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[rust.git] / src / librustc / traits / coherence.rs
1 // Copyright 2014 The Rust Project Developers. See the COPYRIGHT
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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 //! See rustc guide chapters on [trait-resolution] and [trait-specialization] for more info on how
12 //! this works.
13 //!
14 //! [trait-resolution]: https://rust-lang.github.io/rustc-guide/traits/resolution.html
15 //! [trait-specialization]: https://rust-lang.github.io/rustc-guide/traits/specialization.html
16
17 use hir::def_id::{DefId, LOCAL_CRATE};
18 use syntax_pos::DUMMY_SP;
19 use traits::{self, Normalized, SelectionContext, Obligation, ObligationCause};
20 use traits::IntercrateMode;
21 use traits::select::IntercrateAmbiguityCause;
22 use ty::{self, Ty, TyCtxt};
23 use ty::fold::TypeFoldable;
24 use ty::subst::Subst;
25
26 use infer::{InferOk};
27
28 /// Whether we do the orphan check relative to this crate or
29 /// to some remote crate.
30 #[derive(Copy, Clone, Debug)]
31 enum InCrate {
32     Local,
33     Remote
34 }
35
36 #[derive(Debug, Copy, Clone)]
37 pub enum Conflict {
38     Upstream,
39     Downstream { used_to_be_broken: bool }
40 }
41
42 pub struct OverlapResult<'tcx> {
43     pub impl_header: ty::ImplHeader<'tcx>,
44     pub intercrate_ambiguity_causes: Vec<IntercrateAmbiguityCause>,
45 }
46
47 /// If there are types that satisfy both impls, invokes `on_overlap`
48 /// with a suitably-freshened `ImplHeader` with those types
49 /// substituted. Otherwise, invokes `no_overlap`.
50 pub fn overlapping_impls<'gcx, F1, F2, R>(
51     tcx: TyCtxt<'_, 'gcx, 'gcx>,
52     impl1_def_id: DefId,
53     impl2_def_id: DefId,
54     intercrate_mode: IntercrateMode,
55     on_overlap: F1,
56     no_overlap: F2,
57 ) -> R
58 where
59     F1: FnOnce(OverlapResult<'_>) -> R,
60     F2: FnOnce() -> R,
61 {
62     debug!("overlapping_impls(\
63            impl1_def_id={:?}, \
64            impl2_def_id={:?},
65            intercrate_mode={:?})",
66            impl1_def_id,
67            impl2_def_id,
68            intercrate_mode);
69
70     let overlaps = tcx.infer_ctxt().enter(|infcx| {
71         let selcx = &mut SelectionContext::intercrate(&infcx, intercrate_mode);
72         overlap(selcx, impl1_def_id, impl2_def_id).is_some()
73     });
74
75     if !overlaps {
76         return no_overlap();
77     }
78
79     // In the case where we detect an error, run the check again, but
80     // this time tracking intercrate ambuiguity causes for better
81     // diagnostics. (These take time and can lead to false errors.)
82     tcx.infer_ctxt().enter(|infcx| {
83         let selcx = &mut SelectionContext::intercrate(&infcx, intercrate_mode);
84         selcx.enable_tracking_intercrate_ambiguity_causes();
85         on_overlap(overlap(selcx, impl1_def_id, impl2_def_id).unwrap())
86     })
87 }
88
89 fn with_fresh_ty_vars<'cx, 'gcx, 'tcx>(selcx: &mut SelectionContext<'cx, 'gcx, 'tcx>,
90                                        param_env: ty::ParamEnv<'tcx>,
91                                        impl_def_id: DefId)
92                                        -> ty::ImplHeader<'tcx>
93 {
94     let tcx = selcx.tcx();
95     let impl_substs = selcx.infcx().fresh_substs_for_item(DUMMY_SP, impl_def_id);
96
97     let header = ty::ImplHeader {
98         impl_def_id,
99         self_ty: tcx.type_of(impl_def_id).subst(tcx, impl_substs),
100         trait_ref: tcx.impl_trait_ref(impl_def_id).subst(tcx, impl_substs),
101         predicates: tcx.predicates_of(impl_def_id).instantiate(tcx, impl_substs).predicates,
102     };
103
104     let Normalized { value: mut header, obligations } =
105         traits::normalize(selcx, param_env, ObligationCause::dummy(), &header);
106
107     header.predicates.extend(obligations.into_iter().map(|o| o.predicate));
108     header
109 }
110
111 /// Can both impl `a` and impl `b` be satisfied by a common type (including
112 /// `where` clauses)? If so, returns an `ImplHeader` that unifies the two impls.
113 fn overlap<'cx, 'gcx, 'tcx>(selcx: &mut SelectionContext<'cx, 'gcx, 'tcx>,
114                             a_def_id: DefId,
115                             b_def_id: DefId)
116                             -> Option<OverlapResult<'tcx>>
117 {
118     debug!("overlap(a_def_id={:?}, b_def_id={:?})", a_def_id, b_def_id);
119
120     // For the purposes of this check, we don't bring any placeholder
121     // types into scope; instead, we replace the generic types with
122     // fresh type variables, and hence we do our evaluations in an
123     // empty environment.
124     let param_env = ty::ParamEnv::empty();
125
126     let a_impl_header = with_fresh_ty_vars(selcx, param_env, a_def_id);
127     let b_impl_header = with_fresh_ty_vars(selcx, param_env, b_def_id);
128
129     debug!("overlap: a_impl_header={:?}", a_impl_header);
130     debug!("overlap: b_impl_header={:?}", b_impl_header);
131
132     // Do `a` and `b` unify? If not, no overlap.
133     let obligations = match selcx.infcx().at(&ObligationCause::dummy(), param_env)
134                                          .eq_impl_headers(&a_impl_header, &b_impl_header)
135     {
136         Ok(InferOk { obligations, value: () }) => obligations,
137         Err(_) => return None
138     };
139
140     debug!("overlap: unification check succeeded");
141
142     // Are any of the obligations unsatisfiable? If so, no overlap.
143     let infcx = selcx.infcx();
144     let opt_failing_obligation =
145         a_impl_header.predicates
146                      .iter()
147                      .chain(&b_impl_header.predicates)
148                      .map(|p| infcx.resolve_type_vars_if_possible(p))
149                      .map(|p| Obligation { cause: ObligationCause::dummy(),
150                                            param_env,
151                                            recursion_depth: 0,
152                                            predicate: p })
153                      .chain(obligations)
154                      .find(|o| !selcx.predicate_may_hold_fatal(o));
155     // FIXME: the call to `selcx.predicate_may_hold_fatal` above should be ported
156     // to the canonical trait query form, `infcx.predicate_may_hold`, once
157     // the new system supports intercrate mode (which coherence needs).
158
159     if let Some(failing_obligation) = opt_failing_obligation {
160         debug!("overlap: obligation unsatisfiable {:?}", failing_obligation);
161         return None
162     }
163
164     let impl_header = selcx.infcx().resolve_type_vars_if_possible(&a_impl_header);
165     let intercrate_ambiguity_causes = selcx.take_intercrate_ambiguity_causes();
166     debug!("overlap: intercrate_ambiguity_causes={:#?}", intercrate_ambiguity_causes);
167     Some(OverlapResult { impl_header, intercrate_ambiguity_causes })
168 }
169
170 pub fn trait_ref_is_knowable<'a, 'gcx, 'tcx>(tcx: TyCtxt<'a, 'gcx, 'tcx>,
171                                              trait_ref: ty::TraitRef<'tcx>)
172                                              -> Option<Conflict>
173 {
174     debug!("trait_ref_is_knowable(trait_ref={:?})", trait_ref);
175     if orphan_check_trait_ref(tcx, trait_ref, InCrate::Remote).is_ok() {
176         // A downstream or cousin crate is allowed to implement some
177         // substitution of this trait-ref.
178
179         // A trait can be implementable for a trait ref by both the current
180         // crate and crates downstream of it. Older versions of rustc
181         // were not aware of this, causing incoherence (issue #43355).
182         let used_to_be_broken =
183             orphan_check_trait_ref(tcx, trait_ref, InCrate::Local).is_ok();
184         if used_to_be_broken {
185             debug!("trait_ref_is_knowable({:?}) - USED TO BE BROKEN", trait_ref);
186         }
187         return Some(Conflict::Downstream { used_to_be_broken });
188     }
189
190     if trait_ref_is_local_or_fundamental(tcx, trait_ref) {
191         // This is a local or fundamental trait, so future-compatibility
192         // is no concern. We know that downstream/cousin crates are not
193         // allowed to implement a substitution of this trait ref, which
194         // means impls could only come from dependencies of this crate,
195         // which we already know about.
196         return None;
197     }
198
199     // This is a remote non-fundamental trait, so if another crate
200     // can be the "final owner" of a substitution of this trait-ref,
201     // they are allowed to implement it future-compatibly.
202     //
203     // However, if we are a final owner, then nobody else can be,
204     // and if we are an intermediate owner, then we don't care
205     // about future-compatibility, which means that we're OK if
206     // we are an owner.
207     if orphan_check_trait_ref(tcx, trait_ref, InCrate::Local).is_ok() {
208         debug!("trait_ref_is_knowable: orphan check passed");
209         return None;
210     } else {
211         debug!("trait_ref_is_knowable: nonlocal, nonfundamental, unowned");
212         return Some(Conflict::Upstream);
213     }
214 }
215
216 pub fn trait_ref_is_local_or_fundamental<'a, 'gcx, 'tcx>(tcx: TyCtxt<'a, 'gcx, 'tcx>,
217                                                          trait_ref: ty::TraitRef<'tcx>)
218                                                          -> bool {
219     trait_ref.def_id.krate == LOCAL_CRATE || tcx.has_attr(trait_ref.def_id, "fundamental")
220 }
221
222 pub enum OrphanCheckErr<'tcx> {
223     NoLocalInputType,
224     UncoveredTy(Ty<'tcx>),
225 }
226
227 /// Checks the coherence orphan rules. `impl_def_id` should be the
228 /// def-id of a trait impl. To pass, either the trait must be local, or else
229 /// two conditions must be satisfied:
230 ///
231 /// 1. All type parameters in `Self` must be "covered" by some local type constructor.
232 /// 2. Some local type must appear in `Self`.
233 pub fn orphan_check<'a, 'gcx, 'tcx>(tcx: TyCtxt<'a, 'gcx, 'tcx>,
234                                     impl_def_id: DefId)
235                                     -> Result<(), OrphanCheckErr<'tcx>>
236 {
237     debug!("orphan_check({:?})", impl_def_id);
238
239     // We only except this routine to be invoked on implementations
240     // of a trait, not inherent implementations.
241     let trait_ref = tcx.impl_trait_ref(impl_def_id).unwrap();
242     debug!("orphan_check: trait_ref={:?}", trait_ref);
243
244     // If the *trait* is local to the crate, ok.
245     if trait_ref.def_id.is_local() {
246         debug!("trait {:?} is local to current crate",
247                trait_ref.def_id);
248         return Ok(());
249     }
250
251     orphan_check_trait_ref(tcx, trait_ref, InCrate::Local)
252 }
253
254 /// Check whether a trait-ref is potentially implementable by a crate.
255 ///
256 /// The current rule is that a trait-ref orphan checks in a crate C:
257 ///
258 /// 1. Order the parameters in the trait-ref in subst order - Self first,
259 ///    others linearly (e.g. `<U as Foo<V, W>>` is U < V < W).
260 /// 2. Of these type parameters, there is at least one type parameter
261 ///    in which, walking the type as a tree, you can reach a type local
262 ///    to C where all types in-between are fundamental types. Call the
263 ///    first such parameter the "local key parameter".
264 ///     - e.g. `Box<LocalType>` is OK, because you can visit LocalType
265 ///       going through `Box`, which is fundamental.
266 ///     - similarly, `FundamentalPair<Vec<()>, Box<LocalType>>` is OK for
267 ///       the same reason.
268 ///     - but (knowing that `Vec<T>` is non-fundamental, and assuming it's
269 ///       not local), `Vec<LocalType>` is bad, because `Vec<->` is between
270 ///       the local type and the type parameter.
271 /// 3. Every type parameter before the local key parameter is fully known in C.
272 ///     - e.g. `impl<T> T: Trait<LocalType>` is bad, because `T` might be
273 ///       an unknown type.
274 ///     - but `impl<T> LocalType: Trait<T>` is OK, because `LocalType`
275 ///       occurs before `T`.
276 /// 4. Every type in the local key parameter not known in C, going
277 ///    through the parameter's type tree, must appear only as a subtree of
278 ///    a type local to C, with only fundamental types between the type
279 ///    local to C and the local key parameter.
280 ///     - e.g. `Vec<LocalType<T>>>` (or equivalently `Box<Vec<LocalType<T>>>`)
281 ///     is bad, because the only local type with `T` as a subtree is
282 ///     `LocalType<T>`, and `Vec<->` is between it and the type parameter.
283 ///     - similarly, `FundamentalPair<LocalType<T>, T>` is bad, because
284 ///     the second occurrence of `T` is not a subtree of *any* local type.
285 ///     - however, `LocalType<Vec<T>>` is OK, because `T` is a subtree of
286 ///     `LocalType<Vec<T>>`, which is local and has no types between it and
287 ///     the type parameter.
288 ///
289 /// The orphan rules actually serve several different purposes:
290 ///
291 /// 1. They enable link-safety - i.e. 2 mutually-unknowing crates (where
292 ///    every type local to one crate is unknown in the other) can't implement
293 ///    the same trait-ref. This follows because it can be seen that no such
294 ///    type can orphan-check in 2 such crates.
295 ///
296 ///    To check that a local impl follows the orphan rules, we check it in
297 ///    InCrate::Local mode, using type parameters for the "generic" types.
298 ///
299 /// 2. They ground negative reasoning for coherence. If a user wants to
300 ///    write both a conditional blanket impl and a specific impl, we need to
301 ///    make sure they do not overlap. For example, if we write
302 ///    ```
303 ///    impl<T> IntoIterator for Vec<T>
304 ///    impl<T: Iterator> IntoIterator for T
305 ///    ```
306 ///    We need to be able to prove that `Vec<$0>: !Iterator` for every type $0.
307 ///    We can observe that this holds in the current crate, but we need to make
308 ///    sure this will also hold in all unknown crates (both "independent" crates,
309 ///    which we need for link-safety, and also child crates, because we don't want
310 ///    child crates to get error for impl conflicts in a *dependency*).
311 ///
312 ///    For that, we only allow negative reasoning if, for every assignment to the
313 ///    inference variables, every unknown crate would get an orphan error if they
314 ///    try to implement this trait-ref. To check for this, we use InCrate::Remote
315 ///    mode. That is sound because we already know all the impls from known crates.
316 ///
317 /// 3. For non-#[fundamental] traits, they guarantee that parent crates can
318 ///    add "non-blanket" impls without breaking negative reasoning in dependent
319 ///    crates. This is the "rebalancing coherence" (RFC 1023) restriction.
320 ///
321 ///    For that, we only a allow crate to perform negative reasoning on
322 ///    non-local-non-#[fundamental] only if there's a local key parameter as per (2).
323 ///
324 ///    Because we never perform negative reasoning generically (coherence does
325 ///    not involve type parameters), this can be interpreted as doing the full
326 ///    orphan check (using InCrate::Local mode), substituting non-local known
327 ///    types for all inference variables.
328 ///
329 ///    This allows for crates to future-compatibly add impls as long as they
330 ///    can't apply to types with a key parameter in a child crate - applying
331 ///    the rules, this basically means that every type parameter in the impl
332 ///    must appear behind a non-fundamental type (because this is not a
333 ///    type-system requirement, crate owners might also go for "semantic
334 ///    future-compatibility" involving things such as sealed traits, but
335 ///    the above requirement is sufficient, and is necessary in "open world"
336 ///    cases).
337 ///
338 /// Note that this function is never called for types that have both type
339 /// parameters and inference variables.
340 fn orphan_check_trait_ref<'tcx>(tcx: TyCtxt<'_, '_, '_>,
341                                 trait_ref: ty::TraitRef<'tcx>,
342                                 in_crate: InCrate)
343                                 -> Result<(), OrphanCheckErr<'tcx>>
344 {
345     debug!("orphan_check_trait_ref(trait_ref={:?}, in_crate={:?})",
346            trait_ref, in_crate);
347
348     if trait_ref.needs_infer() && trait_ref.needs_subst() {
349         bug!("can't orphan check a trait ref with both params and inference variables {:?}",
350              trait_ref);
351     }
352
353     // First, create an ordered iterator over all the type parameters to the trait, with the self
354     // type appearing first.
355     // Find the first input type that either references a type parameter OR
356     // some local type.
357     for input_ty in trait_ref.input_types() {
358         if ty_is_local(tcx, input_ty, in_crate) {
359             debug!("orphan_check_trait_ref: ty_is_local `{:?}`", input_ty);
360
361             // First local input type. Check that there are no
362             // uncovered type parameters.
363             let uncovered_tys = uncovered_tys(tcx, input_ty, in_crate);
364             for uncovered_ty in uncovered_tys {
365                 if let Some(param) = uncovered_ty.walk()
366                     .find(|t| is_possibly_remote_type(t, in_crate))
367                 {
368                     debug!("orphan_check_trait_ref: uncovered type `{:?}`", param);
369                     return Err(OrphanCheckErr::UncoveredTy(param));
370                 }
371             }
372
373             // OK, found local type, all prior types upheld invariant.
374             return Ok(());
375         }
376
377         // Otherwise, enforce invariant that there are no type
378         // parameters reachable.
379         if let Some(param) = input_ty.walk()
380             .find(|t| is_possibly_remote_type(t, in_crate))
381         {
382             debug!("orphan_check_trait_ref: uncovered type `{:?}`", param);
383             return Err(OrphanCheckErr::UncoveredTy(param));
384         }
385     }
386
387     // If we exit above loop, never found a local type.
388     debug!("orphan_check_trait_ref: no local type");
389     return Err(OrphanCheckErr::NoLocalInputType);
390 }
391
392 fn uncovered_tys<'tcx>(tcx: TyCtxt<'_, '_, '_>, ty: Ty<'tcx>, in_crate: InCrate)
393                        -> Vec<Ty<'tcx>> {
394     if ty_is_local_constructor(ty, in_crate) {
395         vec![]
396     } else if fundamental_ty(tcx, ty) {
397         ty.walk_shallow()
398           .flat_map(|t| uncovered_tys(tcx, t, in_crate))
399           .collect()
400     } else {
401         vec![ty]
402     }
403 }
404
405 fn is_possibly_remote_type(ty: Ty<'_>, _in_crate: InCrate) -> bool {
406     match ty.sty {
407         ty::Projection(..) | ty::Param(..) => true,
408         _ => false,
409     }
410 }
411
412 fn ty_is_local(tcx: TyCtxt<'_, '_, '_>, ty: Ty<'_>, in_crate: InCrate) -> bool {
413     ty_is_local_constructor(ty, in_crate) ||
414         fundamental_ty(tcx, ty) && ty.walk_shallow().any(|t| ty_is_local(tcx, t, in_crate))
415 }
416
417 fn fundamental_ty(tcx: TyCtxt<'_, '_, '_>, ty: Ty<'_>) -> bool {
418     match ty.sty {
419         ty::Ref(..) => true,
420         ty::Adt(def, _) => def.is_fundamental(),
421         ty::Dynamic(ref data, ..) => tcx.has_attr(data.principal().def_id(), "fundamental"),
422         _ => false
423     }
424 }
425
426 fn def_id_is_local(def_id: DefId, in_crate: InCrate) -> bool {
427     match in_crate {
428         // The type is local to *this* crate - it will not be
429         // local in any other crate.
430         InCrate::Remote => false,
431         InCrate::Local => def_id.is_local()
432     }
433 }
434
435 fn ty_is_local_constructor(ty: Ty<'_>, in_crate: InCrate) -> bool {
436     debug!("ty_is_local_constructor({:?})", ty);
437
438     match ty.sty {
439         ty::Bool |
440         ty::Char |
441         ty::Int(..) |
442         ty::Uint(..) |
443         ty::Float(..) |
444         ty::Str |
445         ty::FnDef(..) |
446         ty::FnPtr(_) |
447         ty::Array(..) |
448         ty::Slice(..) |
449         ty::RawPtr(..) |
450         ty::Ref(..) |
451         ty::Never |
452         ty::Tuple(..) |
453         ty::Param(..) |
454         ty::Projection(..) => {
455             false
456         }
457
458         ty::Placeholder(..) | ty::Bound(..) | ty::Infer(..) => match in_crate {
459             InCrate::Local => false,
460             // The inference variable might be unified with a local
461             // type in that remote crate.
462             InCrate::Remote => true,
463         },
464
465         ty::Adt(def, _) => def_id_is_local(def.did, in_crate),
466         ty::Foreign(did) => def_id_is_local(did, in_crate),
467
468         ty::Dynamic(ref tt, ..) => def_id_is_local(tt.principal().def_id(), in_crate),
469
470         ty::Error => true,
471
472         ty::UnnormalizedProjection(..) |
473         ty::Closure(..) |
474         ty::Generator(..) |
475         ty::GeneratorWitness(..) |
476         ty::Opaque(..) => {
477             bug!("ty_is_local invoked on unexpected type: {:?}", ty)
478         }
479     }
480 }