]> git.lizzy.rs Git - rust.git/blob - src/shims/tls.rs
format much of Miri
[rust.git] / src / shims / tls.rs
1 //! Implement thread-local storage.
2
3 use std::collections::btree_map::Entry as BTreeEntry;
4 use std::collections::hash_map::Entry as HashMapEntry;
5 use std::collections::BTreeMap;
6
7 use log::trace;
8
9 use rustc_data_structures::fx::FxHashMap;
10 use rustc_middle::ty;
11 use rustc_target::abi::{HasDataLayout, Size};
12 use rustc_target::spec::abi::Abi;
13
14 use crate::*;
15
16 pub type TlsKey = u128;
17
18 #[derive(Clone, Debug)]
19 pub struct TlsEntry<'tcx> {
20     /// The data for this key. None is used to represent NULL.
21     /// (We normalize this early to avoid having to do a NULL-ptr-test each time we access the data.)
22     data: BTreeMap<ThreadId, Scalar<Tag>>,
23     dtor: Option<ty::Instance<'tcx>>,
24 }
25
26 #[derive(Clone, Debug)]
27 struct RunningDtorsState {
28     /// The last TlsKey used to retrieve a TLS destructor. `None` means that we
29     /// have not tried to retrieve a TLS destructor yet or that we already tried
30     /// all keys.
31     last_dtor_key: Option<TlsKey>,
32 }
33
34 #[derive(Debug)]
35 pub struct TlsData<'tcx> {
36     /// The Key to use for the next thread-local allocation.
37     next_key: TlsKey,
38
39     /// pthreads-style thread-local storage.
40     keys: BTreeMap<TlsKey, TlsEntry<'tcx>>,
41
42     /// A single per thread destructor of the thread local storage (that's how
43     /// things work on macOS) with a data argument.
44     macos_thread_dtors: BTreeMap<ThreadId, (ty::Instance<'tcx>, Scalar<Tag>)>,
45
46     /// State for currently running TLS dtors. If this map contains a key for a
47     /// specific thread, it means that we are in the "destruct" phase, during
48     /// which some operations are UB.
49     dtors_running: FxHashMap<ThreadId, RunningDtorsState>,
50 }
51
52 impl<'tcx> Default for TlsData<'tcx> {
53     fn default() -> Self {
54         TlsData {
55             next_key: 1, // start with 1 as we must not use 0 on Windows
56             keys: Default::default(),
57             macos_thread_dtors: Default::default(),
58             dtors_running: Default::default(),
59         }
60     }
61 }
62
63 impl<'tcx> TlsData<'tcx> {
64     /// Generate a new TLS key with the given destructor.
65     /// `max_size` determines the integer size the key has to fit in.
66     pub fn create_tls_key(
67         &mut self,
68         dtor: Option<ty::Instance<'tcx>>,
69         max_size: Size,
70     ) -> InterpResult<'tcx, TlsKey> {
71         let new_key = self.next_key;
72         self.next_key += 1;
73         self.keys.try_insert(new_key, TlsEntry { data: Default::default(), dtor }).unwrap();
74         trace!("New TLS key allocated: {} with dtor {:?}", new_key, dtor);
75
76         if max_size.bits() < 128 && new_key >= (1u128 << max_size.bits() as u128) {
77             throw_unsup_format!("we ran out of TLS key space");
78         }
79         Ok(new_key)
80     }
81
82     pub fn delete_tls_key(&mut self, key: TlsKey) -> InterpResult<'tcx> {
83         match self.keys.remove(&key) {
84             Some(_) => {
85                 trace!("TLS key {} removed", key);
86                 Ok(())
87             }
88             None => throw_ub_format!("removing a non-existig TLS key: {}", key),
89         }
90     }
91
92     pub fn load_tls(
93         &self,
94         key: TlsKey,
95         thread_id: ThreadId,
96         cx: &impl HasDataLayout,
97     ) -> InterpResult<'tcx, Scalar<Tag>> {
98         match self.keys.get(&key) {
99             Some(TlsEntry { data, .. }) => {
100                 let value = data.get(&thread_id).copied();
101                 trace!("TLS key {} for thread {:?} loaded: {:?}", key, thread_id, value);
102                 Ok(value.unwrap_or_else(|| Scalar::null_ptr(cx).into()))
103             }
104             None => throw_ub_format!("loading from a non-existing TLS key: {}", key),
105         }
106     }
107
108     pub fn store_tls(
109         &mut self,
110         key: TlsKey,
111         thread_id: ThreadId,
112         new_data: Option<Scalar<Tag>>,
113     ) -> InterpResult<'tcx> {
114         match self.keys.get_mut(&key) {
115             Some(TlsEntry { data, .. }) => {
116                 match new_data {
117                     Some(scalar) => {
118                         trace!("TLS key {} for thread {:?} stored: {:?}", key, thread_id, scalar);
119                         data.insert(thread_id, scalar);
120                     }
121                     None => {
122                         trace!("TLS key {} for thread {:?} removed", key, thread_id);
123                         data.remove(&thread_id);
124                     }
125                 }
126                 Ok(())
127             }
128             None => throw_ub_format!("storing to a non-existing TLS key: {}", key),
129         }
130     }
131
132     /// Set the thread wide destructor of the thread local storage for the given
133     /// thread. This function is used to implement `_tlv_atexit` shim on MacOS.
134     ///
135     /// Thread wide dtors are available only on MacOS. There is one destructor
136     /// per thread as can be guessed from the following comment in the
137     /// [`_tlv_atexit`
138     /// implementation](https://github.com/opensource-apple/dyld/blob/195030646877261f0c8c7ad8b001f52d6a26f514/src/threadLocalVariables.c#L389):
139     ///
140     ///     // NOTE: this does not need locks because it only operates on current thread data
141     pub fn set_macos_thread_dtor(
142         &mut self,
143         thread: ThreadId,
144         dtor: ty::Instance<'tcx>,
145         data: Scalar<Tag>,
146     ) -> InterpResult<'tcx> {
147         if self.dtors_running.contains_key(&thread) {
148             // UB, according to libstd docs.
149             throw_ub_format!(
150                 "setting thread's local storage destructor while destructors are already running"
151             );
152         }
153         if self.macos_thread_dtors.insert(thread, (dtor, data)).is_some() {
154             throw_unsup_format!(
155                 "setting more than one thread local storage destructor for the same thread is not supported"
156             );
157         }
158         Ok(())
159     }
160
161     /// Returns a dtor, its argument and its index, if one is supposed to run.
162     /// `key` is the last dtors that was run; we return the *next* one after that.
163     ///
164     /// An optional destructor function may be associated with each key value.
165     /// At thread exit, if a key value has a non-NULL destructor pointer,
166     /// and the thread has a non-NULL value associated with that key,
167     /// the value of the key is set to NULL, and then the function pointed
168     /// to is called with the previously associated value as its sole argument.
169     /// The order of destructor calls is unspecified if more than one destructor
170     /// exists for a thread when it exits.
171     ///
172     /// If, after all the destructors have been called for all non-NULL values
173     /// with associated destructors, there are still some non-NULL values with
174     /// associated destructors, then the process is repeated.
175     /// If, after at least {PTHREAD_DESTRUCTOR_ITERATIONS} iterations of destructor
176     /// calls for outstanding non-NULL values, there are still some non-NULL values
177     /// with associated destructors, implementations may stop calling destructors,
178     /// or they may continue calling destructors until no non-NULL values with
179     /// associated destructors exist, even though this might result in an infinite loop.
180     fn fetch_tls_dtor(
181         &mut self,
182         key: Option<TlsKey>,
183         thread_id: ThreadId,
184     ) -> Option<(ty::Instance<'tcx>, Scalar<Tag>, TlsKey)> {
185         use std::ops::Bound::*;
186
187         let thread_local = &mut self.keys;
188         let start = match key {
189             Some(key) => Excluded(key),
190             None => Unbounded,
191         };
192         for (&key, TlsEntry { data, dtor }) in thread_local.range_mut((start, Unbounded)) {
193             match data.entry(thread_id) {
194                 BTreeEntry::Occupied(entry) => {
195                     if let Some(dtor) = dtor {
196                         // Set TLS data to NULL, and call dtor with old value.
197                         let data_scalar = entry.remove();
198                         let ret = Some((*dtor, data_scalar, key));
199                         return ret;
200                     }
201                 }
202                 BTreeEntry::Vacant(_) => {}
203             }
204         }
205         None
206     }
207
208     /// Set that dtors are running for `thread`. It is guaranteed not to change
209     /// the existing values stored in `dtors_running` for this thread. Returns
210     /// `true` if dtors for `thread` are already running.
211     fn set_dtors_running_for_thread(&mut self, thread: ThreadId) -> bool {
212         match self.dtors_running.entry(thread) {
213             HashMapEntry::Occupied(_) => true,
214             HashMapEntry::Vacant(entry) => {
215                 // We cannot just do `self.dtors_running.insert` because that
216                 // would overwrite `last_dtor_key` with `None`.
217                 entry.insert(RunningDtorsState { last_dtor_key: None });
218                 false
219             }
220         }
221     }
222
223     /// Delete all TLS entries for the given thread. This function should be
224     /// called after all TLS destructors have already finished.
225     fn delete_all_thread_tls(&mut self, thread_id: ThreadId) {
226         for TlsEntry { data, .. } in self.keys.values_mut() {
227             data.remove(&thread_id);
228         }
229     }
230 }
231
232 impl<'mir, 'tcx: 'mir> EvalContextPrivExt<'mir, 'tcx> for crate::MiriEvalContext<'mir, 'tcx> {}
233 trait EvalContextPrivExt<'mir, 'tcx: 'mir>: crate::MiriEvalContextExt<'mir, 'tcx> {
234     /// Schedule TLS destructors for the main thread on Windows. The
235     /// implementation assumes that we do not support concurrency on Windows
236     /// yet.
237     fn schedule_windows_tls_dtors(&mut self) -> InterpResult<'tcx> {
238         let this = self.eval_context_mut();
239         let active_thread = this.get_active_thread();
240         assert_eq!(this.get_total_thread_count(), 1, "concurrency on Windows is not supported");
241         // Windows has a special magic linker section that is run on certain events.
242         // Instead of searching for that section and supporting arbitrary hooks in there
243         // (that would be basically https://github.com/rust-lang/miri/issues/450),
244         // we specifically look up the static in libstd that we know is placed
245         // in that section.
246         let thread_callback = this.eval_path_scalar(&[
247             "std",
248             "sys",
249             "windows",
250             "thread_local_key",
251             "p_thread_callback",
252         ])?;
253         let thread_callback = this.memory.get_fn(thread_callback.check_init()?)?.as_instance()?;
254
255         // The signature of this function is `unsafe extern "system" fn(h: c::LPVOID, dwReason: c::DWORD, pv: c::LPVOID)`.
256         let reason = this.eval_path_scalar(&["std", "sys", "windows", "c", "DLL_THREAD_DETACH"])?;
257         let ret_place = MPlaceTy::dangling(this.machine.layouts.unit, this).into();
258         this.call_function(
259             thread_callback,
260             Abi::System { unwind: false },
261             &[Scalar::null_ptr(this).into(), reason.into(), Scalar::null_ptr(this).into()],
262             Some(&ret_place),
263             StackPopCleanup::None { cleanup: true },
264         )?;
265
266         this.enable_thread(active_thread);
267         Ok(())
268     }
269
270     /// Schedule the MacOS thread destructor of the thread local storage to be
271     /// executed. Returns `true` if scheduled.
272     ///
273     /// Note: It is safe to call this function also on other Unixes.
274     fn schedule_macos_tls_dtor(&mut self) -> InterpResult<'tcx, bool> {
275         let this = self.eval_context_mut();
276         let thread_id = this.get_active_thread();
277         if let Some((instance, data)) = this.machine.tls.macos_thread_dtors.remove(&thread_id) {
278             trace!("Running macos dtor {:?} on {:?} at {:?}", instance, data, thread_id);
279
280             let ret_place = MPlaceTy::dangling(this.machine.layouts.unit, this).into();
281             this.call_function(
282                 instance,
283                 Abi::C { unwind: false },
284                 &[data.into()],
285                 Some(&ret_place),
286                 StackPopCleanup::None { cleanup: true },
287             )?;
288
289             // Enable the thread so that it steps through the destructor which
290             // we just scheduled. Since we deleted the destructor, it is
291             // guaranteed that we will schedule it again. The `dtors_running`
292             // flag will prevent the code from adding the destructor again.
293             this.enable_thread(thread_id);
294             Ok(true)
295         } else {
296             Ok(false)
297         }
298     }
299
300     /// Schedule a pthread TLS destructor. Returns `true` if found
301     /// a destructor to schedule, and `false` otherwise.
302     fn schedule_next_pthread_tls_dtor(&mut self) -> InterpResult<'tcx, bool> {
303         let this = self.eval_context_mut();
304         let active_thread = this.get_active_thread();
305
306         assert!(this.has_terminated(active_thread), "running TLS dtors for non-terminated thread");
307         // Fetch next dtor after `key`.
308         let last_key = this.machine.tls.dtors_running[&active_thread].last_dtor_key.clone();
309         let dtor = match this.machine.tls.fetch_tls_dtor(last_key, active_thread) {
310             dtor @ Some(_) => dtor,
311             // We ran each dtor once, start over from the beginning.
312             None => this.machine.tls.fetch_tls_dtor(None, active_thread),
313         };
314         if let Some((instance, ptr, key)) = dtor {
315             this.machine.tls.dtors_running.get_mut(&active_thread).unwrap().last_dtor_key =
316                 Some(key);
317             trace!("Running TLS dtor {:?} on {:?} at {:?}", instance, ptr, active_thread);
318             assert!(!this.is_null(ptr).unwrap(), "data can't be NULL when dtor is called!");
319
320             let ret_place = MPlaceTy::dangling(this.machine.layouts.unit, this).into();
321             this.call_function(
322                 instance,
323                 Abi::C { unwind: false },
324                 &[ptr.into()],
325                 Some(&ret_place),
326                 StackPopCleanup::None { cleanup: true },
327             )?;
328
329             this.enable_thread(active_thread);
330             return Ok(true);
331         }
332         this.machine.tls.dtors_running.get_mut(&active_thread).unwrap().last_dtor_key = None;
333
334         Ok(false)
335     }
336 }
337
338 impl<'mir, 'tcx: 'mir> EvalContextExt<'mir, 'tcx> for crate::MiriEvalContext<'mir, 'tcx> {}
339 pub trait EvalContextExt<'mir, 'tcx: 'mir>: crate::MiriEvalContextExt<'mir, 'tcx> {
340     /// Schedule an active thread's TLS destructor to run on the active thread.
341     /// Note that this function does not run the destructors itself, it just
342     /// schedules them one by one each time it is called and reenables the
343     /// thread so that it can be executed normally by the main execution loop.
344     ///
345     /// Note: we consistently run TLS destructors for all threads, including the
346     /// main thread. However, it is not clear that we should run the TLS
347     /// destructors for the main thread. See issue:
348     /// https://github.com/rust-lang/rust/issues/28129.
349     fn schedule_next_tls_dtor_for_active_thread(&mut self) -> InterpResult<'tcx> {
350         let this = self.eval_context_mut();
351         let active_thread = this.get_active_thread();
352
353         if !this.machine.tls.set_dtors_running_for_thread(active_thread) {
354             // This is the first time we got asked to schedule a destructor. The
355             // Windows schedule destructor function must be called exactly once,
356             // this is why it is in this block.
357             if this.tcx.sess.target.os == "windows" {
358                 // On Windows, we signal that the thread quit by starting the
359                 // relevant function, reenabling the thread, and going back to
360                 // the scheduler.
361                 this.schedule_windows_tls_dtors()?;
362                 return Ok(());
363             }
364         }
365         // The remaining dtors make some progress each time around the scheduler loop,
366         // until they return `false` to indicate that they are done.
367
368         // The macOS thread wide destructor runs "before any TLS slots get
369         // freed", so do that first.
370         if this.schedule_macos_tls_dtor()? {
371             // We have scheduled a MacOS dtor to run on the thread. Execute it
372             // to completion and come back here. Scheduling a destructor
373             // destroys it, so we will not enter this branch again.
374             return Ok(());
375         }
376         if this.schedule_next_pthread_tls_dtor()? {
377             // We have scheduled a pthread destructor and removed it from the
378             // destructors list. Run it to completion and come back here.
379             return Ok(());
380         }
381
382         // All dtors done!
383         this.machine.tls.delete_all_thread_tls(active_thread);
384         this.thread_terminated()?;
385
386         Ok(())
387     }
388 }