Linux 6.13-rc4
[linux.git] / rust / kernel / types.rs
blobec6457bb3084ae327c38ba4ba79b1601aef38244
1 // SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
3 //! Kernel types.
5 use crate::init::{self, PinInit};
6 use core::{
7     cell::UnsafeCell,
8     marker::{PhantomData, PhantomPinned},
9     mem::{ManuallyDrop, MaybeUninit},
10     ops::{Deref, DerefMut},
11     ptr::NonNull,
14 /// Used to transfer ownership to and from foreign (non-Rust) languages.
15 ///
16 /// Ownership is transferred from Rust to a foreign language by calling [`Self::into_foreign`] and
17 /// later may be transferred back to Rust by calling [`Self::from_foreign`].
18 ///
19 /// This trait is meant to be used in cases when Rust objects are stored in C objects and
20 /// eventually "freed" back to Rust.
21 pub trait ForeignOwnable: Sized {
22     /// Type of values borrowed between calls to [`ForeignOwnable::into_foreign`] and
23     /// [`ForeignOwnable::from_foreign`].
24     type Borrowed<'a>;
26     /// Converts a Rust-owned object to a foreign-owned one.
27     ///
28     /// The foreign representation is a pointer to void. There are no guarantees for this pointer.
29     /// For example, it might be invalid, dangling or pointing to uninitialized memory. Using it in
30     /// any way except for [`ForeignOwnable::from_foreign`], [`ForeignOwnable::borrow`],
31     /// [`ForeignOwnable::try_from_foreign`] can result in undefined behavior.
32     fn into_foreign(self) -> *const crate::ffi::c_void;
34     /// Borrows a foreign-owned object.
35     ///
36     /// # Safety
37     ///
38     /// `ptr` must have been returned by a previous call to [`ForeignOwnable::into_foreign`] for
39     /// which a previous matching [`ForeignOwnable::from_foreign`] hasn't been called yet.
40     unsafe fn borrow<'a>(ptr: *const crate::ffi::c_void) -> Self::Borrowed<'a>;
42     /// Converts a foreign-owned object back to a Rust-owned one.
43     ///
44     /// # Safety
45     ///
46     /// `ptr` must have been returned by a previous call to [`ForeignOwnable::into_foreign`] for
47     /// which a previous matching [`ForeignOwnable::from_foreign`] hasn't been called yet.
48     /// Additionally, all instances (if any) of values returned by [`ForeignOwnable::borrow`] for
49     /// this object must have been dropped.
50     unsafe fn from_foreign(ptr: *const crate::ffi::c_void) -> Self;
52     /// Tries to convert a foreign-owned object back to a Rust-owned one.
53     ///
54     /// A convenience wrapper over [`ForeignOwnable::from_foreign`] that returns [`None`] if `ptr`
55     /// is null.
56     ///
57     /// # Safety
58     ///
59     /// `ptr` must either be null or satisfy the safety requirements for
60     /// [`ForeignOwnable::from_foreign`].
61     unsafe fn try_from_foreign(ptr: *const crate::ffi::c_void) -> Option<Self> {
62         if ptr.is_null() {
63             None
64         } else {
65             // SAFETY: Since `ptr` is not null here, then `ptr` satisfies the safety requirements
66             // of `from_foreign` given the safety requirements of this function.
67             unsafe { Some(Self::from_foreign(ptr)) }
68         }
69     }
72 impl ForeignOwnable for () {
73     type Borrowed<'a> = ();
75     fn into_foreign(self) -> *const crate::ffi::c_void {
76         core::ptr::NonNull::dangling().as_ptr()
77     }
79     unsafe fn borrow<'a>(_: *const crate::ffi::c_void) -> Self::Borrowed<'a> {}
81     unsafe fn from_foreign(_: *const crate::ffi::c_void) -> Self {}
84 /// Runs a cleanup function/closure when dropped.
85 ///
86 /// The [`ScopeGuard::dismiss`] function prevents the cleanup function from running.
87 ///
88 /// # Examples
89 ///
90 /// In the example below, we have multiple exit paths and we want to log regardless of which one is
91 /// taken:
92 ///
93 /// ```
94 /// # use kernel::types::ScopeGuard;
95 /// fn example1(arg: bool) {
96 ///     let _log = ScopeGuard::new(|| pr_info!("example1 completed\n"));
97 ///
98 ///     if arg {
99 ///         return;
100 ///     }
102 ///     pr_info!("Do something...\n");
103 /// }
105 /// # example1(false);
106 /// # example1(true);
107 /// ```
109 /// In the example below, we want to log the same message on all early exits but a different one on
110 /// the main exit path:
112 /// ```
113 /// # use kernel::types::ScopeGuard;
114 /// fn example2(arg: bool) {
115 ///     let log = ScopeGuard::new(|| pr_info!("example2 returned early\n"));
117 ///     if arg {
118 ///         return;
119 ///     }
121 ///     // (Other early returns...)
123 ///     log.dismiss();
124 ///     pr_info!("example2 no early return\n");
125 /// }
127 /// # example2(false);
128 /// # example2(true);
129 /// ```
131 /// In the example below, we need a mutable object (the vector) to be accessible within the log
132 /// function, so we wrap it in the [`ScopeGuard`]:
134 /// ```
135 /// # use kernel::types::ScopeGuard;
136 /// fn example3(arg: bool) -> Result {
137 ///     let mut vec =
138 ///         ScopeGuard::new_with_data(KVec::new(), |v| pr_info!("vec had {} elements\n", v.len()));
140 ///     vec.push(10u8, GFP_KERNEL)?;
141 ///     if arg {
142 ///         return Ok(());
143 ///     }
144 ///     vec.push(20u8, GFP_KERNEL)?;
145 ///     Ok(())
146 /// }
148 /// # assert_eq!(example3(false), Ok(()));
149 /// # assert_eq!(example3(true), Ok(()));
150 /// ```
152 /// # Invariants
154 /// The value stored in the struct is nearly always `Some(_)`, except between
155 /// [`ScopeGuard::dismiss`] and [`ScopeGuard::drop`]: in this case, it will be `None` as the value
156 /// will have been returned to the caller. Since  [`ScopeGuard::dismiss`] consumes the guard,
157 /// callers won't be able to use it anymore.
158 pub struct ScopeGuard<T, F: FnOnce(T)>(Option<(T, F)>);
160 impl<T, F: FnOnce(T)> ScopeGuard<T, F> {
161     /// Creates a new guarded object wrapping the given data and with the given cleanup function.
162     pub fn new_with_data(data: T, cleanup_func: F) -> Self {
163         // INVARIANT: The struct is being initialised with `Some(_)`.
164         Self(Some((data, cleanup_func)))
165     }
167     /// Prevents the cleanup function from running and returns the guarded data.
168     pub fn dismiss(mut self) -> T {
169         // INVARIANT: This is the exception case in the invariant; it is not visible to callers
170         // because this function consumes `self`.
171         self.0.take().unwrap().0
172     }
175 impl ScopeGuard<(), fn(())> {
176     /// Creates a new guarded object with the given cleanup function.
177     pub fn new(cleanup: impl FnOnce()) -> ScopeGuard<(), impl FnOnce(())> {
178         ScopeGuard::new_with_data((), move |()| cleanup())
179     }
182 impl<T, F: FnOnce(T)> Deref for ScopeGuard<T, F> {
183     type Target = T;
185     fn deref(&self) -> &T {
186         // The type invariants guarantee that `unwrap` will succeed.
187         &self.0.as_ref().unwrap().0
188     }
191 impl<T, F: FnOnce(T)> DerefMut for ScopeGuard<T, F> {
192     fn deref_mut(&mut self) -> &mut T {
193         // The type invariants guarantee that `unwrap` will succeed.
194         &mut self.0.as_mut().unwrap().0
195     }
198 impl<T, F: FnOnce(T)> Drop for ScopeGuard<T, F> {
199     fn drop(&mut self) {
200         // Run the cleanup function if one is still present.
201         if let Some((data, cleanup)) = self.0.take() {
202             cleanup(data)
203         }
204     }
207 /// Stores an opaque value.
209 /// `Opaque<T>` is meant to be used with FFI objects that are never interpreted by Rust code.
211 /// It is used to wrap structs from the C side, like for example `Opaque<bindings::mutex>`.
212 /// It gets rid of all the usual assumptions that Rust has for a value:
214 /// * The value is allowed to be uninitialized (for example have invalid bit patterns: `3` for a
215 ///   [`bool`]).
216 /// * The value is allowed to be mutated, when a `&Opaque<T>` exists on the Rust side.
217 /// * No uniqueness for mutable references: it is fine to have multiple `&mut Opaque<T>` point to
218 ///   the same value.
219 /// * The value is not allowed to be shared with other threads (i.e. it is `!Sync`).
221 /// This has to be used for all values that the C side has access to, because it can't be ensured
222 /// that the C side is adhering to the usual constraints that Rust needs.
224 /// Using `Opaque<T>` allows to continue to use references on the Rust side even for values shared
225 /// with C.
227 /// # Examples
229 /// ```
230 /// # #![expect(unreachable_pub, clippy::disallowed_names)]
231 /// use kernel::types::Opaque;
232 /// # // Emulate a C struct binding which is from C, maybe uninitialized or not, only the C side
233 /// # // knows.
234 /// # mod bindings {
235 /// #     pub struct Foo {
236 /// #         pub val: u8,
237 /// #     }
238 /// # }
240 /// // `foo.val` is assumed to be handled on the C side, so we use `Opaque` to wrap it.
241 /// pub struct Foo {
242 ///     foo: Opaque<bindings::Foo>,
243 /// }
245 /// impl Foo {
246 ///     pub fn get_val(&self) -> u8 {
247 ///         let ptr = Opaque::get(&self.foo);
249 ///         // SAFETY: `Self` is valid from C side.
250 ///         unsafe { (*ptr).val }
251 ///     }
252 /// }
254 /// // Create an instance of `Foo` with the `Opaque` wrapper.
255 /// let foo = Foo {
256 ///     foo: Opaque::new(bindings::Foo { val: 0xdb }),
257 /// };
259 /// assert_eq!(foo.get_val(), 0xdb);
260 /// ```
261 #[repr(transparent)]
262 pub struct Opaque<T> {
263     value: UnsafeCell<MaybeUninit<T>>,
264     _pin: PhantomPinned,
267 impl<T> Opaque<T> {
268     /// Creates a new opaque value.
269     pub const fn new(value: T) -> Self {
270         Self {
271             value: UnsafeCell::new(MaybeUninit::new(value)),
272             _pin: PhantomPinned,
273         }
274     }
276     /// Creates an uninitialised value.
277     pub const fn uninit() -> Self {
278         Self {
279             value: UnsafeCell::new(MaybeUninit::uninit()),
280             _pin: PhantomPinned,
281         }
282     }
284     /// Creates a pin-initializer from the given initializer closure.
285     ///
286     /// The returned initializer calls the given closure with the pointer to the inner `T` of this
287     /// `Opaque`. Since this memory is uninitialized, the closure is not allowed to read from it.
288     ///
289     /// This function is safe, because the `T` inside of an `Opaque` is allowed to be
290     /// uninitialized. Additionally, access to the inner `T` requires `unsafe`, so the caller needs
291     /// to verify at that point that the inner value is valid.
292     pub fn ffi_init(init_func: impl FnOnce(*mut T)) -> impl PinInit<Self> {
293         // SAFETY: We contain a `MaybeUninit`, so it is OK for the `init_func` to not fully
294         // initialize the `T`.
295         unsafe {
296             init::pin_init_from_closure::<_, ::core::convert::Infallible>(move |slot| {
297                 init_func(Self::raw_get(slot));
298                 Ok(())
299             })
300         }
301     }
303     /// Creates a fallible pin-initializer from the given initializer closure.
304     ///
305     /// The returned initializer calls the given closure with the pointer to the inner `T` of this
306     /// `Opaque`. Since this memory is uninitialized, the closure is not allowed to read from it.
307     ///
308     /// This function is safe, because the `T` inside of an `Opaque` is allowed to be
309     /// uninitialized. Additionally, access to the inner `T` requires `unsafe`, so the caller needs
310     /// to verify at that point that the inner value is valid.
311     pub fn try_ffi_init<E>(
312         init_func: impl FnOnce(*mut T) -> Result<(), E>,
313     ) -> impl PinInit<Self, E> {
314         // SAFETY: We contain a `MaybeUninit`, so it is OK for the `init_func` to not fully
315         // initialize the `T`.
316         unsafe { init::pin_init_from_closure::<_, E>(move |slot| init_func(Self::raw_get(slot))) }
317     }
319     /// Returns a raw pointer to the opaque data.
320     pub const fn get(&self) -> *mut T {
321         UnsafeCell::get(&self.value).cast::<T>()
322     }
324     /// Gets the value behind `this`.
325     ///
326     /// This function is useful to get access to the value without creating intermediate
327     /// references.
328     pub const fn raw_get(this: *const Self) -> *mut T {
329         UnsafeCell::raw_get(this.cast::<UnsafeCell<MaybeUninit<T>>>()).cast::<T>()
330     }
333 /// Types that are _always_ reference counted.
335 /// It allows such types to define their own custom ref increment and decrement functions.
336 /// Additionally, it allows users to convert from a shared reference `&T` to an owned reference
337 /// [`ARef<T>`].
339 /// This is usually implemented by wrappers to existing structures on the C side of the code. For
340 /// Rust code, the recommendation is to use [`Arc`](crate::sync::Arc) to create reference-counted
341 /// instances of a type.
343 /// # Safety
345 /// Implementers must ensure that increments to the reference count keep the object alive in memory
346 /// at least until matching decrements are performed.
348 /// Implementers must also ensure that all instances are reference-counted. (Otherwise they
349 /// won't be able to honour the requirement that [`AlwaysRefCounted::inc_ref`] keep the object
350 /// alive.)
351 pub unsafe trait AlwaysRefCounted {
352     /// Increments the reference count on the object.
353     fn inc_ref(&self);
355     /// Decrements the reference count on the object.
356     ///
357     /// Frees the object when the count reaches zero.
358     ///
359     /// # Safety
360     ///
361     /// Callers must ensure that there was a previous matching increment to the reference count,
362     /// and that the object is no longer used after its reference count is decremented (as it may
363     /// result in the object being freed), unless the caller owns another increment on the refcount
364     /// (e.g., it calls [`AlwaysRefCounted::inc_ref`] twice, then calls
365     /// [`AlwaysRefCounted::dec_ref`] once).
366     unsafe fn dec_ref(obj: NonNull<Self>);
369 /// An owned reference to an always-reference-counted object.
371 /// The object's reference count is automatically decremented when an instance of [`ARef`] is
372 /// dropped. It is also automatically incremented when a new instance is created via
373 /// [`ARef::clone`].
375 /// # Invariants
377 /// The pointer stored in `ptr` is non-null and valid for the lifetime of the [`ARef`] instance. In
378 /// particular, the [`ARef`] instance owns an increment on the underlying object's reference count.
379 pub struct ARef<T: AlwaysRefCounted> {
380     ptr: NonNull<T>,
381     _p: PhantomData<T>,
384 // SAFETY: It is safe to send `ARef<T>` to another thread when the underlying `T` is `Sync` because
385 // it effectively means sharing `&T` (which is safe because `T` is `Sync`); additionally, it needs
386 // `T` to be `Send` because any thread that has an `ARef<T>` may ultimately access `T` using a
387 // mutable reference, for example, when the reference count reaches zero and `T` is dropped.
388 unsafe impl<T: AlwaysRefCounted + Sync + Send> Send for ARef<T> {}
390 // SAFETY: It is safe to send `&ARef<T>` to another thread when the underlying `T` is `Sync`
391 // because it effectively means sharing `&T` (which is safe because `T` is `Sync`); additionally,
392 // it needs `T` to be `Send` because any thread that has a `&ARef<T>` may clone it and get an
393 // `ARef<T>` on that thread, so the thread may ultimately access `T` using a mutable reference, for
394 // example, when the reference count reaches zero and `T` is dropped.
395 unsafe impl<T: AlwaysRefCounted + Sync + Send> Sync for ARef<T> {}
397 impl<T: AlwaysRefCounted> ARef<T> {
398     /// Creates a new instance of [`ARef`].
399     ///
400     /// It takes over an increment of the reference count on the underlying object.
401     ///
402     /// # Safety
403     ///
404     /// Callers must ensure that the reference count was incremented at least once, and that they
405     /// are properly relinquishing one increment. That is, if there is only one increment, callers
406     /// must not use the underlying object anymore -- it is only safe to do so via the newly
407     /// created [`ARef`].
408     pub unsafe fn from_raw(ptr: NonNull<T>) -> Self {
409         // INVARIANT: The safety requirements guarantee that the new instance now owns the
410         // increment on the refcount.
411         Self {
412             ptr,
413             _p: PhantomData,
414         }
415     }
417     /// Consumes the `ARef`, returning a raw pointer.
418     ///
419     /// This function does not change the refcount. After calling this function, the caller is
420     /// responsible for the refcount previously managed by the `ARef`.
421     ///
422     /// # Examples
423     ///
424     /// ```
425     /// use core::ptr::NonNull;
426     /// use kernel::types::{ARef, AlwaysRefCounted};
427     ///
428     /// struct Empty {}
429     ///
430     /// # // SAFETY: TODO.
431     /// unsafe impl AlwaysRefCounted for Empty {
432     ///     fn inc_ref(&self) {}
433     ///     unsafe fn dec_ref(_obj: NonNull<Self>) {}
434     /// }
435     ///
436     /// let mut data = Empty {};
437     /// let ptr = NonNull::<Empty>::new(&mut data as *mut _).unwrap();
438     /// # // SAFETY: TODO.
439     /// let data_ref: ARef<Empty> = unsafe { ARef::from_raw(ptr) };
440     /// let raw_ptr: NonNull<Empty> = ARef::into_raw(data_ref);
441     ///
442     /// assert_eq!(ptr, raw_ptr);
443     /// ```
444     pub fn into_raw(me: Self) -> NonNull<T> {
445         ManuallyDrop::new(me).ptr
446     }
449 impl<T: AlwaysRefCounted> Clone for ARef<T> {
450     fn clone(&self) -> Self {
451         self.inc_ref();
452         // SAFETY: We just incremented the refcount above.
453         unsafe { Self::from_raw(self.ptr) }
454     }
457 impl<T: AlwaysRefCounted> Deref for ARef<T> {
458     type Target = T;
460     fn deref(&self) -> &Self::Target {
461         // SAFETY: The type invariants guarantee that the object is valid.
462         unsafe { self.ptr.as_ref() }
463     }
466 impl<T: AlwaysRefCounted> From<&T> for ARef<T> {
467     fn from(b: &T) -> Self {
468         b.inc_ref();
469         // SAFETY: We just incremented the refcount above.
470         unsafe { Self::from_raw(NonNull::from(b)) }
471     }
474 impl<T: AlwaysRefCounted> Drop for ARef<T> {
475     fn drop(&mut self) {
476         // SAFETY: The type invariants guarantee that the `ARef` owns the reference we're about to
477         // decrement.
478         unsafe { T::dec_ref(self.ptr) };
479     }
482 /// A sum type that always holds either a value of type `L` or `R`.
484 /// # Examples
486 /// ```
487 /// use kernel::types::Either;
489 /// let left_value: Either<i32, &str> = Either::Left(7);
490 /// let right_value: Either<i32, &str> = Either::Right("right value");
491 /// ```
492 pub enum Either<L, R> {
493     /// Constructs an instance of [`Either`] containing a value of type `L`.
494     Left(L),
496     /// Constructs an instance of [`Either`] containing a value of type `R`.
497     Right(R),
500 /// Zero-sized type to mark types not [`Send`].
502 /// Add this type as a field to your struct if your type should not be sent to a different task.
503 /// Since [`Send`] is an auto trait, adding a single field that is `!Send` will ensure that the
504 /// whole type is `!Send`.
506 /// If a type is `!Send` it is impossible to give control over an instance of the type to another
507 /// task. This is useful to include in types that store or reference task-local information. A file
508 /// descriptor is an example of such task-local information.
510 /// This type also makes the type `!Sync`, which prevents immutable access to the value from
511 /// several threads in parallel.
512 pub type NotThreadSafe = PhantomData<*mut ()>;
514 /// Used to construct instances of type [`NotThreadSafe`] similar to how `PhantomData` is
515 /// constructed.
517 /// [`NotThreadSafe`]: type@NotThreadSafe
518 #[allow(non_upper_case_globals)]
519 pub const NotThreadSafe: NotThreadSafe = PhantomData;