src/libarena/lib.rs

   1 // Copyright 2012-2014 The Rust Project Developers. See the COPYRIGHT
   2 // file at the top-level directory of this distribution and at
   3 // http://rust-lang.org/COPYRIGHT.
   4 //
   5 // Licensed under the Apache License, Version 2.0 <LICENSE-APACHE or
   6 // http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0> or the MIT license
   7 // <LICENSE-MIT or http://opensource.org/licenses/MIT>, at your
   8 // option. This file may not be copied, modified, or distributed
   9 // except according to those terms.
  10
  11 //! The arena, a fast but limited type of allocator.
  12 //!
  13 //! Arenas are a type of allocator that destroy the objects within, all at
  14 //! once, once the arena itself is destroyed. They do not support deallocation
  15 //! of individual objects while the arena itself is still alive. The benefit
  16 //! of an arena is very fast allocation; just a pointer bump.
  17 //!
  18 //! This crate implements `TypedArena`, a simple arena that can only hold
  19 //! objects of a single type.
  20
  21 #![doc(html_logo_url = "https://www.rust-lang.org/logos/rust-logo-128x128-blk-v2.png",
  22        html_favicon_url = "https://doc.rust-lang.org/favicon.ico",
  23        html_root_url = "https://doc.rust-lang.org/nightly/",
  24        test(no_crate_inject, attr(deny(warnings))))]
  25
  26 #![feature(alloc)]
  27 #![feature(core_intrinsics)]
  28 #![feature(dropck_eyepatch)]
  29 #![feature(nll)]
  30 #![feature(raw_vec_internals)]
  31 #![cfg_attr(test, feature(test))]
  32
  33 #![allow(deprecated)]
  34
  35 extern crate alloc;
  36 extern crate rustc_data_structures;
  37
  38 use rustc_data_structures::sync::MTLock;
  39
  40 use std::cell::{Cell, RefCell};
  41 use std::cmp;
  42 use std::intrinsics;
  43 use std::marker::{PhantomData, Send};
  44 use std::mem;
  45 use std::ptr;
  46 use std::slice;
  47
  48 use alloc::raw_vec::RawVec;
  49
  50 /// An arena that can hold objects of only one type.
  51 pub struct TypedArena<T> {
  52     /// A pointer to the next object to be allocated.
  53     ptr: Cell<*mut T>,
  54
  55     /// A pointer to the end of the allocated area. When this pointer is
  56     /// reached, a new chunk is allocated.
  57     end: Cell<*mut T>,
  58
  59     /// A vector of arena chunks.
  60     chunks: RefCell<Vec<TypedArenaChunk<T>>>,
  61
  62     /// Marker indicating that dropping the arena causes its owned
  63     /// instances of `T` to be dropped.
  64     _own: PhantomData<T>,
  65 }
  66
  67 struct TypedArenaChunk<T> {
  68     /// The raw storage for the arena chunk.
  69     storage: RawVec<T>,
  70 }
  71
  72 impl<T> TypedArenaChunk<T> {
  73     #[inline]
  74     unsafe fn new(capacity: usize) -> TypedArenaChunk<T> {
  75         TypedArenaChunk {
  76             storage: RawVec::with_capacity(capacity),
  77         }
  78     }
  79
  80     /// Destroys this arena chunk.
  81     #[inline]
  82     unsafe fn destroy(&mut self, len: usize) {
  83         // The branch on needs_drop() is an -O1 performance optimization.
  84         // Without the branch, dropping TypedArena<u8> takes linear time.
  85         if mem::needs_drop::<T>() {
  86             let mut start = self.start();
  87             // Destroy all allocated objects.
  88             for _ in 0..len {
  89                 ptr::drop_in_place(start);
  90                 start = start.offset(1);
  91             }
  92         }
  93     }
  94
  95     // Returns a pointer to the first allocated object.
  96     #[inline]
  97     fn start(&self) -> *mut T {
  98         self.storage.ptr()
  99     }
 100
 101     // Returns a pointer to the end of the allocated space.
 102     #[inline]
 103     fn end(&self) -> *mut T {
 104         unsafe {
 105             if mem::size_of::<T>() == 0 {
 106                 // A pointer as large as possible for zero-sized elements.
 107                 !0 as *mut T
 108             } else {
 109                 self.start().add(self.storage.cap())
 110             }
 111         }
 112     }
 113 }
 114
 115 const PAGE: usize = 4096;
 116
 117 impl<T> Default for TypedArena<T> {
 118     /// Creates a new `TypedArena`.
 119     fn default() -> TypedArena<T> {
 120         TypedArena {
 121             // We set both `ptr` and `end` to 0 so that the first call to
 122             // alloc() will trigger a grow().
 123             ptr: Cell::new(0 as *mut T),
 124             end: Cell::new(0 as *mut T),
 125             chunks: RefCell::new(vec![]),
 126             _own: PhantomData,
 127         }
 128     }
 129 }
 130
 131 impl<T> TypedArena<T> {
 132     /// Allocates an object in the `TypedArena`, returning a reference to it.
 133     #[inline]
 134     pub fn alloc(&self, object: T) -> &mut T {
 135         if self.ptr == self.end {
 136             self.grow(1)
 137         }
 138
 139         unsafe {
 140             if mem::size_of::<T>() == 0 {
 141                 self.ptr
 142                     .set(intrinsics::arith_offset(self.ptr.get() as *mut u8, 1)
 143                         as *mut T);
 144                 let ptr = mem::align_of::<T>() as *mut T;
 145                 // Don't drop the object. This `write` is equivalent to `forget`.
 146                 ptr::write(ptr, object);
 147                 &mut *ptr
 148             } else {
 149                 let ptr = self.ptr.get();
 150                 // Advance the pointer.
 151                 self.ptr.set(self.ptr.get().offset(1));
 152                 // Write into uninitialized memory.
 153                 ptr::write(ptr, object);
 154                 &mut *ptr
 155             }
 156         }
 157     }
 158
 159     /// Allocates a slice of objects that are copied into the `TypedArena`, returning a mutable
 160     /// reference to it. Will panic if passed a zero-sized types.
 161     ///
 162     /// Panics:
 163     ///
 164     ///  - Zero-sized types
 165     ///  - Zero-length slices
 166     #[inline]
 167     pub fn alloc_slice(&self, slice: &[T]) -> &mut [T]
 168     where
 169         T: Copy,
 170     {
 171         assert!(mem::size_of::<T>() != 0);
 172         assert!(slice.len() != 0);
 173
 174         let available_capacity_bytes = self.end.get() as usize - self.ptr.get() as usize;
 175         let at_least_bytes = slice.len() * mem::size_of::<T>();
 176         if available_capacity_bytes < at_least_bytes {
 177             self.grow(slice.len());
 178         }
 179
 180         unsafe {
 181             let start_ptr = self.ptr.get();
 182             let arena_slice = slice::from_raw_parts_mut(start_ptr, slice.len());
 183             self.ptr.set(start_ptr.add(arena_slice.len()));
 184             arena_slice.copy_from_slice(slice);
 185             arena_slice
 186         }
 187     }
 188
 189     /// Grows the arena.
 190     #[inline(never)]
 191     #[cold]
 192     fn grow(&self, n: usize) {
 193         unsafe {
 194             let mut chunks = self.chunks.borrow_mut();
 195             let (chunk, mut new_capacity);
 196             if let Some(last_chunk) = chunks.last_mut() {
 197                 let used_bytes = self.ptr.get() as usize - last_chunk.start() as usize;
 198                 let currently_used_cap = used_bytes / mem::size_of::<T>();
 199                 if last_chunk.storage.reserve_in_place(currently_used_cap, n) {
 200                     self.end.set(last_chunk.end());
 201                     return;
 202                 } else {
 203                     new_capacity = last_chunk.storage.cap();
 204                     loop {
 205                         new_capacity = new_capacity.checked_mul(2).unwrap();
 206                         if new_capacity >= currently_used_cap + n {
 207                             break;
 208                         }
 209                     }
 210                 }
 211             } else {
 212                 let elem_size = cmp::max(1, mem::size_of::<T>());
 213                 new_capacity = cmp::max(n, PAGE / elem_size);
 214             }
 215             chunk = TypedArenaChunk::<T>::new(new_capacity);
 216             self.ptr.set(chunk.start());
 217             self.end.set(chunk.end());
 218             chunks.push(chunk);
 219         }
 220     }
 221
 222     /// Clears the arena. Deallocates all but the longest chunk which may be reused.
 223     pub fn clear(&mut self) {
 224         unsafe {
 225             // Clear the last chunk, which is partially filled.
 226             let mut chunks_borrow = self.chunks.borrow_mut();
 227             if let Some(mut last_chunk) = chunks_borrow.pop() {
 228                 self.clear_last_chunk(&mut last_chunk);
 229                 // If `T` is ZST, code below has no effect.
 230                 for mut chunk in chunks_borrow.drain(..) {
 231                     let cap = chunk.storage.cap();
 232                     chunk.destroy(cap);
 233                 }
 234                 chunks_borrow.push(last_chunk);
 235             }
 236         }
 237     }
 238
 239     // Drops the contents of the last chunk. The last chunk is partially empty, unlike all other
 240     // chunks.
 241     fn clear_last_chunk(&self, last_chunk: &mut TypedArenaChunk<T>) {
 242         // Determine how much was filled.
 243         let start = last_chunk.start() as usize;
 244         // We obtain the value of the pointer to the first uninitialized element.
 245         let end = self.ptr.get() as usize;
 246         // We then calculate the number of elements to be dropped in the last chunk,
 247         // which is the filled area's length.
 248         let diff = if mem::size_of::<T>() == 0 {
 249             // `T` is ZST. It can't have a drop flag, so the value here doesn't matter. We get
 250             // the number of zero-sized values in the last and only chunk, just out of caution.
 251             // Recall that `end` was incremented for each allocated value.
 252             end - start
 253         } else {
 254             (end - start) / mem::size_of::<T>()
 255         };
 256         // Pass that to the `destroy` method.
 257         unsafe {
 258             last_chunk.destroy(diff);
 259         }
 260         // Reset the chunk.
 261         self.ptr.set(last_chunk.start());
 262     }
 263 }
 264
 265 unsafe impl<#[may_dangle] T> Drop for TypedArena<T> {
 266     fn drop(&mut self) {
 267         unsafe {
 268             // Determine how much was filled.
 269             let mut chunks_borrow = self.chunks.borrow_mut();
 270             if let Some(mut last_chunk) = chunks_borrow.pop() {
 271                 // Drop the contents of the last chunk.
 272                 self.clear_last_chunk(&mut last_chunk);
 273                 // The last chunk will be dropped. Destroy all other chunks.
 274                 for chunk in chunks_borrow.iter_mut() {
 275                     let cap = chunk.storage.cap();
 276                     chunk.destroy(cap);
 277                 }
 278             }
 279             // RawVec handles deallocation of `last_chunk` and `self.chunks`.
 280         }
 281     }
 282 }
 283
 284 unsafe impl<T: Send> Send for TypedArena<T> {}
 285
 286 pub struct DroplessArena {
 287     /// A pointer to the next object to be allocated.
 288     ptr: Cell<*mut u8>,
 289
 290     /// A pointer to the end of the allocated area. When this pointer is
 291     /// reached, a new chunk is allocated.
 292     end: Cell<*mut u8>,
 293
 294     /// A vector of arena chunks.
 295     chunks: RefCell<Vec<TypedArenaChunk<u8>>>,
 296 }
 297
 298 unsafe impl Send for DroplessArena {}
 299
 300 impl Default for DroplessArena {
 301     #[inline]
 302     fn default() -> DroplessArena {
 303         DroplessArena {
 304             ptr: Cell::new(0 as *mut u8),
 305             end: Cell::new(0 as *mut u8),
 306             chunks: Default::default(),
 307         }
 308     }
 309 }
 310
 311 impl DroplessArena {
 312     pub fn in_arena<T: ?Sized>(&self, ptr: *const T) -> bool {
 313         let ptr = ptr as *const u8 as *mut u8;
 314         for chunk in &*self.chunks.borrow() {
 315             if chunk.start() <= ptr && ptr < chunk.end() {
 316                 return true;
 317             }
 318         }
 319
 320         false
 321     }
 322
 323     #[inline]
 324     fn align(&self, align: usize) {
 325         let final_address = ((self.ptr.get() as usize) + align - 1) & !(align - 1);
 326         self.ptr.set(final_address as *mut u8);
 327         assert!(self.ptr <= self.end);
 328     }
 329
 330     #[inline(never)]
 331     #[cold]
 332     fn grow(&self, needed_bytes: usize) {
 333         unsafe {
 334             let mut chunks = self.chunks.borrow_mut();
 335             let (chunk, mut new_capacity);
 336             if let Some(last_chunk) = chunks.last_mut() {
 337                 let used_bytes = self.ptr.get() as usize - last_chunk.start() as usize;
 338                 if last_chunk
 339                     .storage
 340                     .reserve_in_place(used_bytes, needed_bytes)
 341                 {
 342                     self.end.set(last_chunk.end());
 343                     return;
 344                 } else {
 345                     new_capacity = last_chunk.storage.cap();
 346                     loop {
 347                         new_capacity = new_capacity.checked_mul(2).unwrap();
 348                         if new_capacity >= used_bytes + needed_bytes {
 349                             break;
 350                         }
 351                     }
 352                 }
 353             } else {
 354                 new_capacity = cmp::max(needed_bytes, PAGE);
 355             }
 356             chunk = TypedArenaChunk::<u8>::new(new_capacity);
 357             self.ptr.set(chunk.start());
 358             self.end.set(chunk.end());
 359             chunks.push(chunk);
 360         }
 361     }
 362
 363     #[inline]
 364     pub fn alloc_raw(&self, bytes: usize, align: usize) -> &mut [u8] {
 365         unsafe {
 366             assert!(bytes != 0);
 367
 368             self.align(align);
 369
 370             let future_end = intrinsics::arith_offset(self.ptr.get(), bytes as isize);
 371             if (future_end as *mut u8) >= self.end.get() {
 372                 self.grow(bytes);
 373             }
 374
 375             let ptr = self.ptr.get();
 376             // Set the pointer past ourselves
 377             self.ptr.set(
 378                 intrinsics::arith_offset(self.ptr.get(), bytes as isize) as *mut u8,
 379             );
 380             slice::from_raw_parts_mut(ptr, bytes)
 381         }
 382     }
 383
 384     #[inline]
 385     pub fn alloc<T>(&self, object: T) -> &mut T {
 386         assert!(!mem::needs_drop::<T>());
 387
 388         let mem = self.alloc_raw(
 389             mem::size_of::<T>(),
 390             mem::align_of::<T>()) as *mut _ as *mut T;
 391
 392         unsafe {
 393             // Write into uninitialized memory.
 394             ptr::write(mem, object);
 395             &mut *mem
 396         }
 397     }
 398
 399     /// Allocates a slice of objects that are copied into the `DroplessArena`, returning a mutable
 400     /// reference to it. Will panic if passed a zero-sized type.
 401     ///
 402     /// Panics:
 403     ///
 404     ///  - Zero-sized types
 405     ///  - Zero-length slices
 406     #[inline]
 407     pub fn alloc_slice<T>(&self, slice: &[T]) -> &mut [T]
 408     where
 409         T: Copy,
 410     {
 411         assert!(!mem::needs_drop::<T>());
 412         assert!(mem::size_of::<T>() != 0);
 413         assert!(slice.len() != 0);
 414
 415         let mem = self.alloc_raw(
 416             slice.len() * mem::size_of::<T>(),
 417             mem::align_of::<T>()) as *mut _ as *mut T;
 418
 419         unsafe {
 420             let arena_slice = slice::from_raw_parts_mut(mem, slice.len());
 421             arena_slice.copy_from_slice(slice);
 422             arena_slice
 423         }
 424     }
 425 }
 426
 427 #[derive(Default)]
 428 // FIXME(@Zoxc): this type is entirely unused in rustc
 429 pub struct SyncTypedArena<T> {
 430     lock: MTLock<TypedArena<T>>,
 431 }
 432
 433 impl<T> SyncTypedArena<T> {
 434     #[inline(always)]
 435     pub fn alloc(&self, object: T) -> &mut T {
 436         // Extend the lifetime of the result since it's limited to the lock guard
 437         unsafe { &mut *(self.lock.lock().alloc(object) as *mut T) }
 438     }
 439
 440     #[inline(always)]
 441     pub fn alloc_slice(&self, slice: &[T]) -> &mut [T]
 442     where
 443         T: Copy,
 444     {
 445         // Extend the lifetime of the result since it's limited to the lock guard
 446         unsafe { &mut *(self.lock.lock().alloc_slice(slice) as *mut [T]) }
 447     }
 448
 449     #[inline(always)]
 450     pub fn clear(&mut self) {
 451         self.lock.get_mut().clear();
 452     }
 453 }
 454
 455 #[derive(Default)]
 456 pub struct SyncDroplessArena {
 457     lock: MTLock<DroplessArena>,
 458 }
 459
 460 impl SyncDroplessArena {
 461     #[inline(always)]
 462     pub fn in_arena<T: ?Sized>(&self, ptr: *const T) -> bool {
 463         self.lock.lock().in_arena(ptr)
 464     }
 465
 466     #[inline(always)]
 467     pub fn alloc_raw(&self, bytes: usize, align: usize) -> &mut [u8] {
 468         // Extend the lifetime of the result since it's limited to the lock guard
 469         unsafe { &mut *(self.lock.lock().alloc_raw(bytes, align) as *mut [u8]) }
 470     }
 471
 472     #[inline(always)]
 473     pub fn alloc<T>(&self, object: T) -> &mut T {
 474         // Extend the lifetime of the result since it's limited to the lock guard
 475         unsafe { &mut *(self.lock.lock().alloc(object) as *mut T) }
 476     }
 477
 478     #[inline(always)]
 479     pub fn alloc_slice<T>(&self, slice: &[T]) -> &mut [T]
 480     where
 481         T: Copy,
 482     {
 483         // Extend the lifetime of the result since it's limited to the lock guard
 484         unsafe { &mut *(self.lock.lock().alloc_slice(slice) as *mut [T]) }
 485     }
 486 }
 487
 488 #[cfg(test)]
 489 mod tests {
 490     extern crate test;
 491     use self::test::Bencher;
 492     use super::TypedArena;
 493     use std::cell::Cell;
 494
 495     #[allow(dead_code)]
 496     #[derive(Debug, Eq, PartialEq)]
 497     struct Point {
 498         x: i32,
 499         y: i32,
 500         z: i32,
 501     }
 502
 503     #[test]
 504     pub fn test_unused() {
 505         let arena: TypedArena<Point> = TypedArena::default();
 506         assert!(arena.chunks.borrow().is_empty());
 507     }
 508
 509     #[test]
 510     fn test_arena_alloc_nested() {
 511         struct Inner {
 512             value: u8,
 513         }
 514         struct Outer<'a> {
 515             inner: &'a Inner,
 516         }
 517         enum EI<'e> {
 518             I(Inner),
 519             O(Outer<'e>),
 520         }
 521
 522         struct Wrap<'a>(TypedArena<EI<'a>>);
 523
 524         impl<'a> Wrap<'a> {
 525             fn alloc_inner<F: Fn() -> Inner>(&self, f: F) -> &Inner {
 526                 let r: &EI = self.0.alloc(EI::I(f()));
 527                 if let &EI::I(ref i) = r {
 528                     i
 529                 } else {
 530                     panic!("mismatch");
 531                 }
 532             }
 533             fn alloc_outer<F: Fn() -> Outer<'a>>(&self, f: F) -> &Outer {
 534                 let r: &EI = self.0.alloc(EI::O(f()));
 535                 if let &EI::O(ref o) = r {
 536                     o
 537                 } else {
 538                     panic!("mismatch");
 539                 }
 540             }
 541         }
 542
 543         let arena = Wrap(TypedArena::default());
 544
 545         let result = arena.alloc_outer(|| Outer {
 546             inner: arena.alloc_inner(|| Inner { value: 10 }),
 547         });
 548
 549         assert_eq!(result.inner.value, 10);
 550     }
 551
 552     #[test]
 553     pub fn test_copy() {
 554         let arena = TypedArena::default();
 555         for _ in 0..100000 {
 556             arena.alloc(Point { x: 1, y: 2, z: 3 });
 557         }
 558     }
 559
 560     #[bench]
 561     pub fn bench_copy(b: &mut Bencher) {
 562         let arena = TypedArena::default();
 563         b.iter(|| arena.alloc(Point { x: 1, y: 2, z: 3 }))
 564     }
 565
 566     #[bench]
 567     pub fn bench_copy_nonarena(b: &mut Bencher) {
 568         b.iter(|| {
 569             let _: Box<_> = Box::new(Point { x: 1, y: 2, z: 3 });
 570         })
 571     }
 572
 573     #[allow(dead_code)]
 574     struct Noncopy {
 575         string: String,
 576         array: Vec<i32>,
 577     }
 578
 579     #[test]
 580     pub fn test_noncopy() {
 581         let arena = TypedArena::default();
 582         for _ in 0..100000 {
 583             arena.alloc(Noncopy {
 584                 string: "hello world".to_string(),
 585                 array: vec![1, 2, 3, 4, 5],
 586             });
 587         }
 588     }
 589
 590     #[test]
 591     pub fn test_typed_arena_zero_sized() {
 592         let arena = TypedArena::default();
 593         for _ in 0..100000 {
 594             arena.alloc(());
 595         }
 596     }
 597
 598     #[test]
 599     pub fn test_typed_arena_clear() {
 600         let mut arena = TypedArena::default();
 601         for _ in 0..10 {
 602             arena.clear();
 603             for _ in 0..10000 {
 604                 arena.alloc(Point { x: 1, y: 2, z: 3 });
 605             }
 606         }
 607     }
 608
 609     // Drop tests
 610
 611     struct DropCounter<'a> {
 612         count: &'a Cell<u32>,
 613     }
 614
 615     impl<'a> Drop for DropCounter<'a> {
 616         fn drop(&mut self) {
 617             self.count.set(self.count.get() + 1);
 618         }
 619     }
 620
 621     #[test]
 622     fn test_typed_arena_drop_count() {
 623         let counter = Cell::new(0);
 624         {
 625             let arena: TypedArena<DropCounter> = TypedArena::default();
 626             for _ in 0..100 {
 627                 // Allocate something with drop glue to make sure it doesn't leak.
 628                 arena.alloc(DropCounter { count: &counter });
 629             }
 630         };
 631         assert_eq!(counter.get(), 100);
 632     }
 633
 634     #[test]
 635     fn test_typed_arena_drop_on_clear() {
 636         let counter = Cell::new(0);
 637         let mut arena: TypedArena<DropCounter> = TypedArena::default();
 638         for i in 0..10 {
 639             for _ in 0..100 {
 640                 // Allocate something with drop glue to make sure it doesn't leak.
 641                 arena.alloc(DropCounter { count: &counter });
 642             }
 643             arena.clear();
 644             assert_eq!(counter.get(), i * 100 + 100);
 645         }
 646     }
 647
 648     thread_local! {
 649         static DROP_COUNTER: Cell<u32> = Cell::new(0)
 650     }
 651
 652     struct SmallDroppable;
 653
 654     impl Drop for SmallDroppable {
 655         fn drop(&mut self) {
 656             DROP_COUNTER.with(|c| c.set(c.get() + 1));
 657         }
 658     }
 659
 660     #[test]
 661     fn test_typed_arena_drop_small_count() {
 662         DROP_COUNTER.with(|c| c.set(0));
 663         {
 664             let arena: TypedArena<SmallDroppable> = TypedArena::default();
 665             for _ in 0..100 {
 666                 // Allocate something with drop glue to make sure it doesn't leak.
 667                 arena.alloc(SmallDroppable);
 668             }
 669             // dropping
 670         };
 671         assert_eq!(DROP_COUNTER.with(|c| c.get()), 100);
 672     }
 673
 674     #[bench]
 675     pub fn bench_noncopy(b: &mut Bencher) {
 676         let arena = TypedArena::default();
 677         b.iter(|| {
 678             arena.alloc(Noncopy {
 679                 string: "hello world".to_string(),
 680                 array: vec![1, 2, 3, 4, 5],
 681             })
 682         })
 683     }
 684
 685     #[bench]
 686     pub fn bench_noncopy_nonarena(b: &mut Bencher) {
 687         b.iter(|| {
 688             let _: Box<_> = Box::new(Noncopy {
 689                 string: "hello world".to_string(),
 690                 array: vec![1, 2, 3, 4, 5],
 691             });
 692         })
 693     }
 694 }