src/machine.rs

   1 //! Global machine state as well as implementation of the interpreter engine
   2 //! `Machine` trait.
   3
   4 use std::borrow::Cow;
   5 use std::cell::RefCell;
   6 use std::rc::Rc;
   7
   8 use rand::rngs::StdRng;
   9
  10 use rustc::hir::def_id::DefId;
  11 use rustc::ty::{self, layout::{Size, LayoutOf}, Ty, TyCtxt};
  12 use rustc::mir;
  13 use syntax::{attr, source_map::Span, symbol::sym};
  14
  15 use crate::*;
  16
  17 // Some global facts about the emulated machine.
  18 pub const PAGE_SIZE: u64 = 4 * 1024; // FIXME: adjust to target architecture
  19 pub const STACK_ADDR: u64 = 32 * PAGE_SIZE; // not really about the "stack", but where we start assigning integer addresses to allocations
  20 pub const STACK_SIZE: u64 = 16 * PAGE_SIZE; // whatever
  21 pub const NUM_CPUS: u64 = 1;
  22
  23 /// Extra data stored with each stack frame
  24 #[derive(Debug)]
  25 pub struct FrameData<'tcx> {
  26     /// Extra data for Stacked Borrows.
  27     pub call_id: stacked_borrows::CallId,
  28
  29     /// If this is Some(), then this is a special "catch unwind" frame (the frame of the closure
  30     /// called by `__rustc_maybe_catch_panic`). When this frame is popped during unwinding a panic,
  31     /// we stop unwinding, use the `CatchUnwindData` to
  32     /// store the panic payload, and continue execution in the parent frame.
  33     pub catch_panic: Option<CatchUnwindData<'tcx>>,
  34 }
  35
  36
  37 /// Extra memory kinds
  38 #[derive(Debug, Copy, Clone, PartialEq, Eq)]
  39 pub enum MiriMemoryKind {
  40     /// `__rust_alloc` memory.
  41     Rust,
  42     /// `malloc` memory.
  43     C,
  44     /// Windows `HeapAlloc` memory.
  45     WinHeap,
  46     /// Memory for env vars and args, errno and other parts of the machine-managed environment.
  47     Env,
  48     /// Rust statics.
  49     Static,
  50 }
  51
  52 impl Into<MemoryKind<MiriMemoryKind>> for MiriMemoryKind {
  53     #[inline(always)]
  54     fn into(self) -> MemoryKind<MiriMemoryKind> {
  55         MemoryKind::Machine(self)
  56     }
  57 }
  58
  59 /// Extra per-allocation data
  60 #[derive(Debug, Clone)]
  61 pub struct AllocExtra {
  62     /// Stacked Borrows state is only added if validation is enabled.
  63     pub stacked_borrows: Option<stacked_borrows::AllocExtra>,
  64 }
  65
  66 /// Extra global memory data
  67 #[derive(Clone, Debug)]
  68 pub struct MemoryExtra {
  69     pub stacked_borrows: stacked_borrows::MemoryExtra,
  70     pub intptrcast: intptrcast::MemoryExtra,
  71
  72     /// The random number generator used for resolving non-determinism.
  73     pub(crate) rng: RefCell<StdRng>,
  74
  75     /// Whether to enforce the validity invariant.
  76     pub(crate) validate: bool,
  77 }
  78
  79 impl MemoryExtra {
  80     pub fn new(rng: StdRng, validate: bool) -> Self {
  81         MemoryExtra {
  82             stacked_borrows: Default::default(),
  83             intptrcast: Default::default(),
  84             rng: RefCell::new(rng),
  85             validate,
  86         }
  87     }
  88 }
  89
  90 /// The machine itself.
  91 pub struct Evaluator<'tcx> {
  92     /// Environment variables set by `setenv`.
  93     /// Miri does not expose env vars from the host to the emulated program.
  94     pub(crate) env_vars: EnvVars,
  95
  96     /// Program arguments (`Option` because we can only initialize them after creating the ecx).
  97     /// These are *pointers* to argc/argv because macOS.
  98     /// We also need the full command line as one string because of Windows.
  99     pub(crate) argc: Option<Scalar<Tag>>,
 100     pub(crate) argv: Option<Scalar<Tag>>,
 101     pub(crate) cmd_line: Option<Scalar<Tag>>,
 102
 103     /// Last OS error location in memory. It is a 32-bit integer.
 104     pub(crate) last_error: Option<MPlaceTy<'tcx, Tag>>,
 105
 106     /// TLS state.
 107     pub(crate) tls: TlsData<'tcx>,
 108
 109     /// If enabled, the `env_vars` field is populated with the host env vars during initialization
 110     /// and random number generation is delegated to the host.
 111     pub(crate) communicate: bool,
 112
 113     pub(crate) file_handler: FileHandler,
 114
 115     /// The temporary used for storing the argument of
 116     /// the call to `miri_start_panic` (the panic payload) when unwinding.
 117     pub(crate) panic_payload: Option<ImmTy<'tcx, Tag>>
 118 }
 119
 120 impl<'tcx> Evaluator<'tcx> {
 121     pub(crate) fn new(communicate: bool) -> Self {
 122         Evaluator {
 123             // `env_vars` could be initialized properly here if `Memory` were available before
 124             // calling this method.
 125             env_vars: EnvVars::default(),
 126             argc: None,
 127             argv: None,
 128             cmd_line: None,
 129             last_error: None,
 130             tls: TlsData::default(),
 131             communicate,
 132             file_handler: Default::default(),
 133             panic_payload: None
 134         }
 135     }
 136 }
 137
 138 /// A rustc InterpCx for Miri.
 139 pub type MiriEvalContext<'mir, 'tcx> = InterpCx<'mir, 'tcx, Evaluator<'tcx>>;
 140
 141 /// A little trait that's useful to be inherited by extension traits.
 142 pub trait MiriEvalContextExt<'mir, 'tcx> {
 143     fn eval_context_ref<'a>(&'a self) -> &'a MiriEvalContext<'mir, 'tcx>;
 144     fn eval_context_mut<'a>(&'a mut self) -> &'a mut MiriEvalContext<'mir, 'tcx>;
 145 }
 146 impl<'mir, 'tcx> MiriEvalContextExt<'mir, 'tcx> for MiriEvalContext<'mir, 'tcx> {
 147     #[inline(always)]
 148     fn eval_context_ref(&self) -> &MiriEvalContext<'mir, 'tcx> {
 149         self
 150     }
 151     #[inline(always)]
 152     fn eval_context_mut(&mut self) -> &mut MiriEvalContext<'mir, 'tcx> {
 153         self
 154     }
 155 }
 156
 157 /// Machine hook implementations.
 158 impl<'mir, 'tcx> Machine<'mir, 'tcx> for Evaluator<'tcx> {
 159     type MemoryKinds = MiriMemoryKind;
 160
 161     type FrameExtra = FrameData<'tcx>;
 162     type MemoryExtra = MemoryExtra;
 163     type AllocExtra = AllocExtra;
 164     type PointerTag = Tag;
 165     type ExtraFnVal = Dlsym;
 166
 167     type MemoryMap = MonoHashMap<
 168         AllocId,
 169         (
 170             MemoryKind<MiriMemoryKind>,
 171             Allocation<Tag, Self::AllocExtra>,
 172         ),
 173     >;
 174
 175     const STATIC_KIND: Option<MiriMemoryKind> = Some(MiriMemoryKind::Static);
 176
 177     const CHECK_ALIGN: bool = true;
 178
 179     #[inline(always)]
 180     fn enforce_validity(ecx: &InterpCx<'mir, 'tcx, Self>) -> bool {
 181         ecx.memory.extra.validate
 182     }
 183
 184     #[inline(always)]
 185     fn find_fn(
 186         ecx: &mut InterpCx<'mir, 'tcx, Self>,
 187         instance: ty::Instance<'tcx>,
 188         args: &[OpTy<'tcx, Tag>],
 189         ret: Option<(PlaceTy<'tcx, Tag>, mir::BasicBlock)>,
 190         unwind: Option<mir::BasicBlock>,
 191     ) -> InterpResult<'tcx, Option<&'mir mir::Body<'tcx>>> {
 192         ecx.find_fn(instance, args, ret, unwind)
 193     }
 194
 195     #[inline(always)]
 196     fn call_extra_fn(
 197         ecx: &mut InterpCx<'mir, 'tcx, Self>,
 198         fn_val: Dlsym,
 199         args: &[OpTy<'tcx, Tag>],
 200         ret: Option<(PlaceTy<'tcx, Tag>, mir::BasicBlock)>,
 201         _unwind: Option<mir::BasicBlock>,
 202     ) -> InterpResult<'tcx> {
 203         ecx.call_dlsym(fn_val, args, ret)
 204     }
 205
 206     #[inline(always)]
 207     fn call_intrinsic(
 208         ecx: &mut rustc_mir::interpret::InterpCx<'mir, 'tcx, Self>,
 209         span: Span,
 210         instance: ty::Instance<'tcx>,
 211         args: &[OpTy<'tcx, Tag>],
 212         ret: Option<(PlaceTy<'tcx, Tag>, mir::BasicBlock)>,
 213         unwind: Option<mir::BasicBlock>,
 214     ) -> InterpResult<'tcx> {
 215         ecx.call_intrinsic(span, instance, args, ret, unwind)
 216     }
 217
 218     #[inline(always)]
 219     fn assert_panic(
 220         ecx: &mut InterpCx<'mir, 'tcx, Self>,
 221         span: Span,
 222         msg: &AssertMessage<'tcx>,
 223         unwind: Option<mir::BasicBlock>,
 224     ) -> InterpResult<'tcx> {
 225         ecx.assert_panic(span, msg, unwind)
 226     }
 227
 228     #[inline(always)]
 229     fn binary_ptr_op(
 230         ecx: &rustc_mir::interpret::InterpCx<'mir, 'tcx, Self>,
 231         bin_op: mir::BinOp,
 232         left: ImmTy<'tcx, Tag>,
 233         right: ImmTy<'tcx, Tag>,
 234     ) -> InterpResult<'tcx, (Scalar<Tag>, bool, Ty<'tcx>)> {
 235         ecx.binary_ptr_op(bin_op, left, right)
 236     }
 237
 238     fn box_alloc(
 239         ecx: &mut InterpCx<'mir, 'tcx, Self>,
 240         dest: PlaceTy<'tcx, Tag>,
 241     ) -> InterpResult<'tcx> {
 242         trace!("box_alloc for {:?}", dest.layout.ty);
 243         let layout = ecx.layout_of(dest.layout.ty.builtin_deref(false).unwrap().ty)?;
 244         // First argument: `size`.
 245         // (`0` is allowed here -- this is expected to be handled by the lang item).
 246         let size = Scalar::from_uint(layout.size.bytes(), ecx.pointer_size());
 247
 248         // Second argument: `align`.
 249         let align = Scalar::from_uint(layout.align.abi.bytes(), ecx.pointer_size());
 250
 251         // Call the `exchange_malloc` lang item.
 252         let malloc = ecx.tcx.lang_items().exchange_malloc_fn().unwrap();
 253         let malloc = ty::Instance::mono(ecx.tcx.tcx, malloc);
 254         ecx.call_function(
 255             malloc,
 256             &[size.into(), align.into()],
 257             Some(dest),
 258             // Don't do anything when we are done. The `statement()` function will increment
 259             // the old stack frame's stmt counter to the next statement, which means that when
 260             // `exchange_malloc` returns, we go on evaluating exactly where we want to be.
 261             StackPopCleanup::None { cleanup: true },
 262         )?;
 263         Ok(())
 264     }
 265
 266     fn find_foreign_static(
 267         tcx: TyCtxt<'tcx>,
 268         def_id: DefId,
 269     ) -> InterpResult<'tcx, Cow<'tcx, Allocation>> {
 270         let attrs = tcx.get_attrs(def_id);
 271         let link_name = match attr::first_attr_value_str_by_name(&attrs, sym::link_name) {
 272             Some(name) => name.as_str(),
 273             None => tcx.item_name(def_id).as_str(),
 274         };
 275
 276         let alloc = match &*link_name {
 277             "__cxa_thread_atexit_impl" => {
 278                 // This should be all-zero, pointer-sized.
 279                 let size = tcx.data_layout.pointer_size;
 280                 let data = vec![0; size.bytes() as usize];
 281                 Allocation::from_bytes(&data, tcx.data_layout.pointer_align.abi)
 282             }
 283             _ => throw_unsup_format!("can't access foreign static: {}", link_name),
 284         };
 285         Ok(Cow::Owned(alloc))
 286     }
 287
 288     #[inline(always)]
 289     fn before_terminator(_ecx: &mut InterpCx<'mir, 'tcx, Self>) -> InterpResult<'tcx> {
 290         // We are not interested in detecting loops.
 291         Ok(())
 292     }
 293
 294     fn init_allocation_extra<'b>(
 295         memory_extra: &MemoryExtra,
 296         id: AllocId,
 297         alloc: Cow<'b, Allocation>,
 298         kind: Option<MemoryKind<Self::MemoryKinds>>,
 299     ) -> (Cow<'b, Allocation<Self::PointerTag, Self::AllocExtra>>, Self::PointerTag) {
 300         let kind = kind.expect("we set our STATIC_KIND so this cannot be None");
 301         let alloc = alloc.into_owned();
 302         let (stacks, base_tag) = if memory_extra.validate {
 303             let (stacks, base_tag) = Stacks::new_allocation(
 304                 id,
 305                 alloc.size,
 306                 Rc::clone(&memory_extra.stacked_borrows),
 307                 kind,
 308             );
 309             (Some(stacks), base_tag)
 310         } else {
 311             // No stacks, no tag.
 312             (None, Tag::Untagged)
 313         };
 314         let mut stacked_borrows = memory_extra.stacked_borrows.borrow_mut();
 315         let alloc: Allocation<Tag, Self::AllocExtra> = alloc.with_tags_and_extra(
 316             |alloc| {
 317                 if !memory_extra.validate {
 318                     Tag::Untagged
 319                 } else {
 320                     // Only statics may already contain pointers at this point
 321                     assert_eq!(kind, MiriMemoryKind::Static.into());
 322                     stacked_borrows.static_base_ptr(alloc)
 323                 }
 324             },
 325             AllocExtra {
 326                 stacked_borrows: stacks,
 327             },
 328         );
 329         (Cow::Owned(alloc), base_tag)
 330     }
 331
 332     #[inline(always)]
 333     fn tag_static_base_pointer(memory_extra: &MemoryExtra, id: AllocId) -> Self::PointerTag {
 334         if !memory_extra.validate {
 335             Tag::Untagged
 336         } else {
 337             memory_extra
 338                 .stacked_borrows
 339                 .borrow_mut()
 340                 .static_base_ptr(id)
 341         }
 342     }
 343
 344     #[inline(always)]
 345     fn retag(
 346         ecx: &mut InterpCx<'mir, 'tcx, Self>,
 347         kind: mir::RetagKind,
 348         place: PlaceTy<'tcx, Tag>,
 349     ) -> InterpResult<'tcx> {
 350         if !Self::enforce_validity(ecx) {
 351             // No tracking.
 352             Ok(())
 353         } else {
 354             ecx.retag(kind, place)
 355         }
 356     }
 357
 358     #[inline(always)]
 359     fn stack_push(
 360         ecx: &mut InterpCx<'mir, 'tcx, Self>,
 361     ) -> InterpResult<'tcx, FrameData<'tcx>> {
 362         Ok(FrameData {
 363             call_id: ecx.memory.extra.stacked_borrows.borrow_mut().new_call(),
 364             catch_panic: None,
 365         })
 366     }
 367
 368     #[inline(always)]
 369     fn stack_pop(
 370         ecx: &mut InterpCx<'mir, 'tcx, Self>,
 371         extra: FrameData<'tcx>,
 372         unwinding: bool
 373     ) -> InterpResult<'tcx, StackPopInfo> {
 374         ecx.handle_stack_pop(extra, unwinding)
 375     }
 376
 377     #[inline(always)]
 378     fn int_to_ptr(
 379         memory: &Memory<'mir, 'tcx, Self>,
 380         int: u64,
 381     ) -> InterpResult<'tcx, Pointer<Self::PointerTag>> {
 382         intptrcast::GlobalState::int_to_ptr(int, memory)
 383     }
 384
 385     #[inline(always)]
 386     fn ptr_to_int(
 387         memory: &Memory<'mir, 'tcx, Self>,
 388         ptr: Pointer<Self::PointerTag>,
 389     ) -> InterpResult<'tcx, u64> {
 390         intptrcast::GlobalState::ptr_to_int(ptr, memory)
 391     }
 392 }
 393
 394 impl AllocationExtra<Tag> for AllocExtra {
 395     #[inline(always)]
 396     fn memory_read<'tcx>(
 397         alloc: &Allocation<Tag, AllocExtra>,
 398         ptr: Pointer<Tag>,
 399         size: Size,
 400     ) -> InterpResult<'tcx> {
 401         if let Some(ref stacked_borrows) = alloc.extra.stacked_borrows {
 402             stacked_borrows.memory_read(ptr, size)
 403         } else {
 404             Ok(())
 405         }
 406     }
 407
 408     #[inline(always)]
 409     fn memory_written<'tcx>(
 410         alloc: &mut Allocation<Tag, AllocExtra>,
 411         ptr: Pointer<Tag>,
 412         size: Size,
 413     ) -> InterpResult<'tcx> {
 414         if let Some(ref mut stacked_borrows) = alloc.extra.stacked_borrows {
 415             stacked_borrows.memory_written(ptr, size)
 416         } else {
 417             Ok(())
 418         }
 419     }
 420
 421     #[inline(always)]
 422     fn memory_deallocated<'tcx>(
 423         alloc: &mut Allocation<Tag, AllocExtra>,
 424         ptr: Pointer<Tag>,
 425         size: Size,
 426     ) -> InterpResult<'tcx> {
 427         if let Some(ref mut stacked_borrows) = alloc.extra.stacked_borrows {
 428             stacked_borrows.memory_deallocated(ptr, size)
 429         } else {
 430             Ok(())
 431         }
 432     }
 433 }
 434
 435 impl MayLeak for MiriMemoryKind {
 436     #[inline(always)]
 437     fn may_leak(self) -> bool {
 438         use self::MiriMemoryKind::*;
 439         match self {
 440             Rust | C | WinHeap => false,
 441             Env | Static => true,
 442         }
 443     }
 444 }