rust/kernel/sync/locked_by.rs

   1 // SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
   2
   3 //! A wrapper for data protected by a lock that does not wrap it.
   4
   5 use super::{lock::Backend, lock::Lock};
   6 use crate::build_assert;
   7 use core::{cell::UnsafeCell, mem::size_of, ptr};
   8
   9 /// Allows access to some data to be serialised by a lock that does not wrap it.
  10 ///
  11 /// In most cases, data protected by a lock is wrapped by the appropriate lock type, e.g.,
  12 /// [`Mutex`] or [`SpinLock`]. [`LockedBy`] is meant for cases when this is not possible.
  13 /// For example, if a container has a lock and some data in the contained elements needs
  14 /// to be protected by the same lock.
  15 ///
  16 /// [`LockedBy`] wraps the data in lieu of another locking primitive, and only allows access to it
  17 /// when the caller shows evidence that the 'external' lock is locked. It panics if the evidence
  18 /// refers to the wrong instance of the lock.
  19 ///
  20 /// [`Mutex`]: super::Mutex
  21 /// [`SpinLock`]: super::SpinLock
  22 ///
  23 /// # Examples
  24 ///
  25 /// The following is an example for illustrative purposes: `InnerDirectory::bytes_used` is an
  26 /// aggregate of all `InnerFile::bytes_used` and must be kept consistent; so we wrap `InnerFile` in
  27 /// a `LockedBy` so that it shares a lock with `InnerDirectory`. This allows us to enforce at
  28 /// compile-time that access to `InnerFile` is only granted when an `InnerDirectory` is also
  29 /// locked; we enforce at run time that the right `InnerDirectory` is locked.
  30 ///
  31 /// ```
  32 /// use kernel::sync::{LockedBy, Mutex};
  33 ///
  34 /// struct InnerFile {
  35 ///     bytes_used: u64,
  36 /// }
  37 ///
  38 /// struct File {
  39 ///     _ino: u32,
  40 ///     inner: LockedBy<InnerFile, InnerDirectory>,
  41 /// }
  42 ///
  43 /// struct InnerDirectory {
  44 ///     /// The sum of the bytes used by all files.
  45 ///     bytes_used: u64,
  46 ///     _files: KVec<File>,
  47 /// }
  48 ///
  49 /// struct Directory {
  50 ///     _ino: u32,
  51 ///     inner: Mutex<InnerDirectory>,
  52 /// }
  53 ///
  54 /// /// Prints `bytes_used` from both the directory and file.
  55 /// fn print_bytes_used(dir: &Directory, file: &File) {
  56 ///     let guard = dir.inner.lock();
  57 ///     let inner_file = file.inner.access(&guard);
  58 ///     pr_info!("{} {}", guard.bytes_used, inner_file.bytes_used);
  59 /// }
  60 ///
  61 /// /// Increments `bytes_used` for both the directory and file.
  62 /// fn inc_bytes_used(dir: &Directory, file: &File) {
  63 ///     let mut guard = dir.inner.lock();
  64 ///     guard.bytes_used += 10;
  65 ///
  66 ///     let file_inner = file.inner.access_mut(&mut guard);
  67 ///     file_inner.bytes_used += 10;
  68 /// }
  69 ///
  70 /// /// Creates a new file.
  71 /// fn new_file(ino: u32, dir: &Directory) -> File {
  72 ///     File {
  73 ///         _ino: ino,
  74 ///         inner: LockedBy::new(&dir.inner, InnerFile { bytes_used: 0 }),
  75 ///     }
  76 /// }
  77 /// ```
  78 pub struct LockedBy<T: ?Sized, U: ?Sized> {
  79     owner: *const U,
  80     data: UnsafeCell<T>,
  81 }
  82
  83 // SAFETY: `LockedBy` can be transferred across thread boundaries iff the data it protects can.
  84 unsafe impl<T: ?Sized + Send, U: ?Sized> Send for LockedBy<T, U> {}
  85
  86 // SAFETY: If `T` is not `Sync`, then parallel shared access to this `LockedBy` allows you to use
  87 // `access_mut` to hand out `&mut T` on one thread at the time. The requirement that `T: Send` is
  88 // sufficient to allow that.
  89 //
  90 // If `T` is `Sync`, then the `access` method also becomes available, which allows you to obtain
  91 // several `&T` from several threads at once. However, this is okay as `T` is `Sync`.
  92 unsafe impl<T: ?Sized + Send, U: ?Sized> Sync for LockedBy<T, U> {}
  93
  94 impl<T, U> LockedBy<T, U> {
  95     /// Constructs a new instance of [`LockedBy`].
  96     ///
  97     /// It stores a raw pointer to the owner that is never dereferenced. It is only used to ensure
  98     /// that the right owner is being used to access the protected data. If the owner is freed, the
  99     /// data becomes inaccessible; if another instance of the owner is allocated *on the same
 100     /// memory location*, the data becomes accessible again: none of this affects memory safety
 101     /// because in any case at most one thread (or CPU) can access the protected data at a time.
 102     pub fn new<B: Backend>(owner: &Lock<U, B>, data: T) -> Self {
 103         build_assert!(
 104             size_of::<Lock<U, B>>() > 0,
 105             "The lock type cannot be a ZST because it may be impossible to distinguish instances"
 106         );
 107         Self {
 108             owner: owner.data.get(),
 109             data: UnsafeCell::new(data),
 110         }
 111     }
 112 }
 113
 114 impl<T: ?Sized, U> LockedBy<T, U> {
 115     /// Returns a reference to the protected data when the caller provides evidence (via a
 116     /// reference) that the owner is locked.
 117     ///
 118     /// `U` cannot be a zero-sized type (ZST) because there are ways to get an `&U` that matches
 119     /// the data protected by the lock without actually holding it.
 120     ///
 121     /// # Panics
 122     ///
 123     /// Panics if `owner` is different from the data protected by the lock used in
 124     /// [`new`](LockedBy::new).
 125     pub fn access<'a>(&'a self, owner: &'a U) -> &'a T
 126     where
 127         T: Sync,
 128     {
 129         build_assert!(
 130             size_of::<U>() > 0,
 131             "`U` cannot be a ZST because `owner` wouldn't be unique"
 132         );
 133         if !ptr::eq(owner, self.owner) {
 134             panic!("mismatched owners");
 135         }
 136
 137         // SAFETY: `owner` is evidence that there are only shared references to the owner for the
 138         // duration of 'a, so it's not possible to use `Self::access_mut` to obtain a mutable
 139         // reference to the inner value that aliases with this shared reference. The type is `Sync`
 140         // so there are no other requirements.
 141         unsafe { &*self.data.get() }
 142     }
 143
 144     /// Returns a mutable reference to the protected data when the caller provides evidence (via a
 145     /// mutable owner) that the owner is locked mutably.
 146     ///
 147     /// `U` cannot be a zero-sized type (ZST) because there are ways to get an `&mut U` that
 148     /// matches the data protected by the lock without actually holding it.
 149     ///
 150     /// Showing a mutable reference to the owner is sufficient because we know no other references
 151     /// can exist to it.
 152     ///
 153     /// # Panics
 154     ///
 155     /// Panics if `owner` is different from the data protected by the lock used in
 156     /// [`new`](LockedBy::new).
 157     pub fn access_mut<'a>(&'a self, owner: &'a mut U) -> &'a mut T {
 158         build_assert!(
 159             size_of::<U>() > 0,
 160             "`U` cannot be a ZST because `owner` wouldn't be unique"
 161         );
 162         if !ptr::eq(owner, self.owner) {
 163             panic!("mismatched owners");
 164         }
 165
 166         // SAFETY: `owner` is evidence that there is only one reference to the owner.
 167         unsafe { &mut *self.data.get() }
 168     }
 169 }