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[rust.git] / src / libcore / pin.rs
1 //! Types that pin data to its location in memory.
2 //!
3 //! It is sometimes useful to have objects that are guaranteed not to move,
4 //! in the sense that their placement in memory does not change, and can thus be relied upon.
5 //! A prime example of such a scenario would be building self-referential structs,
6 //! as moving an object with pointers to itself will invalidate them, which could cause undefined
7 //! behavior.
8 //!
9 //! A [`Pin<P>`] ensures that the pointee of any pointer type `P` has a stable location in memory,
10 //! meaning it cannot be moved elsewhere and its memory cannot be deallocated
11 //! until it gets dropped. We say that the pointee is "pinned".
12 //!
13 //! By default, all types in Rust are movable. Rust allows passing all types by-value,
14 //! and common smart-pointer types such as [`Box<T>`] and `&mut T` allow replacing and
15 //! moving the values they contain: you can move out of a [`Box<T>`], or you can use [`mem::swap`].
16 //! [`Pin<P>`] wraps a pointer type `P`, so [`Pin`]`<`[`Box`]`<T>>` functions much like a regular
17 //! [`Box<T>`]: when a [`Pin`]`<`[`Box`]`<T>>` gets dropped, so do its contents, and the memory gets
18 //! deallocated. Similarly, [`Pin`]`<&mut T>` is a lot like `&mut T`. However, [`Pin<P>`] does
19 //! not let clients actually obtain a [`Box<T>`] or `&mut T` to pinned data, which implies that you
20 //! cannot use operations such as [`mem::swap`]:
21 //!
22 //! ```
23 //! use std::pin::Pin;
24 //! fn swap_pins<T>(x: Pin<&mut T>, y: Pin<&mut T>) {
25 //!     // `mem::swap` needs `&mut T`, but we cannot get it.
26 //!     // We are stuck, we cannot swap the contents of these references.
27 //!     // We could use `Pin::get_unchecked_mut`, but that is unsafe for a reason:
28 //!     // we are not allowed to use it for moving things out of the `Pin`.
29 //! }
30 //! ```
31 //!
32 //! It is worth reiterating that [`Pin<P>`] does *not* change the fact that a Rust compiler
33 //! considers all types movable. [`mem::swap`] remains callable for any `T`. Instead, [`Pin<P>`]
34 //! prevents certain *values* (pointed to by pointers wrapped in [`Pin<P>`]) from being
35 //! moved by making it impossible to call methods that require `&mut T` on them
36 //! (like [`mem::swap`]).
37 //!
38 //! [`Pin<P>`] can be used to wrap any pointer type `P`, and as such it interacts with
39 //! [`Deref`] and [`DerefMut`]. A [`Pin<P>`] where `P: Deref` should be considered
40 //! as a "`P`-style pointer" to a pinned `P::Target` -- so, a [`Pin`]`<`[`Box`]`<T>>` is
41 //! an owned pointer to a pinned `T`, and a [`Pin`]`<`[`Rc`]`<T>>` is a reference-counted
42 //! pointer to a pinned `T`.
43 //! For correctness, [`Pin<P>`] relies on the implementations of [`Deref`] and
44 //! [`DerefMut`] not to move out of their `self` parameter, and only ever to
45 //! return a pointer to pinned data when they are called on a pinned pointer.
46 //!
47 //! # `Unpin`
48 //!
49 //! Many types are always freely movable, even when pinned, because they do not
50 //! rely on having a stable address. This includes all the basic types (like
51 //! [`bool`], [`i32`], and references) as well as types consisting solely of these
52 //! types. Types that do not care about pinning implement the [`Unpin`]
53 //! auto-trait, which cancels the effect of [`Pin<P>`]. For `T: Unpin`,
54 //! [`Pin`]`<`[`Box`]`<T>>` and [`Box<T>`] function identically, as do [`Pin`]`<&mut T>` and
55 //! `&mut T`.
56 //!
57 //! Note that pinning and [`Unpin`] only affect the pointed-to type `P::Target`, not the pointer
58 //! type `P` itself that got wrapped in [`Pin<P>`]. For example, whether or not [`Box<T>`] is
59 //! [`Unpin`] has no effect on the behavior of [`Pin`]`<`[`Box`]`<T>>` (here, `T` is the
60 //! pointed-to type).
61 //!
62 //! # Example: self-referential struct
63 //!
64 //! ```rust
65 //! use std::pin::Pin;
66 //! use std::marker::PhantomPinned;
67 //! use std::ptr::NonNull;
68 //!
69 //! // This is a self-referential struct because the slice field points to the data field.
70 //! // We cannot inform the compiler about that with a normal reference,
71 //! // as this pattern cannot be described with the usual borrowing rules.
72 //! // Instead we use a raw pointer, though one which is known not to be null,
73 //! // as we know it's pointing at the string.
74 //! struct Unmovable {
75 //!     data: String,
76 //!     slice: NonNull<String>,
77 //!     _pin: PhantomPinned,
78 //! }
79 //!
80 //! impl Unmovable {
81 //!     // To ensure the data doesn't move when the function returns,
82 //!     // we place it in the heap where it will stay for the lifetime of the object,
83 //!     // and the only way to access it would be through a pointer to it.
84 //!     fn new(data: String) -> Pin<Box<Self>> {
85 //!         let res = Unmovable {
86 //!             data,
87 //!             // we only create the pointer once the data is in place
88 //!             // otherwise it will have already moved before we even started
89 //!             slice: NonNull::dangling(),
90 //!             _pin: PhantomPinned,
91 //!         };
92 //!         let mut boxed = Box::pin(res);
93 //!
94 //!         let slice = NonNull::from(&boxed.data);
95 //!         // we know this is safe because modifying a field doesn't move the whole struct
96 //!         unsafe {
97 //!             let mut_ref: Pin<&mut Self> = Pin::as_mut(&mut boxed);
98 //!             Pin::get_unchecked_mut(mut_ref).slice = slice;
99 //!         }
100 //!         boxed
101 //!     }
102 //! }
103 //!
104 //! let unmoved = Unmovable::new("hello".to_string());
105 //! // The pointer should point to the correct location,
106 //! // so long as the struct hasn't moved.
107 //! // Meanwhile, we are free to move the pointer around.
108 //! # #[allow(unused_mut)]
109 //! let mut still_unmoved = unmoved;
110 //! assert_eq!(still_unmoved.slice, NonNull::from(&still_unmoved.data));
111 //!
112 //! // Since our type doesn't implement Unpin, this will fail to compile:
113 //! // let mut new_unmoved = Unmovable::new("world".to_string());
114 //! // std::mem::swap(&mut *still_unmoved, &mut *new_unmoved);
115 //! ```
116 //!
117 //! # Example: intrusive doubly-linked list
118 //!
119 //! In an intrusive doubly-linked list, the collection does not actually allocate
120 //! the memory for the elements itself. Allocation is controlled by the clients,
121 //! and elements can live on a stack frame that lives shorter than the collection does.
122 //!
123 //! To make this work, every element has pointers to its predecessor and successor in
124 //! the list. Elements can only be added when they are pinned, because moving the elements
125 //! around would invalidate the pointers. Moreover, the [`Drop`] implementation of a linked
126 //! list element will patch the pointers of its predecessor and successor to remove itself
127 //! from the list.
128 //!
129 //! Crucially, we have to be able to rely on [`drop`] being called. If an element
130 //! could be deallocated or otherwise invalidated without calling [`drop`], the pointers into it
131 //! from its neighboring elements would become invalid, which would break the data structure.
132 //!
133 //! Therefore, pinning also comes with a [`drop`]-related guarantee.
134 //!
135 //! # `Drop` guarantee
136 //!
137 //! The purpose of pinning is to be able to rely on the placement of some data in memory.
138 //! To make this work, not just moving the data is restricted; deallocating, repurposing, or
139 //! otherwise invalidating the memory used to store the data is restricted, too.
140 //! Concretely, for pinned data you have to maintain the invariant
141 //! that *its memory will not get invalidated or repurposed from the moment it gets pinned until
142 //! when [`drop`] is called*.  Only once [`drop`] returns or panics, the memory may be reused.
143 //!
144 //! Memory can be "invalidated" by deallocation, but also by
145 //! replacing a [`Some(v)`] by [`None`], or calling [`Vec::set_len`] to "kill" some elements
146 //! off of a vector. It can be repurposed by using [`ptr::write`] to overwrite it without
147 //! calling the destructor first. None of this is allowed for pinned data without calling [`drop`].
148 //!
149 //! This is exactly the kind of guarantee that the intrusive linked list from the previous
150 //! section needs to function correctly.
151 //!
152 //! Notice that this guarantee does *not* mean that memory does not leak! It is still
153 //! completely okay not ever to call [`drop`] on a pinned element (e.g., you can still
154 //! call [`mem::forget`] on a [`Pin`]`<`[`Box`]`<T>>`). In the example of the doubly-linked
155 //! list, that element would just stay in the list. However you may not free or reuse the storage
156 //! *without calling [`drop`]*.
157 //!
158 //! # `Drop` implementation
159 //!
160 //! If your type uses pinning (such as the two examples above), you have to be careful
161 //! when implementing [`Drop`]. The [`drop`] function takes `&mut self`, but this
162 //! is called *even if your type was previously pinned*! It is as if the
163 //! compiler automatically called [`Pin::get_unchecked_mut`].
164 //!
165 //! This can never cause a problem in safe code because implementing a type that
166 //! relies on pinning requires unsafe code, but be aware that deciding to make
167 //! use of pinning in your type (for example by implementing some operation on
168 //! [`Pin`]`<&Self>` or [`Pin`]`<&mut Self>`) has consequences for your [`Drop`]
169 //! implementation as well: if an element of your type could have been pinned,
170 //! you must treat [`Drop`] as implicitly taking [`Pin`]`<&mut Self>`.
171 //!
172 //! For example, you could implement `Drop` as follows:
173 //!
174 //! ```rust,no_run
175 //! # use std::pin::Pin;
176 //! # struct Type { }
177 //! impl Drop for Type {
178 //!     fn drop(&mut self) {
179 //!         // `new_unchecked` is okay because we know this value is never used
180 //!         // again after being dropped.
181 //!         inner_drop(unsafe { Pin::new_unchecked(self)});
182 //!         fn inner_drop(this: Pin<&mut Type>) {
183 //!             // Actual drop code goes here.
184 //!         }
185 //!     }
186 //! }
187 //! ```
188 //!
189 //! The function `inner_drop` has the type that [`drop`] *should* have, so this makes sure that
190 //! you do not accidentally use `self`/`this` in a way that is in conflict with pinning.
191 //!
192 //! Moreover, if your type is `#[repr(packed)]`, the compiler will automatically
193 //! move fields around to be able to drop them. It might even do
194 //! that for fields that happen to be sufficiently aligned. As a consequence, you cannot use
195 //! pinning with a `#[repr(packed)]` type.
196 //!
197 //! # Projections and Structural Pinning
198 //!
199 //! When working with pinned structs, the question arises how one can access the
200 //! fields of that struct in a method that takes just [`Pin`]`<&mut Struct>`.
201 //! The usual approach is to write helper methods (so called *projections*)
202 //! that turn [`Pin`]`<&mut Struct>` into a reference to the field, but what
203 //! type should that reference have? Is it [`Pin`]`<&mut Field>` or `&mut Field`?
204 //! The same question arises with the fields of an `enum`, and also when considering
205 //! container/wrapper types such as [`Vec<T>`], [`Box<T>`], or [`RefCell<T>`].
206 //! (This question applies to both mutable and shared references, we just
207 //! use the more common case of mutable references here for illustration.)
208 //!
209 //! It turns out that it is actually up to the author of the data structure
210 //! to decide whether the pinned projection for a particular field turns
211 //! [`Pin`]`<&mut Struct>` into [`Pin`]`<&mut Field>` or `&mut Field`. There are some
212 //! constraints though, and the most important constraint is *consistency*:
213 //! every field can be *either* projected to a pinned reference, *or* have
214 //! pinning removed as part of the projection. If both are done for the same field,
215 //! that will likely be unsound!
216 //!
217 //! As the author of a data structure you get to decide for each field whether pinning
218 //! "propagates" to this field or not. Pinning that propagates is also called "structural",
219 //! because it follows the structure of the type.
220 //! In the following subsections, we describe the considerations that have to be made
221 //! for either choice.
222 //!
223 //! ## Pinning *is not* structural for `field`
224 //!
225 //! It may seem counter-intuitive that the field of a pinned struct might not be pinned,
226 //! but that is actually the easiest choice: if a [`Pin`]`<&mut Field>` is never created,
227 //! nothing can go wrong! So, if you decide that some field does not have structural pinning,
228 //! all you have to ensure is that you never create a pinned reference to that field.
229 //!
230 //! Fields without structural pinning may have a projection method that turns
231 //! [`Pin`]`<&mut Struct>` into `&mut Field`:
232 //!
233 //! ```rust,no_run
234 //! # use std::pin::Pin;
235 //! # type Field = i32;
236 //! # struct Struct { field: Field }
237 //! impl Struct {
238 //!     fn pin_get_field(self: Pin<&mut Self>) -> &mut Field {
239 //!         // This is okay because `field` is never considered pinned.
240 //!         unsafe { &mut self.get_unchecked_mut().field }
241 //!     }
242 //! }
243 //! ```
244 //!
245 //! You may also `impl Unpin for Struct` *even if* the type of `field`
246 //! is not [`Unpin`]. What that type thinks about pinning is not relevant
247 //! when no [`Pin`]`<&mut Field>` is ever created.
248 //!
249 //! ## Pinning *is* structural for `field`
250 //!
251 //! The other option is to decide that pinning is "structural" for `field`,
252 //! meaning that if the struct is pinned then so is the field.
253 //!
254 //! This allows writing a projection that creates a [`Pin`]`<&mut Field>`, thus
255 //! witnessing that the field is pinned:
256 //!
257 //! ```rust,no_run
258 //! # use std::pin::Pin;
259 //! # type Field = i32;
260 //! # struct Struct { field: Field }
261 //! impl Struct {
262 //!     fn pin_get_field(self: Pin<&mut Self>) -> Pin<&mut Field> {
263 //!         // This is okay because `field` is pinned when `self` is.
264 //!         unsafe { self.map_unchecked_mut(|s| &mut s.field) }
265 //!     }
266 //! }
267 //! ```
268 //!
269 //! However, structural pinning comes with a few extra requirements:
270 //!
271 //! 1.  The struct must only be [`Unpin`] if all the structural fields are
272 //!     [`Unpin`]. This is the default, but [`Unpin`] is a safe trait, so as the author of
273 //!     the struct it is your responsibility *not* to add something like
274 //!     `impl<T> Unpin for Struct<T>`. (Notice that adding a projection operation
275 //!     requires unsafe code, so the fact that [`Unpin`] is a safe trait does not break
276 //!     the principle that you only have to worry about any of this if you use `unsafe`.)
277 //! 2.  The destructor of the struct must not move structural fields out of its argument. This
278 //!     is the exact point that was raised in the [previous section][drop-impl]: `drop` takes
279 //!     `&mut self`, but the struct (and hence its fields) might have been pinned before.
280 //!     You have to guarantee that you do not move a field inside your [`Drop`] implementation.
281 //!     In particular, as explained previously, this means that your struct must *not*
282 //!     be `#[repr(packed)]`.
283 //!     See that section for how to write [`drop`] in a way that the compiler can help you
284 //!     not accidentally break pinning.
285 //! 3.  You must make sure that you uphold the [`Drop` guarantee][drop-guarantee]:
286 //!     once your struct is pinned, the memory that contains the
287 //!     content is not overwritten or deallocated without calling the content's destructors.
288 //!     This can be tricky, as witnessed by [`VecDeque<T>`]: the destructor of [`VecDeque<T>`]
289 //!     can fail to call [`drop`] on all elements if one of the destructors panics. This violates
290 //!     the [`Drop`] guarantee, because it can lead to elements being deallocated without
291 //!     their destructor being called. ([`VecDeque<T>`] has no pinning projections, so this
292 //!     does not cause unsoundness.)
293 //! 4.  You must not offer any other operations that could lead to data being moved out of
294 //!     the structural fields when your type is pinned. For example, if the struct contains an
295 //!     [`Option<T>`] and there is a `take`-like operation with type
296 //!     `fn(Pin<&mut Struct<T>>) -> Option<T>`,
297 //!     that operation can be used to move a `T` out of a pinned `Struct<T>` -- which means
298 //!     pinning cannot be structural for the field holding this data.
299 //!
300 //!     For a more complex example of moving data out of a pinned type, imagine if [`RefCell<T>`]
301 //!     had a method `fn get_pin_mut(self: Pin<&mut Self>) -> Pin<&mut T>`.
302 //!     Then we could do the following:
303 //!     ```compile_fail
304 //!     fn exploit_ref_cell<T>(rc: Pin<&mut RefCell<T>>) {
305 //!         { let p = rc.as_mut().get_pin_mut(); } // Here we get pinned access to the `T`.
306 //!         let rc_shr: &RefCell<T> = rc.into_ref().get_ref();
307 //!         let b = rc_shr.borrow_mut();
308 //!         let content = &mut *b; // And here we have `&mut T` to the same data.
309 //!     }
310 //!     ```
311 //!     This is catastrophic, it means we can first pin the content of the [`RefCell<T>`]
312 //!     (using `RefCell::get_pin_mut`) and then move that content using the mutable
313 //!     reference we got later.
314 //!
315 //! ## Examples
316 //!
317 //! For a type like [`Vec<T>`], both possibilities (structural pinning or not) make sense.
318 //! A [`Vec<T>`] with structural pinning could have `get_pin`/`get_pin_mut` methods to get
319 //! pinned references to elements. However, it could *not* allow calling
320 //! [`pop`][Vec::pop] on a pinned [`Vec<T>`] because that would move the (structurally pinned)
321 //! contents! Nor could it allow [`push`][Vec::push], which might reallocate and thus also move the
322 //! contents.
323 //!
324 //! A [`Vec<T>`] without structural pinning could `impl<T> Unpin for Vec<T>`, because the contents
325 //! are never pinned and the [`Vec<T>`] itself is fine with being moved as well.
326 //! At that point pinning just has no effect on the vector at all.
327 //!
328 //! In the standard library, pointer types generally do not have structural pinning,
329 //! and thus they do not offer pinning projections. This is why `Box<T>: Unpin` holds for all `T`.
330 //! It makes sense to do this for pointer types, because moving the `Box<T>`
331 //! does not actually move the `T`: the [`Box<T>`] can be freely movable (aka `Unpin`) even if
332 //! the `T` is not. In fact, even [`Pin`]`<`[`Box`]`<T>>` and [`Pin`]`<&mut T>` are always
333 //! [`Unpin`] themselves, for the same reason: their contents (the `T`) are pinned, but the
334 //! pointers themselves can be moved without moving the pinned data. For both [`Box<T>`] and
335 //! [`Pin`]`<`[`Box`]`<T>>`, whether the content is pinned is entirely independent of whether the
336 //! pointer is pinned, meaning pinning is *not* structural.
337 //!
338 //! When implementing a [`Future`] combinator, you will usually need structural pinning
339 //! for the nested futures, as you need to get pinned references to them to call [`poll`].
340 //! But if your combinator contains any other data that does not need to be pinned,
341 //! you can make those fields not structural and hence freely access them with a
342 //! mutable reference even when you just have [`Pin`]`<&mut Self>` (such as in your own
343 //! [`poll`] implementation).
344 //!
345 //! [`Pin<P>`]: struct.Pin.html
346 //! [`Unpin`]: ../marker/trait.Unpin.html
347 //! [`Deref`]: ../ops/trait.Deref.html
348 //! [`DerefMut`]: ../ops/trait.DerefMut.html
349 //! [`mem::swap`]: ../mem/fn.swap.html
350 //! [`mem::forget`]: ../mem/fn.forget.html
351 //! [`Box<T>`]: ../../std/boxed/struct.Box.html
352 //! [`Vec<T>`]: ../../std/vec/struct.Vec.html
353 //! [`Vec::set_len`]: ../../std/vec/struct.Vec.html#method.set_len
354 //! [`Pin`]: struct.Pin.html
355 //! [`Box`]: ../../std/boxed/struct.Box.html
356 //! [Vec::pop]: ../../std/vec/struct.Vec.html#method.pop
357 //! [Vec::push]: ../../std/vec/struct.Vec.html#method.push
358 //! [`Rc`]: ../../std/rc/struct.Rc.html
359 //! [`RefCell<T>`]: ../../std/cell/struct.RefCell.html
360 //! [`Drop`]: ../../std/ops/trait.Drop.html
361 //! [`drop`]: ../../std/ops/trait.Drop.html#tymethod.drop
362 //! [`VecDeque<T>`]: ../../std/collections/struct.VecDeque.html
363 //! [`Option<T>`]: ../../std/option/enum.Option.html
364 //! [`VecDeque<T>`]: ../../std/collections/struct.VecDeque.html
365 //! [`RefCell<T>`]: ../cell/struct.RefCell.html
366 //! [`None`]: ../option/enum.Option.html#variant.None
367 //! [`Some(v)`]: ../option/enum.Option.html#variant.Some
368 //! [`ptr::write`]: ../ptr/fn.write.html
369 //! [`Future`]: ../future/trait.Future.html
370 //! [drop-impl]: #drop-implementation
371 //! [drop-guarantee]: #drop-guarantee
372 //! [`poll`]: ../../std/future/trait.Future.html#tymethod.poll
373 //! [`Pin::get_unchecked_mut`]: struct.Pin.html#method.get_unchecked_mut
374 //! [`bool`]: ../../std/primitive.bool.html
375 //! [`i32`]: ../../std/primitive.i32.html
376
377 #![stable(feature = "pin", since = "1.33.0")]
378
379 use crate::cmp::{self, PartialEq, PartialOrd};
380 use crate::fmt;
381 use crate::hash::{Hash, Hasher};
382 use crate::marker::{Sized, Unpin};
383 use crate::ops::{CoerceUnsized, Deref, DerefMut, DispatchFromDyn, Receiver};
384
385 /// A pinned pointer.
386 ///
387 /// This is a wrapper around a kind of pointer which makes that pointer "pin" its
388 /// value in place, preventing the value referenced by that pointer from being moved
389 /// unless it implements [`Unpin`].
390 ///
391 /// *See the [`pin` module] documentation for an explanation of pinning.*
392 ///
393 /// [`Unpin`]: ../../std/marker/trait.Unpin.html
394 /// [`pin` module]: ../../std/pin/index.html
395 //
396 // Note: the `Clone` derive below causes unsoundness as it's possible to implement
397 // `Clone` for mutable references.
398 // See <https://internals.rust-lang.org/t/unsoundness-in-pin/11311> for more details.
399 #[stable(feature = "pin", since = "1.33.0")]
400 #[lang = "pin"]
401 #[fundamental]
402 #[repr(transparent)]
403 #[derive(Copy, Clone)]
404 pub struct Pin<P> {
405     pointer: P,
406 }
407
408 // The following implementations aren't derived in order to avoid soundness
409 // issues. `&self.pointer` should not be accessible to untrusted trait
410 // implementations.
411 //
412 // See <https://internals.rust-lang.org/t/unsoundness-in-pin/11311/73> for more details.
413
414 #[stable(feature = "pin_trait_impls", since = "1.41.0")]
415 impl<P: Deref, Q: Deref> PartialEq<Pin<Q>> for Pin<P>
416 where
417     P::Target: PartialEq<Q::Target>,
418 {
419     fn eq(&self, other: &Pin<Q>) -> bool {
420         P::Target::eq(self, other)
421     }
422
423     fn ne(&self, other: &Pin<Q>) -> bool {
424         P::Target::ne(self, other)
425     }
426 }
427
428 #[stable(feature = "pin_trait_impls", since = "1.41.0")]
429 impl<P: Deref<Target: Eq>> Eq for Pin<P> {}
430
431 #[stable(feature = "pin_trait_impls", since = "1.41.0")]
432 impl<P: Deref, Q: Deref> PartialOrd<Pin<Q>> for Pin<P>
433 where
434     P::Target: PartialOrd<Q::Target>,
435 {
436     fn partial_cmp(&self, other: &Pin<Q>) -> Option<cmp::Ordering> {
437         P::Target::partial_cmp(self, other)
438     }
439
440     fn lt(&self, other: &Pin<Q>) -> bool {
441         P::Target::lt(self, other)
442     }
443
444     fn le(&self, other: &Pin<Q>) -> bool {
445         P::Target::le(self, other)
446     }
447
448     fn gt(&self, other: &Pin<Q>) -> bool {
449         P::Target::gt(self, other)
450     }
451
452     fn ge(&self, other: &Pin<Q>) -> bool {
453         P::Target::ge(self, other)
454     }
455 }
456
457 #[stable(feature = "pin_trait_impls", since = "1.41.0")]
458 impl<P: Deref<Target: Ord>> Ord for Pin<P> {
459     fn cmp(&self, other: &Self) -> cmp::Ordering {
460         P::Target::cmp(self, other)
461     }
462 }
463
464 #[stable(feature = "pin_trait_impls", since = "1.41.0")]
465 impl<P: Deref<Target: Hash>> Hash for Pin<P> {
466     fn hash<H: Hasher>(&self, state: &mut H) {
467         P::Target::hash(self, state);
468     }
469 }
470
471 impl<P: Deref<Target: Unpin>> Pin<P> {
472     /// Construct a new `Pin<P>` around a pointer to some data of a type that
473     /// implements [`Unpin`].
474     ///
475     /// Unlike `Pin::new_unchecked`, this method is safe because the pointer
476     /// `P` dereferences to an [`Unpin`] type, which cancels the pinning guarantees.
477     ///
478     /// [`Unpin`]: ../../std/marker/trait.Unpin.html
479     #[stable(feature = "pin", since = "1.33.0")]
480     #[inline(always)]
481     pub fn new(pointer: P) -> Pin<P> {
482         // Safety: the value pointed to is `Unpin`, and so has no requirements
483         // around pinning.
484         unsafe { Pin::new_unchecked(pointer) }
485     }
486
487     /// Unwraps this `Pin<P>` returning the underlying pointer.
488     ///
489     /// This requires that the data inside this `Pin` is [`Unpin`] so that we
490     /// can ignore the pinning invariants when unwrapping it.
491     ///
492     /// [`Unpin`]: ../../std/marker/trait.Unpin.html
493     #[stable(feature = "pin_into_inner", since = "1.39.0")]
494     #[inline(always)]
495     pub fn into_inner(pin: Pin<P>) -> P {
496         pin.pointer
497     }
498 }
499
500 impl<P: Deref> Pin<P> {
501     /// Construct a new `Pin<P>` around a reference to some data of a type that
502     /// may or may not implement `Unpin`.
503     ///
504     /// If `pointer` dereferences to an `Unpin` type, `Pin::new` should be used
505     /// instead.
506     ///
507     /// # Safety
508     ///
509     /// This constructor is unsafe because we cannot guarantee that the data
510     /// pointed to by `pointer` is pinned, meaning that the data will not be moved or
511     /// its storage invalidated until it gets dropped. If the constructed `Pin<P>` does
512     /// not guarantee that the data `P` points to is pinned, that is a violation of
513     /// the API contract and may lead to undefined behavior in later (safe) operations.
514     ///
515     /// By using this method, you are making a promise about the `P::Deref` and
516     /// `P::DerefMut` implementations, if they exist. Most importantly, they
517     /// must not move out of their `self` arguments: `Pin::as_mut` and `Pin::as_ref`
518     /// will call `DerefMut::deref_mut` and `Deref::deref` *on the pinned pointer*
519     /// and expect these methods to uphold the pinning invariants.
520     /// Moreover, by calling this method you promise that the reference `P`
521     /// dereferences to will not be moved out of again; in particular, it
522     /// must not be possible to obtain a `&mut P::Target` and then
523     /// move out of that reference (using, for example [`mem::swap`]).
524     ///
525     /// For example, calling `Pin::new_unchecked` on an `&'a mut T` is unsafe because
526     /// while you are able to pin it for the given lifetime `'a`, you have no control
527     /// over whether it is kept pinned once `'a` ends:
528     /// ```
529     /// use std::mem;
530     /// use std::pin::Pin;
531     ///
532     /// fn move_pinned_ref<T>(mut a: T, mut b: T) {
533     ///     unsafe {
534     ///         let p: Pin<&mut T> = Pin::new_unchecked(&mut a);
535     ///         // This should mean the pointee `a` can never move again.
536     ///     }
537     ///     mem::swap(&mut a, &mut b);
538     ///     // The address of `a` changed to `b`'s stack slot, so `a` got moved even
539     ///     // though we have previously pinned it! We have violated the pinning API contract.
540     /// }
541     /// ```
542     /// A value, once pinned, must remain pinned forever (unless its type implements `Unpin`).
543     ///
544     /// Similarly, calling `Pin::new_unchecked` on an `Rc<T>` is unsafe because there could be
545     /// aliases to the same data that are not subject to the pinning restrictions:
546     /// ```
547     /// use std::rc::Rc;
548     /// use std::pin::Pin;
549     ///
550     /// fn move_pinned_rc<T>(mut x: Rc<T>) {
551     ///     let pinned = unsafe { Pin::new_unchecked(x.clone()) };
552     ///     {
553     ///         let p: Pin<&T> = pinned.as_ref();
554     ///         // This should mean the pointee can never move again.
555     ///     }
556     ///     drop(pinned);
557     ///     let content = Rc::get_mut(&mut x).unwrap();
558     ///     // Now, if `x` was the only reference, we have a mutable reference to
559     ///     // data that we pinned above, which we could use to move it as we have
560     ///     // seen in the previous example. We have violated the pinning API contract.
561     ///  }
562     ///  ```
563     ///
564     /// [`mem::swap`]: ../../std/mem/fn.swap.html
565     #[stable(feature = "pin", since = "1.33.0")]
566     #[inline(always)]
567     pub unsafe fn new_unchecked(pointer: P) -> Pin<P> {
568         Pin { pointer }
569     }
570
571     /// Gets a pinned shared reference from this pinned pointer.
572     ///
573     /// This is a generic method to go from `&Pin<Pointer<T>>` to `Pin<&T>`.
574     /// It is safe because, as part of the contract of `Pin::new_unchecked`,
575     /// the pointee cannot move after `Pin<Pointer<T>>` got created.
576     /// "Malicious" implementations of `Pointer::Deref` are likewise
577     /// ruled out by the contract of `Pin::new_unchecked`.
578     #[stable(feature = "pin", since = "1.33.0")]
579     #[inline(always)]
580     pub fn as_ref(&self) -> Pin<&P::Target> {
581         // SAFETY: see documentation on this function
582         unsafe { Pin::new_unchecked(&*self.pointer) }
583     }
584
585     /// Unwraps this `Pin<P>` returning the underlying pointer.
586     ///
587     /// # Safety
588     ///
589     /// This function is unsafe. You must guarantee that you will continue to
590     /// treat the pointer `P` as pinned after you call this function, so that
591     /// the invariants on the `Pin` type can be upheld. If the code using the
592     /// resulting `P` does not continue to maintain the pinning invariants that
593     /// is a violation of the API contract and may lead to undefined behavior in
594     /// later (safe) operations.
595     ///
596     /// If the underlying data is [`Unpin`], [`Pin::into_inner`] should be used
597     /// instead.
598     ///
599     /// [`Unpin`]: ../../std/marker/trait.Unpin.html
600     /// [`Pin::into_inner`]: #method.into_inner
601     #[stable(feature = "pin_into_inner", since = "1.39.0")]
602     #[inline(always)]
603     pub unsafe fn into_inner_unchecked(pin: Pin<P>) -> P {
604         pin.pointer
605     }
606 }
607
608 impl<P: DerefMut> Pin<P> {
609     /// Gets a pinned mutable reference from this pinned pointer.
610     ///
611     /// This is a generic method to go from `&mut Pin<Pointer<T>>` to `Pin<&mut T>`.
612     /// It is safe because, as part of the contract of `Pin::new_unchecked`,
613     /// the pointee cannot move after `Pin<Pointer<T>>` got created.
614     /// "Malicious" implementations of `Pointer::DerefMut` are likewise
615     /// ruled out by the contract of `Pin::new_unchecked`.
616     ///
617     /// This method is useful when doing multiple calls to functions that consume the pinned type.
618     ///
619     /// # Example
620     ///
621     /// ```
622     /// use std::pin::Pin;
623     ///
624     /// # struct Type {}
625     /// impl Type {
626     ///     fn method(self: Pin<&mut Self>) {
627     ///         // do something
628     ///     }
629     ///
630     ///     fn call_method_twice(mut self: Pin<&mut Self>) {
631     ///         // `method` consumes `self`, so reborrow the `Pin<&mut Self>` via `as_mut`.
632     ///         self.as_mut().method();
633     ///         self.as_mut().method();
634     ///     }
635     /// }
636     /// ```
637     #[stable(feature = "pin", since = "1.33.0")]
638     #[inline(always)]
639     pub fn as_mut(&mut self) -> Pin<&mut P::Target> {
640         // SAFETY: see documentation on this function
641         unsafe { Pin::new_unchecked(&mut *self.pointer) }
642     }
643
644     /// Assigns a new value to the memory behind the pinned reference.
645     ///
646     /// This overwrites pinned data, but that is okay: its destructor gets
647     /// run before being overwritten, so no pinning guarantee is violated.
648     #[stable(feature = "pin", since = "1.33.0")]
649     #[inline(always)]
650     pub fn set(&mut self, value: P::Target)
651     where
652         P::Target: Sized,
653     {
654         *(self.pointer) = value;
655     }
656 }
657
658 impl<'a, T: ?Sized> Pin<&'a T> {
659     /// Constructs a new pin by mapping the interior value.
660     ///
661     /// For example, if you  wanted to get a `Pin` of a field of something,
662     /// you could use this to get access to that field in one line of code.
663     /// However, there are several gotchas with these "pinning projections";
664     /// see the [`pin` module] documentation for further details on that topic.
665     ///
666     /// # Safety
667     ///
668     /// This function is unsafe. You must guarantee that the data you return
669     /// will not move so long as the argument value does not move (for example,
670     /// because it is one of the fields of that value), and also that you do
671     /// not move out of the argument you receive to the interior function.
672     ///
673     /// [`pin` module]: ../../std/pin/index.html#projections-and-structural-pinning
674     #[stable(feature = "pin", since = "1.33.0")]
675     pub unsafe fn map_unchecked<U, F>(self, func: F) -> Pin<&'a U>
676     where
677         U: ?Sized,
678         F: FnOnce(&T) -> &U,
679     {
680         let pointer = &*self.pointer;
681         let new_pointer = func(pointer);
682
683         // SAFETY: the safety contract for `new_unchecked` must be
684         // upheld by the caller.
685         unsafe { Pin::new_unchecked(new_pointer) }
686     }
687
688     /// Gets a shared reference out of a pin.
689     ///
690     /// This is safe because it is not possible to move out of a shared reference.
691     /// It may seem like there is an issue here with interior mutability: in fact,
692     /// it *is* possible to move a `T` out of a `&RefCell<T>`. However, this is
693     /// not a problem as long as there does not also exist a `Pin<&T>` pointing
694     /// to the same data, and `RefCell<T>` does not let you create a pinned reference
695     /// to its contents. See the discussion on ["pinning projections"] for further
696     /// details.
697     ///
698     /// Note: `Pin` also implements `Deref` to the target, which can be used
699     /// to access the inner value. However, `Deref` only provides a reference
700     /// that lives for as long as the borrow of the `Pin`, not the lifetime of
701     /// the `Pin` itself. This method allows turning the `Pin` into a reference
702     /// with the same lifetime as the original `Pin`.
703     ///
704     /// ["pinning projections"]: ../../std/pin/index.html#projections-and-structural-pinning
705     #[stable(feature = "pin", since = "1.33.0")]
706     #[inline(always)]
707     pub fn get_ref(self) -> &'a T {
708         self.pointer
709     }
710 }
711
712 impl<'a, T: ?Sized> Pin<&'a mut T> {
713     /// Converts this `Pin<&mut T>` into a `Pin<&T>` with the same lifetime.
714     #[stable(feature = "pin", since = "1.33.0")]
715     #[inline(always)]
716     pub fn into_ref(self) -> Pin<&'a T> {
717         Pin { pointer: self.pointer }
718     }
719
720     /// Gets a mutable reference to the data inside of this `Pin`.
721     ///
722     /// This requires that the data inside this `Pin` is `Unpin`.
723     ///
724     /// Note: `Pin` also implements `DerefMut` to the data, which can be used
725     /// to access the inner value. However, `DerefMut` only provides a reference
726     /// that lives for as long as the borrow of the `Pin`, not the lifetime of
727     /// the `Pin` itself. This method allows turning the `Pin` into a reference
728     /// with the same lifetime as the original `Pin`.
729     #[stable(feature = "pin", since = "1.33.0")]
730     #[inline(always)]
731     pub fn get_mut(self) -> &'a mut T
732     where
733         T: Unpin,
734     {
735         self.pointer
736     }
737
738     /// Gets a mutable reference to the data inside of this `Pin`.
739     ///
740     /// # Safety
741     ///
742     /// This function is unsafe. You must guarantee that you will never move
743     /// the data out of the mutable reference you receive when you call this
744     /// function, so that the invariants on the `Pin` type can be upheld.
745     ///
746     /// If the underlying data is `Unpin`, `Pin::get_mut` should be used
747     /// instead.
748     #[stable(feature = "pin", since = "1.33.0")]
749     #[inline(always)]
750     pub unsafe fn get_unchecked_mut(self) -> &'a mut T {
751         self.pointer
752     }
753
754     /// Construct a new pin by mapping the interior value.
755     ///
756     /// For example, if you  wanted to get a `Pin` of a field of something,
757     /// you could use this to get access to that field in one line of code.
758     /// However, there are several gotchas with these "pinning projections";
759     /// see the [`pin` module] documentation for further details on that topic.
760     ///
761     /// # Safety
762     ///
763     /// This function is unsafe. You must guarantee that the data you return
764     /// will not move so long as the argument value does not move (for example,
765     /// because it is one of the fields of that value), and also that you do
766     /// not move out of the argument you receive to the interior function.
767     ///
768     /// [`pin` module]: ../../std/pin/index.html#projections-and-structural-pinning
769     #[stable(feature = "pin", since = "1.33.0")]
770     pub unsafe fn map_unchecked_mut<U, F>(self, func: F) -> Pin<&'a mut U>
771     where
772         U: ?Sized,
773         F: FnOnce(&mut T) -> &mut U,
774     {
775         // SAFETY: the caller is responsible for not moving the
776         // value out of this reference.
777         let pointer = unsafe { Pin::get_unchecked_mut(self) };
778         let new_pointer = func(pointer);
779         // SAFETY: as the value of `this` is guaranteed to not have
780         // been moved out, this call to `new_unchecked` is safe.
781         unsafe { Pin::new_unchecked(new_pointer) }
782     }
783 }
784
785 #[stable(feature = "pin", since = "1.33.0")]
786 impl<P: Deref> Deref for Pin<P> {
787     type Target = P::Target;
788     fn deref(&self) -> &P::Target {
789         Pin::get_ref(Pin::as_ref(self))
790     }
791 }
792
793 #[stable(feature = "pin", since = "1.33.0")]
794 impl<P: DerefMut<Target: Unpin>> DerefMut for Pin<P> {
795     fn deref_mut(&mut self) -> &mut P::Target {
796         Pin::get_mut(Pin::as_mut(self))
797     }
798 }
799
800 #[unstable(feature = "receiver_trait", issue = "none")]
801 impl<P: Receiver> Receiver for Pin<P> {}
802
803 #[stable(feature = "pin", since = "1.33.0")]
804 impl<P: fmt::Debug> fmt::Debug for Pin<P> {
805     fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter<'_>) -> fmt::Result {
806         fmt::Debug::fmt(&self.pointer, f)
807     }
808 }
809
810 #[stable(feature = "pin", since = "1.33.0")]
811 impl<P: fmt::Display> fmt::Display for Pin<P> {
812     fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter<'_>) -> fmt::Result {
813         fmt::Display::fmt(&self.pointer, f)
814     }
815 }
816
817 #[stable(feature = "pin", since = "1.33.0")]
818 impl<P: fmt::Pointer> fmt::Pointer for Pin<P> {
819     fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter<'_>) -> fmt::Result {
820         fmt::Pointer::fmt(&self.pointer, f)
821     }
822 }
823
824 // Note: this means that any impl of `CoerceUnsized` that allows coercing from
825 // a type that impls `Deref<Target=impl !Unpin>` to a type that impls
826 // `Deref<Target=Unpin>` is unsound. Any such impl would probably be unsound
827 // for other reasons, though, so we just need to take care not to allow such
828 // impls to land in std.
829 #[stable(feature = "pin", since = "1.33.0")]
830 impl<P, U> CoerceUnsized<Pin<U>> for Pin<P> where P: CoerceUnsized<U> {}
831
832 #[stable(feature = "pin", since = "1.33.0")]
833 impl<P, U> DispatchFromDyn<Pin<U>> for Pin<P> where P: DispatchFromDyn<U> {}