloc,
157             }
158         }
159     }
160
161     /// Reconstitutes a `RawVec` from a pointer, capacity, and allocator.
162     ///
163     /// # Safety
164     ///
165     /// The `ptr` must be allocated (via the given allocator `a`), and with the given `capacity`.
166     /// The `capacity` cannot exceed `isize::MAX` for sized types. (only a concern on 32-bit
167     /// systems). ZST vectors may have a capacity up to `usize::MAX`.
168     /// If the `ptr` and `capacity` come from a `RawVec` created via `a`, then this is guaranteed.
169     #[inline]
170     pub unsafe fn from_raw_parts_in(ptr: *mut T, capacity: usize, a: A) -> Self {
171         Self { ptr: Unique::new_unchecked(ptr), cap: capacity, alloc: a }
172     }
173
174     /// Gets a raw pointer to the start of the allocation. Note that this is
175     /// `Unique::dangling()` if `capacity == 0` or `T` is zero-sized. In the former case, you must
176     /// be careful.
177     pub fn ptr(&self) -> *mut T {
178         self.ptr.as_ptr()
179     }
180
181     /// Gets the capacity of the allocation.
182     ///
183     /// This will always be `usize::MAX` if `T` is zero-sized.
184     #[inline(always)]
185     pub fn capacity(&self) -> usize {
186         if mem::size_of::<T>() == 0 { usize::MAX } else { self.cap }
187     }
188
189     /// Returns a shared reference to the allocator backing this `RawVec`.
190     pub fn alloc(&self) -> &A {
191         &self.alloc
192     }
193
194     /// Returns a mutable reference to the allocator backing this `RawVec`.
195     pub fn alloc_mut(&mut self) -> &mut A {
196         &mut self.alloc
197     }
198
199     fn current_memory(&self) -> Option<(NonNull<u8>, Layout)> {
200         if mem::size_of::<T>() == 0 || self.cap == 0 {
201             None
202         } else {
203             // We have an allocated chunk of memory, so we can bypass runtime
204             // checks to get our current layout.
205             unsafe {
206                 let align = mem::align_of::<T>();
207                 let size = mem::size_of::<T>() * self.cap;
208                 let layout = Layout::from_size_align_unchecked(size, align);
209                 Some((self.ptr.cast().into(), layout))
210             }
211         }
212     }
213
214     /// Ensures that the buffer contains at least enough space to hold
215     /// `used_capacity + needed_extra_capacity` elements. If it doesn't already have
216     /// enough capacity, will reallocate enough space plus comfortable slack
217     /// space to get amortized `O(1)` behavior. Will limit this behavior
218     /// if it would needlessly cause itself to panic.
219     ///
220     /// If `used_capacity` exceeds `self.capacity()`, this may fail to actually allocate
221     /// the requested space. This is not really unsafe, but the unsafe
222     /// code *you* write that relies on the behavior of this function may break.
223     ///
224     /// This is ideal for implementing a bulk-push operation like `extend`.
225     ///
226     /// # Panics
227     ///
228     /// * Panics if the requested capacity exceeds `usize::MAX` bytes.
229     /// * Panics on 32-bit platforms if the requested capacity exceeds
230     ///   `isize::MAX` bytes.
231     ///
232     /// # Aborts
233     ///
234     /// Aborts on OOM.
235     ///
236     /// # Examples
237     ///
238     /// ```
239     /// # #![feature(raw_vec_internals)]
240     /// # extern crate alloc;
241     /// # use std::ptr;
242     /// # use alloc::raw_vec::RawVec;
243     /// struct MyVec<T> {
244     ///     buf: RawVec<T>,
245     ///     len: usize,
246     /// }
247     ///
248     /// impl<T: Clone> MyVec<T> {
249     ///     pub fn push_all(&mut self, elems: &[T]) {
250     ///         self.buf.reserve(self.len, elems.len());
251     ///         // reserve would have aborted or panicked if the len exceeded
252     ///         // `isize::MAX` so this is safe to do unchecked now.
253     ///         for x in elems {
254     ///             unsafe {
255     ///                 ptr::write(self.buf.ptr().add(self.len), x.clone());
256     ///             }
257     ///             self.len += 1;
258     ///         }
259     ///     }
260     /// }
261     /// # fn main() {
262     /// #   let mut vector = MyVec { buf: RawVec::new(), len: 0 };
263     /// #   vector.push_all(&[1, 3, 5, 7, 9]);
264     /// # }
265     /// ```
266     pub fn reserve(&mut self, used_capacity: usize, needed_extra_capacity: usize) {
267         match self.try_reserve(used_capacity, needed_extra_capacity) {
268             Err(CapacityOverflow) => capacity_overflow(),
269             Err(AllocError { layout, .. }) => handle_alloc_error(layout),
270             Ok(()) => { /* yay */ }
271         }
272     }
273
274     /// The same as `reserve`, but returns on errors instead of panicking or aborting.
275     pub fn try_reserve(
276         &mut self,
277         used_capacity: usize,
278         needed_extra_capacity: usize,
279     ) -> Result<(), TryReserveError> {
280         if self.needs_to_grow(used_capacity, needed_extra_capacity) {
281             self.grow_amortized(used_capacity, needed_extra_capacity, MayMove)
282         } else {
283             Ok(())
284         }
285     }
286
287     /// Attempts to ensure that the buffer contains at least enough space to hold
288     /// `used_capacity + needed_extra_capacity` elements. If it doesn't already have
289     /// enough capacity, will reallocate in place enough space plus comfortable slack
290     /// space to get amortized `O(1)` behavior. Will limit this behaviour
291     /// if it would needlessly cause itself to panic.
292     ///
293     /// If `used_capacity` exceeds `self.capacity()`, this may fail to actually allocate
294     /// the requested space. This is not really unsafe, but the unsafe
295     /// code *you* write that relies on the behavior of this function may break.
296     ///
297     /// Returns `true` if the reallocation attempt has succeeded.
298     ///
299     /// # Panics
300     ///
301     /// * Panics if the requested capacity exceeds `usize::MAX` bytes.
302     /// * Panics on 32-bit platforms if the requested capacity exceeds
303     ///   `isize::MAX` bytes.
304     pub fn reserve_in_place(&mut self, used_capacity: usize, needed_extra_capacity: usize) -> bool {
305         // This is more readable than putting this in one line:
306         // `!self.needs_to_grow(...) || self.grow(...).is_ok()`
307         if self.needs_to_grow(used_capacity, needed_extra_capacity) {
308             self.grow_amortized(used_capacity, needed_extra_capacity, InPlace).is_ok()
309         } else {
310             true
311         }
312     }
313
314     /// Ensures that the buffer contains at least enough space to hold
315     /// `used_capacity + needed_extra_capacity` elements. If it doesn't already,
316     /// will reallocate the minimum possible amount of memory necessary.
317     /// Generally this will be exactly the amount of memory necessary,
318     /// but in principle the allocator is free to give back more than
319     /// we asked for.
320     ///
321     /// If `used_capacity` exceeds `self.capacity()`, this may fail to actually allocate
322     /// the requested space. This is not really unsafe, but the unsafe
323     /// code *you* write that relies on the behavior of this function may break.
324     ///
325     /// # Panics
326     ///
327     /// * Panics if the requested capacity exceeds `usize::MAX` bytes.
328     /// * Panics on 32-bit platforms if the requested capacity exceeds
329     ///   `isize::MAX` bytes.
330     ///
331     /// # Aborts
332     ///
333     /// Aborts on OOM.
334     pub fn reserve_exact(&mut self, used_capacity: usize, needed_extra_capacity: usize) {
335         match self.try_reserve_exact(used_capacity, needed_extra_capacity) {
336             Err(CapacityOverflow) => capacity_overflow(),
337             Err(AllocError { layout, .. }) => handle_alloc_error(layout),
338             Ok(()) => { /* yay */ }
339         }
340     }
341
342     /// The same as `reserve_exact`, but returns on errors instead of panicking or aborting.
343     pub fn try_reserve_exact(
344         &mut self,
345         used_capacity: usize,
346         needed_extra_capacity: usize,
347     ) -> Result<(), TryReserveError> {
348         if self.needs_to_grow(used_capacity, needed_extra_capacity) {
349             self.grow_exact(used_capacity, needed_extra_capacity)
350         } else {
351             Ok(())
352         }
353     }
354
355     /// Shrinks the allocation down to the specified amount. If the given amount
356     /// is 0, actually completely deallocates.
357     ///
358     /// # Panics
359     ///
360     /// Panics if the given amount is *larger* than the current capacity.
361     ///
362     /// # Aborts
363     ///
364     /// Aborts on OOM.
365     pub fn shrink_to_fit(&mut self, amount: usize) {
366         match self.shrink(amount, MayMove) {
367             Err(CapacityOverflow) => capacity_overflow(),
368             Err(AllocError { layout, .. }) => handle_alloc_error(layout),
369             Ok(()) => { /* yay */ }
370         }
371     }
372 }
373
374 impl<T, A: AllocRef> RawVec<T, A> {
375     /// Returns if the buffer needs to grow to fulfill the needed extra capacity.
376     /// Mainly used to make inlining reserve-calls possible without inlining `grow`.
377     fn needs_to_grow(&self, used_capacity: usize, needed_extra_capacity: usize) -> bool {
378         needed_extra_capacity > self.capacity().wrapping_sub(used_capacity)
379     }
380
381     fn capacity_from_bytes(excess: usize) -> usize {
382         debug_assert_ne!(mem::size_of::<T>(), 0);
383         excess / mem::size_of::<T>()
384     }
385
386     fn set_memory(&mut self, memory: MemoryBlock) {
387         self.ptr = unsafe { Unique::new_unchecked(memory.ptr.cast().as_ptr()) };
388         self.cap = Self::capacity_from_bytes(memory.size);
389     }
390
391     // This method is usually instantiated many times. So we want it to be as
392     // small as possible, to improve compile times. But we also want as much of
393     // its contents to be statically computable as possible, to make the
394     // generated code run faster. Therefore, this method is carefully written
395     // so that all of the code that depends on `T` is within it, while as much
396     // of the code that doesn't depend on `T` as possible is in functions that
397     // are non-generic over `T`.
398     fn grow_amortized(
399         &mut self,
400         used_capacity: usize,
401         needed_extra_capacity: usize,
402         placement: ReallocPlacement,
403     ) -> Result<(), TryReserveError> {
404         if mem::size_of::<T>() == 0 {
405             // Since we return a capacity of `usize::MAX` when `elem_size` is
406             // 0, getting to here necessarily means the `RawVec` is overfull.
407             return Err(CapacityOverflow);
408         }
409
410         // Nothing we can really do about these checks, sadly.
411         let required_cap =
412             used_capacity.checked_add(needed_extra_capacity).ok_or(CapacityOverflow)?;
413         // Cannot overflow, because `cap <= isize::MAX`, and type of `cap` is `usize`.
414         let double_cap = self.cap * 2;
415         // `double_cap` guarantees exponential growth.
416         let cap = cmp::max(double_cap, required_cap);
417         let new_layout = Layout::array::<T>(cap);
418
419         // `finish_grow` is non-generic over `T`.
420         let memory = finish_grow(new_layout, placement, self.current_memory(), &mut self.alloc)?;
421         self.set_memory(memory);
422         Ok(())
423     }
424
425     // The constraints on this method are much the same as those on
426     // `grow_amortized`, but this method is usually instantiated less often so
427     // it's less critical.
428     fn grow_exact(
429         &mut self,
430         used_capacity: usize,
431         needed_extra_capacity: usize,
432     ) -> Result<(), TryReserveError> {
433         if mem::size_of::<T>() == 0 {
434             // Since we return a capacity of `usize::MAX` when the type size is
435             // 0, getting to here necessarily means the `RawVec` is overfull.
436             return Err(CapacityOverflow);
437         }
438
439         let cap = used_capacity.checked_add(needed_extra_capacity).ok_or(CapacityOverflow)?;
440         let new_layout = Layout::array::<T>(cap);
441
442         // `finish_grow` is non-generic over `T`.
443         let memory = finish_grow(new_layout, MayMove, self.current_memory(), &mut self.alloc)?;
444         self.set_memory(memory);
445         Ok(())
446     }
447
448     fn shrink(
449         &mut self,
450         amount: usize,
451         placement: ReallocPlacement,
452     ) -> Result<(), TryReserveError> {
453         assert!(amount <= self.capacity(), "Tried to shrink to a larger capacity");
454
455         let (ptr, layout) = if let Some(mem) = self.current_memory() { mem } else { return Ok(()) };
456         let new_size = amount * mem::size_of::<T>();
457
458         let memory = unsafe {
459             self.alloc.shrink(ptr, layout, new_size, placement).map_err(|_| {
460                 TryReserveError::AllocError {
461                     layout: Layout::from_size_align_unchecked(new_size, layout.align()),
462                     non_exhaustive: (),
463                 }
464             })?
465         };
466         self.set_memory(memory);
467         Ok(())
468     }
469 }
470
471 // This function is outside `RawVec` to minimize compile times. See the comment
472 // above `RawVec::grow_amortized` for details. (The `A` parameter isn't
473 // significant, because the number of different `A` types seen in practice is
474 // much smaller than the number of `T` types.)
475 fn finish_grow<A>(
476     new_layout: Result<Layout, LayoutErr>,
477     placement: ReallocPlacement,
478     current_memory: Option<(NonNull<u8>, Layout)>,
479     alloc: &mut A,
480 ) -> Result<MemoryBlock, TryReserveError>
481 where
482     A: AllocRef,
483 {
484     // Check for the error here to minimize the size of `RawVec::grow_*`.
485     let new_layout = new_layout.map_err(|_| CapacityOverflow)?;
486
487     alloc_guard(new_layout.size())?;
488
489     let memory = if let Some((ptr, old_layout)) = current_memory {
490         debug_assert_eq!(old_layout.align(), new_layout.align());
491         unsafe { alloc.grow(ptr, old_layout, new_layout.size(), placement, Uninitialized) }
492     } else {
493         match placement {
494             MayMove => alloc.alloc(new_layout, Uninitialized),
495             InPlace => Err(AllocErr),
496         }
497     }
498     .map_err(|_| AllocError { layout: new_layout, non_exhaustive: () })?;
499
500     Ok(memory)
501 }
502
503 impl<T> RawVec<T, Global> {
504     /// Converts the entire buffer into `Box<[MaybeUninit<T>]>` with the specified `len`.
505     ///
506     /// Note that this will correctly reconstitute any `cap` changes
507     /// that may have been performed. (See description of type for details.)
508     ///
509     /// # Safety
510     ///
511     /// * `len` must be greater than or equal to the most recently requested capacity, and
512     /// * `len` must be less than or equal to `self.capacity()`.
513     ///
514     /// Note, that the requested capacity and `self.capacity()` could differ, as
515     /// an allocator could overallocate and return a greater memory block than requested.
516     pub unsafe fn into_box(self, len: usize) -> Box<[MaybeUninit<T>]> {
517         // Sanity-check one half of the safety requirement (we cannot check the other half).
518         debug_assert!(
519             len <= self.capacity(),
520             "`len` must be smaller than or equal to `self.capacity()`"
521         );
522
523         let me = ManuallyDrop::new(self);
524         let slice = slice::from_raw_parts_mut(me.ptr() as *mut MaybeUninit<T>, len);
525         Box::from_raw(slice)
526     }
527 }
528
529 unsafe impl<#[may_dangle] T, A: AllocRef> Drop for RawVec<T, A> {
530     /// Frees the memory owned by the `RawVec` *without* trying to drop its contents.
531     fn drop(&mut self) {
532         if let Some((ptr, layout)) = self.current_memory() {
533             unsafe { self.alloc.dealloc(ptr, layout) }
534         }
535     }
536 }
537
538 // We need to guarantee the following:
539 // * We don't ever allocate `> isize::MAX` byte-size objects.
540 // * We don't overflow `usize::MAX` and actually allocate too little.
541 //
542 // On 64-bit we just need to check for overflow since trying to allocate
543 // `> isize::MAX` bytes will surely fail. On 32-bit and 16-bit we need to add
544 // an extra guard for this in case we're running on a platform which can use
545 // all 4GB in user-space, e.g., PAE or x32.
546
547 #[inline]
548 fn alloc_guard(alloc_size: usize) -> Result<(), TryReserveError> {
549     if mem::size_of::<usize>() < 8 && alloc_size > isize::MAX as usize {
550         Err(CapacityOverflow)
551     } else {
552         Ok(())
553     }
554 }
555
556 // One central function responsible for reporting capacity overflows. This'll
557 // ensure that the code generation related to these panics is minimal as there's
558 // only one location which panics rather than a bunch throughout the module.
559 fn capacity_overflow() -> ! {
560     panic!("capacity overflow");
561 }