ralf/_posts/2018-04-05-a-formal-look-at-pinning.md

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   2 title: "A Formal Look at Pinning"
   3 categories: research rust
   4 forum: https://internals.rust-lang.org/t/a-formal-look-at-pinning/7236
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   7 Recently, a new [API for "pinned references"](https://github.com/rust-lang/rfcs/blob/master/text/2349-pin.md) has [landed as a new unstable feature](https://github.com/rust-lang/rust/pull/49058) in the standard library.
   8 The purpose of these references is to express that the data at the memory it points to will not, ever, be moved elsewhere.
   9 @withoutboats has written about how this [solves](https://boats.gitlab.io/blog/post/2018-03-20-async-vi/) a [problem in the context of async IO](https://boats.gitlab.io/blog/post/2018-01-25-async-i-self-referential-structs/).
  10 In this post, we take a closer, more formal look at that API: We are going to take a stab at extending the RustBelt model of types with support for pinning.
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  12 <!-- MORE -->
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  14 But before we get started, I have to lay down some basics.
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  16 ## Rust types: Recap
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  18 I have discussed my model of Rust types [in a previous post]({{ site.baseurl }}{% post_url 2018-01-31-sharing-for-a-lifetime %}); this may me a good time to read that post as I will be using it as a starting point.
  19 The short version is that I view Rust types with private invariants as not having just a single invariant, but different invariants that reflect the different "modes" the type can be in.
  20 @cramertj suggested to use "typestate" as terminology here, and I agree that this makes sense.
  21
  22 > **Definition 1: Rust types.** Every Rust type `T` comes with two typestates, each having an invariant:
  23
  24 > 1. The *owned* typestate with invariant `T.own(bytes)` (where `bytes: List<Byte>`), saying whether the given sequence of bytes constitutes a valid fully owned `T`.
  25 1. The *shared* typestate with invariant `T.shr('a, ptr)` (where `'a: Lifetime` and `ptr: Pointer`), saying whether `ptr` is a valid pointer to an instance of `T` that has been shared for lifetime `'a`.
  26
  27 > Moreover, those two states must be connected in the sense that the following axiom always holds:
  28
  29 > {:type="a"}
  30 1. If we have borrowed, for lifetime `'a`, a pointer `ptr` pointing to a list of bytes `bytes` such that `T.own(bytes)` holds, then we can move to the shared typestate and obtain `T.shr('a, ptr)`.  (Implicitly, when the original borrow ends, the type is moved back to the owned typestate.)
  31
  32 > This axiom ensures that we can create a shared reference to something we own.
  33
  34 You may be wondering why sharing is a separate typestate here; shouldn't that just be read-only access to a `T` that someone else owns?
  35 However, that clearly doesn't work for `&Cell`; to explain types with interior mutability we *need* sharing as a separate state.
  36 I explained this in more detail in the previous post, but as a quick example consider that, if you fully own a `RefCell`, the first field (storing the current count of readers/writers) has no special meaning whatsoever.
  37 This is witnessed by [`RefCell::get_mut`](https://doc.rust-lang.org/beta/std/cell/struct.RefCell.html#method.get_mut) ignoring that field.
  38 In fact, it would be sound to add a `RefCell::reset(&mut self)` that just resets this field to `0`.
  39
  40 ## Pinning
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  42 Now, let us extend our notion of types to also support pinning.
  43 The core piece of the pinning API is a new reference type `Pin<'a, T>` that guarantees that *the data it points to will remain at the given location*, i.e. it will not be moved.
  44 Crucially, **pinning does not provide immovable types**!
  45 Data is only pinned after a `Pin<T>` pointing to it has been created; it can be moved freely before that happens.
  46
  47 The [corresponding RFC](https://github.com/rust-lang/rfcs/blob/master/text/2349-pin.md) explains the entirey new API surface in quite some detail: [`Pin`](https://doc.rust-lang.org/nightly/std/mem/struct.Pin.html), [`PinBox`](https://doc.rust-lang.org/nightly/std/boxed/struct.PinBox.html) and the [`Unpin`](https://doc.rust-lang.org/nightly/std/marker/trait.Unpin.html) marker trait.
  48 I will not repeat that here but only show one example of how to use `Pin` references and exploit their guarantees:
  49 {% highlight rust %}
  50 #![feature(pin, arbitrary_self_types)]
  51
  52 use std::ptr;
  53 use std::mem::Pin;
  54 use std::boxed::PinBox;
  55
  56 struct SelfReferential {
  57     data: i32,
  58     self_ref: *const i32,
  59 }
  60
  61 impl SelfReferential {
  62     fn new() -> SelfReferential {
  63         SelfReferential { data: 42, self_ref: ptr::null()  }
  64     }
  65
  66     fn init(mut self: Pin<SelfReferential>) {
  67         let this : &mut SelfReferential = unsafe { Pin::get_mut(&mut self) };
  68         // Set up self_ref to point to this.data.
  69         this.self_ref = &mut this.data as *const i32;
  70     }
  71
  72     fn read_ref(mut self: Pin<SelfReferential>) -> Option<i32> {
  73         let this : &mut SelfReferential = unsafe { Pin::get_mut(&mut self) };
  74         // Dereference self_ref if it is non-NULL.
  75         if this.self_ref == ptr::null() {
  76             None
  77         } else {
  78             Some(unsafe { *this.self_ref })
  79         }
  80     }
  81 }
  82
  83 fn main() {
  84     let mut s = PinBox::new(SelfReferential::new());
  85     s.as_pin().init();
  86     println!("{:?}", s.as_pin().read_ref()); // prints Some(42)
  87 }
  88 {% endhighlight %}
  89 **Update:** Previously, the example code used `Option<ptr::NonNull<i32>>`. I think using raw pointers directly makes the code easier to follow. **/Update**
  90
  91 The most intersting piece of code here is `read_ref`, which dereferences a raw pointer, `this.self_ref`.
  92 The reason this is legal is that we can rely on the entire `SelfReferential` not having been moved since `init()` was called (which is the only place that would set the pointer to something non-NULL).
  93
  94 In particular, if we changed the signature to `fn init(&mut self)`, we could easily cause UB by writing the following code:
  95 {% highlight rust %}
  96 fn main() {
  97     // Create an initialize a SelfReferential in a Box, move it out, and drop the Box
  98     let s = { let b1 = Box::new(SelfReferential::new()); b1.init(); *b1 };
  99     let mut b2 = PinBox::new(s); // move the initialized SelfReferential into a new PinBox
 100     println!("{:?}", b2.as_pin().read_ref()); // Cause explosion
 101 }
 102 {% endhighlight %}
 103 Now `read_ref()` will dereference a pointer into the memory that was allocated for `b1`, but has since then been deallocated!
 104 This is clearly wrong.
 105
 106 This example also shows that there cannot be a safe conversion from `&mut T` to `Pin<T>`: That would let us implement the problematic `init_ref(&mut self)` by calling `init(self: Pin<Self>)`.
 107 In contrast, converting `Box<T>` to `PinBox<T>` is fine because this *consumes* the `Box`, so nobody will ever get "unpinned" access to it.
 108
 109 `Pin` lets us give a type to `SelfReferantial` that makes it safe to use.
 110 This is in the best tradition of Rust: We are using an expressive type system to provide safe APIs for operations that only have unsafe APIs in other languages (e.g., iterators that avoid iterator invalidation which plague even memory safe languages like Java).
 111 In the following, I will explain how one can prove that our claim of safe encapsulation actually holds true.
 112 This is building on the framework that we developed for the [RustBelt paper]({{ site.baseurl }}{% post_url 2017-07-08-rustbelt %}).
 113
 114 ## Formal Notation
 115
 116 Before we go on, I'd like to introduce some notation to make it easier to talk about ownership and borrowing of memory in a precise way.
 117 I feel like trying to express this all just in English and leaving away the formalism is not actually making it easier to understand.
 118 The full formalism we use in the paper is probably overkill, so I will go with a simplified version that glosses over many of the details.
 119
 120 For example, the axiom (a) stated above would look as follows:
 121 ```
 122 forall |'a, ptr|
 123   borrowed('a, exists |bytes| ptr.points_to_owned(bytes) && T.own(bytes))
 124   -> T.shr('a, ptr)
 125 ```
 126 This is a formal statement that we have to prove whenever we define `T.own` and `T.shr` for our own type `T`.
 127 It says that for all lifetimes `'a` and pointers `ptr`, if `borrowed('a, ...)` holds, then `T.shr('a, ptr)` holds.
 128 I am using the usual mathematical quantifiers, with a Rust-y syntax (`forall |var| ...` and `exists |var| ...`), and `->` for implication.
 129 For disjunction (`||`) and conjunction (`&&`), I follow Rust.
 130
 131 Because Rust types are a lot about pointers and what they point to, we also need some way to talk about memory:
 132 `ptr.points_to_owned(bytes)` (where `ptr: Pointer` and `bytes: List<Byte>`) means that `ptr` points to `bytes.len()` many bytes of memory containing the given `bytes` of data, and that moreover, we *own* that memory.
 133 *Ownership* here means that we are free to read, write and deallocate that memory, and that we are the only party that can do so.
 134
 135 **Update:** In a previous version I called this predicate `mem_own`. I decided that `points_to_owned` was actually easier to understand, and it also matches the standard terminology in the literature, so I switched to using that term instead. **/Update**
 136
 137 Finally, `borrowed('a, P)` says that `P` is only temporarily owned, i.e., borrowed, for lifetime `'a`.
 138 `P` here is a *proposition* or *assertion*, i.e., a statement about what we expect to own. The axiom above is a proposition, as is `ptr.points_to_owned([0, 0])`.
 139 You can think of propositions as a fancy version of `bool` where we can use things like quantifiers and borrowing, and talk about memory and ownership.
 140
 141 Let us see how we can define the owned typestate of `Box` and mutable reference using this notation:
 142
 143 > **Definition 2: `Box<T>.own` and `(&'a mut T).own`.**
 144 A `Box<T>` is a list of bytes that make up a pointer, such that we own the memory this pointer points to and that memory satisfies `T.own`.
 145 `&'a mut T` is almost the same, except that memory and `T.own` are only borrowed for lifetime `'a`.
 146 Formally:
 147 ```
 148 Box<T>.own(bytes) := exists |ptr, inner_bytes| bytes.try_into() == Ok(ptr) &&
 149   ptr.points_to_owned(inner_bytes) && T.own(inner_bytes)
 150 ```
 151 ```
 152 (&'a mut T).own(bytes) := exists |ptr| bytes.try_into() == Ok(ptr) &&
 153   borrowed('a,
 154     exists |inner_bytes| ptr.points_to_owned(inner_bytes) && T.own(inner_bytes))
 155 ```
 156
 157 The `:=` means "is defined as"; this is a lot like a function definition in Rust where the part after the `:=` is the function body.
 158 Notice how we use `try_into` to try to convert a sequence of bytes into a higher-level representation, namely a pointer.
 159 This relies in `TryInto<U>` being implemented for `List<Byte>`.
 160 The conversion fails, in particular, if the list of bytes does not have exactly the right length.
 161
 162 It turns out that using `try_into` like we do above is actually a common pattern:
 163 Often, when we define a predicate on bytes, we do not want to talk directly about the `List<Byte>` but convert them to some higher-level representation first.
 164 To facilitate this, we will typically define `T.own(data: U)` for some `U` such that `List<Byte>: TryInto<U>`, the idea being that the raw list of bytes is first converted to a `U` and the predicate can then directly access the higher-level data in `U`.
 165 This could look as follows:
 166 ```
 167 Box<T>.own(ptr: Pointer) :=
 168   exists |inner_bytes| ptr.points_to_owned(inner_bytes) && T.own(inner_bytes)
 169 ```
 170 ```
 171 (&'a mut T).own(ptr: Pointer) :=
 172   borrowed('a, exists |inner_bytes| ptr.points_to_owned(inner_bytes) && T.own(inner_bytes))
 173 ```
 174 The actual ownership predicate is then defined as
 175 ```
 176 exists |data: U| bytes.try_into() == Ok(data) && T.own(data)
 177 ```
 178
 179
 180 ## Extending Types to Verify `SelfReferential`
 181
 182 Coming back to our example, what would it take to *prove* that `SelfReferential` can be used by arbitrary safe code?
 183 We have to start by writing down the private invariants (for all typestates) of the type.
 184 We want to say that if `self.read_ref` is not NULL, then it is the address of `self.data`.
 185 However, if we go back to our notion of Rust types that I laid out at the beginning of this post, we notice that it is *impossible* to refer to the "address of `self.data`" in `T.own`!
 186 And that's not even surprising; this just reflects the fact that in Rust, if we own a type, we can always move it to a different location---and hence the invariant must not depend on the location.
 187
 188 So, to write down our invariant, we need to extend our notion of types.
 189 We will add a new, *third* typestate on top of the existing owned and shared typestates:
 190
 191 > **Definition 3a: Rust types with pinning.**  Extend definition 1 with a new typestate:
 192
 193 > {:start="3"}
 194 3. The *pinned* state with invariant `T.pin(ptr)` (where `ptr: Pointer`), saying whether `ptr` is a valid pointer to an instance of `T` that is considered pinned.
 195
 196 Notice that this state talks about a *pointer* being valid, in contrast to `T.own` which talks about a *sequence of bytes*.
 197 This gives us the expressivity we need to talk about immovable data:
 198 `SelfReferential.pin(ptr)` says that `ptr` points to some memory we own, and that memory stores some pair `(data, self_ref)`, and `self_ref` is either NULL or the address of the first field, `data`, at offset `0`:
 199 ```
 200 SelfReferential.pin(ptr) := exists |data: i32, self_ref: *const i32|
 201   ptr.points_to_owned((data, self_ref)) &&
 202   (self_ref == ptr::null() || self_ref == ptr.offset(0))
 203 ```
 204 (In terms of memory layout, `SelfReferential` is the same as a pair of `i32` and `*const i32`.
 205 I am of course glossing over plenty of details here, but those details are not relevant right now.
 206 Moreover, `SelfReferential` also has an owned and a shared typestate, but nothing interesting happens there.)
 207
 208 With this choice, it is easy to justify that `read_ref` is safe to execute: When the function begins, we can rely on `SelfReferential.pin(self)`.
 209 If we enter the `else` branch, we know `self_ref` is not NULL, hence it must be `ptr.offset(0)`.
 210 As a consequence, the deref of `self_ref` is fine.
 211
 212 Before we go on, I have to explain what I did with `points_to_owned` above.
 213 Before I said that this predicate operates on `List<Byte>`, but now I am using it on a pair of an `i32` and a raw pointer.
 214 Again this is an instance of using a higher-level view of memory than a raw list of bytes.
 215 For example, we might want to say that `ptr` points to `42` of type `i32` by saying `ptr.points_to_owned(42i32)`, without worrying about how to turn that value into a sequence of bytes.
 216 It turns out that we can define `points_to_owned` in terms of a lower-level `points_to_owned_bytes` that operates on `List<Byte>` as follows:
 217 ```
 218 ptr.points_to_owned(data: U) where List<Bytes>: TryInto<U> :=
 219   exists |bytes| bytes.try_into() == Ok(data) && ptr.points_to_owned_bytes(bytes)
 220 ```
 221 Just like before, we (ab)use the `TryInto` trait to convert a properly laid out list of bytes into something of type `U`.
 222
 223 ## Verifying the Pin API
 224
 225 With our notion of types extended with a pinned typestate, we can now justify the `Pin` and `PinBox` API.
 226 We will start with the methods that work for *all* types, and talk about the additional methods that require `Unpin` later.
 227 Along the way, we will discover which additional axioms we need to add to connect our new pinned typestate to the existing ones.
 228 This is where we get really technical.
 229
 230 Again, to verify a type, we first have to define its invariant for all typestates.
 231 Let us focus on the *owned* typestate:
 232
 233 > **Definition 4: `PinBox<T>.own` and `Pin<'a, T>.own`.**
 234 A list of bytes makes a valid `PinBox<T>` if those bytes form a pointer `ptr` such that we own `T.pin(ptr)`.
 235 For `Pin<'a, T>`, `ptr` is valid if we have borrowed `T.pin(ptr)` for lifetime `'a`.
 236 ```
 237 PinBox<T>.own(ptr) := T.pin(ptr)
 238 ```
 239 ```
 240 Pin<'a, T>.own(ptr) := borrowed('a, T.pin(ptr))
 241 ```
 242
 243 Let us start with the `impl<T> From<Box<T>> for PinBox<T> `, which can turn a `Box<T>` into a `PinBox<T>` in-place.
 244 We can assume that `self` satisfies the owned typestate invariant of `Box<T>`, and we have to prove that our return value (which is the same pointer) satisfies the owned typestate invariant of `PinBox<T>`.
 245 To justify this conversion, we need to turn a pointer to a fully owned `T` into a pinned `T` at the same location.
 246 This seems like a reasonable principle to require in general, so we add it to our definition of types:
 247
 248 > **Definition 3b: Rust types with pinning.**  Extend definition 3a with a new axiom:
 249
 250 > {:type="a" start="2"}
 251 2. If we own a pointer `ptr` pointing to a list of bytes `bytes` such that `T.own(bytes)` holds, then we can move to the pinned typestate and obtain `T.pin(ptr)`. Formally:
 252 ```
 253 forall |ptr, bytes| (ptr.points_to_owned(bytes) && T.own(bytes)) -> T.pin(ptr)
 254 ```
 255
 256 `PinBox::new` can now be easily implemented using `Box::new` and `PinBox<T>::from`.
 257
 258 For `PinBox::as_pin`, we start with a `&'a mut PinBox<T>`, which is a pointer-to-pointer, and return the inner pointer as `Pin<'a, T>`.
 259 This is justified because we start with a borrow for lifetime `'a` of a pointer to some `bytes` that satisfy (for the given lifetime) `PinBox<T>.own(bytes)`:
 260 ```
 261 borrowed('a, exists |bytes| ptr.points_to_owned(bytes) && PinBox<T>.own(bytes))
 262 ```
 263 Unfolding the `PinBox<T>.own`, we can deduce that `bytes` actually form a pointer `inner_ptr` such that `T.pin(inner_ptr)` (for the given lifetime).
 264 This exactly matches our return type, so we're good!
 265
 266 Finally, let us look at `impl<T> Deref for PinBox<T>`.
 267 This is where the shared typestate of `PinBox` becomes relevant:
 268 This `impl` turns a `&'a PinBox<T>` into a `&'a T` by dereferencing it once.
 269 To justify this, we have to be able to move from the pinned typestate of `T` to the shared typestate, which we require as our final additional axiom:
 270
 271 > **Definition 3c: Rust types with pinning.**  Extend definition 3b with a new axiom:
 272
 273 > {:type="a" start="3"}
 274 3. If we have borrowed, for lifetime `'a`, a pointer `ptr` such that `T.pin(ptr)` holds, then we can move to the shared typestate and obtain `T.shr('a, ptr)`.  (Implicitly, when the original borrow ends, the type is moved back to the owned typestate.) Formally:
 275 ```
 276 forall |'a, ptr| borrowed('a, T.pin(ptr)) -> T.shr('a, ptr)
 277 ```
 278
 279 > This is the final definition of Rust types with pinning.
 280
 281 Now we have connected the new pinned typestate with both the owned and the shared typestate, so these should be all the axioms we need.
 282
 283 Next, we define the shared typestate of `PinBox<T>`:
 284
 285 > **Definition 5: `PinBox<T>.shr`.**
 286 A pointer `ptr` and lifetime `'a` satisfy the shared typestate of `PinBox<T>` if `ptr` is a read-only pointer to another pointer `inner_ptr` such that `T.shr('a, inner_ptr)`.
 287 In other words, a shared `PinBox<T>` is just a read-only pointer to a shared `T`:
 288 ```
 289 PinBox<T>.shr('a, ptr) := exists |inner_ptr|
 290   ptr.points_to_read_only('a, inner_ptr) && T.shr('a, inner_ptr)
 291 ```
 292 This requires a way to talk about memory that is read-only for the duration of some lifetime.
 293 We assume we have a predicate `ptr.points_to_read_only_bytes('a: Lifetime, bytes: List<Byte>)` saying that `ptr` points to `bytes.len()` many bytes of valid memory containing `bytes`, and that for lifetime `'a`, we are free to read that memory and it will not change.
 294 We then define a convenient variant based on higher-level memory representations as usual:
 295 ```
 296 ptr.points_to_read_only('a: Lifetime, data: U) where List<Bytes>: TryInto<U> :=
 297   exists |bytes| bytes.try_into() == Ok(data) && ptr.points_to_read_only_bytes('a, bytes)
 298 ```
 299
 300 Remember that there is an axiom (a) connecting the owned and shared typestate; we have to make sure that this axiom is satisfied for `PinBox`---it turns out that is the case, and the proof relies on the new axiom (c) we just added.
 301 With this definition of `PinBox<T>.shr`, justifying the `impl<T> Deref for PinBox<T>` is fairly straight-forward.
 302
 303 This completes the methods available on `PinBox`.
 304 Verifying `Pin` follows the same approach, so I am not going to spell that out here.
 305
 306 ## Unpin
 307
 308 The `Unpin` marker trait lets type *opt-out* of pinning: If a type is `Unpin`, the type doesn't actually care about being pinned and hence we can freely convert between `&'a mut T` and `Pin<'a, T>`.
 309 Formally speaking:
 310
 311 > **Definition 6: `Unpin`.** A type `T` is `Unpin` if from `T.pin(ptr)` we can deduce that we own the pointer `ptr` and it points to a list of bytes `bytes` such that `T.own(bytes)` holds.
 312 Formally:
 313 ```
 314 forall |ptr| T.pin(ptr) -> (exists |bytes| ptr.points_to_owned(bytes) && T.own(bytes))
 315 ```
 316
 317 Note that this is exactly the inverse direction of axiom (b) added in definition 2b: For `Unpin` types, we can freely move between the owned and pinned typestate.
 318
 319 Clearly, `SelfReferential` is *not* `Unpin`.
 320 On the other hand, for types like `i32`, their pinned typestate invariant `i32.pin(ptr)` will only care about the memory that `ptr` points to and not about the actual value of `ptr`, so they satisfy the `Unpin` axiom.
 321
 322 With this definition at hand, it should be clear that if we assume `T: Unpin`, then `&'a mut T` and `Pin<'a, T>` are equivalent types, and so are `Box<T>` and `PinBox<T>`.
 323 This justifies all the methods with an `Unpin` bound.
 324
 325 ## Pin is a Local Extension
 326
 327 One advantage of this proposal is that it is *local*:
 328 Existing types (and new types) that are designed without considering `Pin` remain sound in the presence of this new typestate, even if we automatically derive the `Unpin` trait for these types.
 329 The reason this works is that we can always define `T.pin(ptr)` as saying that we fully own `ptr` pointing to `bytes` such that we have `T.own(bytes)`:
 330 ```
 331 T.pin(ptr) := exists |bytes| ptr.points_to_owned(bytes) && T.own(bytes)
 332 ```
 333 This satisfies the additional axioms (b) and (c) connecting the pinned typestate to the others, and it also satisfies `Unpin`.
 334 The latter is crucial, because it means we can automatically derive `Unpin` instances through the auto trait mechanism and do not have to review the entire ecosystem for `Pin`-compatibility.
 335
 336 ## Conclusion
 337
 338 We have seen how the new `Pin` type can be used to give safe APIs to types like `SelfReferential`, and how we can (semi-)formally argue for the correctness of `SelfReferential` and the methods on `Pin` and `PinBox`.
 339 I hope I was able to shed some light both on how pinning is useful, and how we can reason about safety of a typed API in general.
 340 Next time, we are going to look at an extension to the pinning API proposed by @cramertj which guarantees that `drop` will be called under some circumstances, and how that is useful for intrusive collections.
 341
 342 Thanks for reading!
 343 I am looking forward to hearing your [comments](https://internals.rust-lang.org/t/sharing-for-a-lifetime/7236).
 344 In particular, I am curious if the made-up syntax for making the typestate invariants more precise was helpful.