lin
2025-07-31 065ea569db06206874bbfa18eb25ff6121aec09b
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
163
164
165
166
167
168
169
170
171
172
173
174
175
176
177
178
179
180
181
182
183
184
185
186
187
188
189
190
191
192
193
194
195
196
197
198
199
200
201
202
203
204
205
206
207
208
209
210
211
212
213
214
215
216
217
218
219
220
221
222
223
224
225
226
227
228
229
230
231
232
233
234
235
236
237
238
239
240
241
242
243
244
245
246
247
248
249
250
251
252
253
254
255
256
257
258
259
260
261
262
263
264
265
266
267
268
269
270
271
272
273
274
275
276
277
278
279
280
281
282
283
284
285
286
287
288
289
290
291
292
293
294
295
296
297
298
299
300
301
302
303
304
305
306
307
308
309
310
311
312
313
314
315
316
317
318
319
320
321
322
323
324
325
326
327
328
329
330
331
332
333
334
335
336
337
338
339
340
341
342
343
344
345
346
347
348
349
350
351
352
353
354
355
356
357
358
359
360
361
362
363
364
365
366
367
368
369
370
371
372
373
374
375
376
377
378
379
380
381
382
383
384
385
386
387
388
389
390
391
392
393
394
395
396
397
398
399
400
401
402
403
404
405
406
407
408
409
410
411
412
413
414
415
416
417
418
419
420
421
422
423
424
425
426
427
428
429
430
431
432
433
434
435
436
437
438
439
440
441
442
443
444
445
446
447
448
449
450
451
452
453
454
455
456
457
458
459
460
461
462
463
464
465
466
467
468
469
470
471
472
473
474
475
476
477
478
479
480
481
482
483
484
485
486
487
488
489
490
491
492
493
494
495
496
497
498
499
500
501
502
503
504
505
506
507
508
509
510
511
512
513
514
515
516
517
518
519
520
521
522
523
/*
 * Copyright (C) 2017 The Android Open Source Project
 *
 * Licensed under the Apache License, Version 2.0 (the "License");
 * you may not use this file except in compliance with the License.
 * You may obtain a copy of the License at
 *
 *      http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0
 *
 * Unless required by applicable law or agreed to in writing, software
 * distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS,
 * WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.
 * See the License for the specific language governing permissions and
 * limitations under the License.
 */
 
#ifndef ART_RUNTIME_SUBTYPE_CHECK_INFO_H_
#define ART_RUNTIME_SUBTYPE_CHECK_INFO_H_
 
#include "base/bit_string.h"
#include "subtype_check_bits.h"
 
// Forward-declare for testing purposes.
struct SubtypeCheckInfoTest;
 
namespace art {
 
/**
 * SubtypeCheckInfo is a logical label for the class SubtypeCheck data, which is necessary to
 * perform efficient O(1) subtype comparison checks. See also subtype_check.h
 * for the more general explanation of how the labels are used overall.
 *
 * For convenience, we also store the class depth within an SubtypeCheckInfo, since nearly all
 * calculations are dependent on knowing the depth of the class.
 *
 * A SubtypeCheckInfo logically has:
 *          * Depth - How many levels up to the root (j.l.Object)?
 *          * PathToRoot - Possibly truncated BitString that encodes path to root
 *          * Next - The value a newly inserted Child would get appended to its path.
 *          * Overflow - If this path can never become a full path.
 *
 * Depending on the values of the above, it can be in one of these logical states,
 * which are introduced in subtype_check.h:
 *
 *               Transient States                         Terminal States
 *
 *  +-----------------+     +--------------------+     +-------------------+
 *  |                 |     |                    |     |                   |
 *  |  Uninitialized  | +--->    Initialized     | +--->     Assigned      |
 *  |                 |     |                    |     |                   |
 *  +--------+--------+     +---------+----------+     +-------------------+
 *           |                        |
 *           |                        |
 *           |                        |                +-------------------+
 *           |                        +---------------->                   |
 *           |                                         |     Overflowed    |
 *           +----------------------------------------->                   |
 *                                                     +-------------------+
 *
 * Invariants:
 *
 *   Initialized      => Parent >= Initialized
 *
 *   Assigned         => Parent == Assigned
 *
 *   Overflowed       => Parent == Overflowed || Parent.Next == Overflowed
 *
 * Thread-safety invariants:
 *
 *   Initialized      => Parent == Assigned
 *   // For a class that has an Initialized bitstring, its superclass needs to have an
 *   // Assigned bitstring since if its super class's bitstring is not Assigned yet,
 *   // once it becomes Assigned, we cannot update its children's bitstrings to maintain
 *   // all the tree invariants (below) atomically.
 *
 * --------------------------------------------------------------------------------------------
 * Knowing these transitions above, we can more closely define the various terms and operations:
 *
 * Definitions:
 *   (see also base/bit_string.h definitions).
 *
 *           Depth :=  Distance(Root, Class)
 *     Safe(Depth) :=  Min(Depth, MaxBitstringLen)
 *      PathToRoot :=  Bitstring[0..Safe(Depth))
 *           Next  :=  Bitstring[Depth]
 *           OF    ∈   {False, True}
 *    TruncPath(D) :=  PathToRoot[0..D)
 *
 * Local Invariants:
 *
 *   Uninitialized <=> StrLen(PathToRoot) == 0
 *                     Next == 0
 *                     OF == False
 *   Initialized   <=> StrLen(PathToRoot) < Depth
 *                     Next == 1
 *                     OF == False
 *   Assigned      <=> StrLen(PathToRoot) == Depth
 *                     Next >= 1
 *                     OF == False
 *   Overflowed    <=> OF == True
 *
 * Tree Invariants:
 *
 *   Uninitialized =>
 *     forall child ∈ Children(Class):
 *       child.State == Uninitialized
 *
 *   Assigned       =>
 *     forall child ∈ Children(Class):
 *       Next > Child.PathToRoot[Child.Depth-1]
 *
 *   ! Uninitialized =>
 *     forall ancestor ∈ Ancestors(Class):
 *       TruncPath(ancestor.Depth) == ancestor.PathToRoot
 *     forall unrelated ∈ (Classes - Ancestors(Class))
 *         s.t. unrelated.State == Assigned:
 *       TruncPath(unrelated.Depth) != unrelated.PathToRoot
 *
 * Thread-safety invariants:
 *
 *   Initialized   <=> StrLen(PathToRoot) == Safe(Depth - 1)
 *   // Initialized State corresponds to exactly 1 bitstring.
 *   // Cannot transition from Initialized to Initialized.
 */
struct SubtypeCheckInfo {
  // See above documentation for possible state transitions.
  enum State {
    kUninitialized,
    kInitialized,
    kAssigned,
    kOverflowed
  };
 
  // The result of a "src IsSubType target" check:
  enum Result {
    kUnknownSubtypeOf,  // Not enough data. Operand states weren't high enough.
    kNotSubtypeOf,      // Enough data. src is not a subchild of the target.
    kSubtypeOf          // Enough data. src is a subchild of the target.
  };
 
  // Get the raw depth.
  size_t GetDepth() const {
    return depth_;
  }
 
  // Chop off the depth, returning only the bitstring+of state.
  // (Used to store into memory, since storing the depth would be redundant.)
  SubtypeCheckBits GetSubtypeCheckBits() const {
    return bitstring_and_of_;
  }
 
  // Create from the depth and the bitstring+of state.
  // This is done for convenience to avoid passing in "depth" everywhere,
  // since our current state is almost always a function of depth.
  static SubtypeCheckInfo Create(SubtypeCheckBits compressed_value, size_t depth) {
    SubtypeCheckInfo io;
    io.depth_ = depth;
    io.bitstring_and_of_ = compressed_value;
    io.DcheckInvariants();
    return io;
  }
 
  // Is this a subtype of the target?
  //
  // The current state must be at least Initialized, and the target state
  // must be Assigned, otherwise the result will return kUnknownSubtypeOf.
  //
  // Normally, return kSubtypeOf or kNotSubtypeOf.
  Result IsSubtypeOf(const SubtypeCheckInfo& target) {
    if (target.GetState() != SubtypeCheckInfo::kAssigned) {
      return Result::kUnknownSubtypeOf;
    } else if (GetState() == SubtypeCheckInfo::kUninitialized) {
      return Result::kUnknownSubtypeOf;
    }
 
    BitString::StorageType source_value = GetEncodedPathToRoot();
    BitString::StorageType target_value = target.GetEncodedPathToRoot();
    BitString::StorageType target_mask = target.GetEncodedPathToRootMask();
 
    bool result = (source_value & target_mask) == (target_value);
    if (result) {
      DCHECK_EQ(GetPathToRoot().Truncate(target.GetSafeDepth()), target.GetPathToRoot())
          << "Source: " << *this << ", Target: " << target;
    } else {
      DCHECK_NE(GetPathToRoot().Truncate(target.GetSafeDepth()), target.GetPathToRoot())
          << "Source: " << *this << ", Target: " << target;
    }
 
    // Note: We could've also used shifts here, as described in subtype_check_bits.h,
    // but it doesn't make much of a difference in the Runtime since we aren't trying to optimize
    // for code size.
 
    return result ? Result::kSubtypeOf : Result::kNotSubtypeOf;
  }
 
  // Returns a new root SubtypeCheckInfo with a blank PathToRoot.
  // Post-condition: The return valued has an Assigned state.
  static SubtypeCheckInfo CreateRoot() {
    SubtypeCheckInfo io{};
    io.depth_ = 0u;
    io.SetNext(io.GetNext() + 1u);
 
    // The root is always considered assigned once it is no longer Initialized.
    DCHECK_EQ(SubtypeCheckInfo::kAssigned, io.GetState());
    return io;
  }
 
  // Copies the current PathToRoot into the child.
  //
  // If assign_next is true, then also assign a new SubtypeCheckInfo for a child by
  // assigning the current Next value to its PathToRoot[Depth] component.
  // Updates the current Next value as a side effect.
  //
  // Preconditions: State is either Assigned or Overflowed.
  // Returns: A new child >= Initialized state.
  SubtypeCheckInfo CreateChild(bool assign_next) {
    SubtypeCheckInfo child = *this;  // Copy everything (path, next, of).
    child.depth_ = depth_ + 1u;
 
    // Must be Assigned or Overflowed in order to create a subchild.
    DCHECK(GetState() == kAssigned || GetState() == kOverflowed)
        << "Unexpected bitstring state: " << GetState();
 
    // Begin transition to >= Initialized.
 
    // Always attempt to re-initialize Child's Next value.
    // Next must be non-0 to disambiguate it from Uninitialized.
    child.MaybeInitNext();
 
    // Always clear the inherited Parent's next Value, i.e. the child's last path entry.
    OverwriteNextValueFromParent(/*inout*/&child, BitStringChar{});
 
    // The state is now Initialized | Overflowed.
    DCHECK_NE(kAssigned, child.GetState()) << child.GetBitString();
    DCHECK_NE(kUninitialized, child.GetState()) << child.GetBitString();
 
    if (assign_next == false) {
      child.DcheckInvariants();
      return child;
    }
 
    // Begin transition to >= Assigned.
 
    // Assign attempt.
    if (HasNext() && !bitstring_and_of_.overflow_) {
      BitStringChar next = GetNext();
      if (next != next.MaximumValue()) {
        // The parent's "next" value is now the child's latest path element.
        OverwriteNextValueFromParent(/*inout*/&child, next);
        // Update self next value, so that future CreateChild calls
        // do not get the same path value.
        SetNext(next + 1u);
      } else {
        child.MarkOverflowed();  // Too wide.
      }
    } else {
      child.MarkOverflowed();  // Too deep, or parent was already overflowed.
    }
 
    // The state is now Assigned | Overflowed.
    DCHECK(child.GetState() == kAssigned || child.GetState() == kOverflowed);
 
    child.DcheckInvariants();
    return child;
  }
 
  // Get the current state (Uninitialized, Initialized, Assigned, or Overflowed).
  // See the "SubtypeCheckInfo" documentation above which explains how a state is determined.
  State GetState() const {
    if (bitstring_and_of_.overflow_) {
      // Overflowed if and only if the OF bit was set.
      return kOverflowed;
    }
 
    if (GetBitString().IsEmpty()) {
      // Empty bitstring (all 0s) -> uninitialized.
      return kUninitialized;
    }
 
    // Either Assigned or Initialized.
    BitString path_to_root = GetPathToRoot();
 
    DCHECK(!HasNext() || GetNext() != 0u)
        << "Expected (Assigned|Initialized) state to have >0 Next value: "
        << GetNext() << " path: " << path_to_root;
 
    if (path_to_root.Length() == depth_) {
      return kAssigned;
    }
 
    return kInitialized;
  }
 
  // Retrieve the path to root bitstring as a plain uintN_t value that is amenable to
  // be used by a fast check "encoded_src & mask_target == encoded_target".
  BitString::StorageType GetEncodedPathToRoot() const {
    BitString::StorageType data = static_cast<BitString::StorageType>(GetPathToRoot());
    // Bit strings are logically in the least-significant memory.
    return data;
  }
 
  // Retrieve the path to root bitstring mask as a plain uintN_t that is amenable to
  // be used by a fast check "encoded_src & mask_target == encoded_target".
  BitString::StorageType GetEncodedPathToRootMask() const {
    size_t num_bitchars = GetSafeDepth();
    size_t bitlength = BitString::GetBitLengthTotalAtPosition(num_bitchars);
    return MaskLeastSignificant<BitString::StorageType>(bitlength);
  }
 
  // Get the "Next" bitchar, assuming that there is one to get.
  BitStringChar GetNext() const {
    DCHECK(HasNext());
    return GetBitString()[depth_];
  }
 
  // Try to get the Next value, if there is one.
  // Returns: Whether or not there was a Next value.
  bool MaybeGetNext(/*out*/BitStringChar* next) const {
    DCHECK(next != nullptr);
 
    if (HasNext()) {
      *next = GetBitString()[depth_];
      return true;
    }
    return false;
  }
 
 private:
  // Constructor intended for testing. Runs all invariant checks.
  SubtypeCheckInfo(BitString path_to_root, BitStringChar next, bool overflow, size_t depth) {
    SubtypeCheckBits iod;
    iod.bitstring_ = path_to_root;
    iod.overflow_ = overflow;
 
    bitstring_and_of_ = iod;
    depth_ = depth;
 
    // Len(Path-to-root) <= Depth.
    DCHECK_GE(depth_, path_to_root.Length())
        << "Path was too long for the depth, path: " << path_to_root;
 
    bool did_overlap = false;
    if (HasNext()) {
      if (kIsDebugBuild) {
        did_overlap = (GetNext() != 0u);
      }
 
      SetNext(next);
 
      DCHECK_EQ(next, GetNext());
    }
    // "Next" must be set before we can check the invariants.
    DcheckInvariants();
    DCHECK(!did_overlap)
          << "Path to root overlapped with Next value, path: " << path_to_root;
    DCHECK_EQ(path_to_root, GetPathToRoot());
  }
 
  // Factory intended for testing. Skips DcheckInvariants.
  static SubtypeCheckInfo MakeUnchecked(BitString bitstring, bool overflow, size_t depth) {
    SubtypeCheckBits iod;
    iod.bitstring_ = bitstring;
    iod.overflow_ = overflow;
 
    SubtypeCheckInfo io;
    io.depth_ = depth;
    io.bitstring_and_of_ = iod;
 
    return io;
  }
 
  void SetNext(BitStringChar next) {
    DCHECK(HasNext());
    BitString bs = GetBitString();
    bs.SetAt(depth_, next);
    SetBitString(bs);
  }
 
  void SetNextUnchecked(BitStringChar next) {
    BitString bs = GetBitString();
    bs.SetAt(depth_, next);
    SetBitStringUnchecked(bs);
  }
 
  // If there is a next field, set it to 1.
  void MaybeInitNext() {
    if (HasNext()) {
      // Clearing out the "Next" value like this
      // is often an intermediate operation which temporarily
      // violates the invariants. Do not do the extra dchecks.
      SetNextUnchecked(BitStringChar{});
      SetNextUnchecked(GetNext()+1u);
    }
  }
 
  BitString GetPathToRoot() const {
    size_t end = GetSafeDepth();
    return GetBitString().Truncate(end);
  }
 
  bool HasNext() const {
    return depth_ < BitString::kCapacity;
  }
 
  void MarkOverflowed() {
    bitstring_and_of_.overflow_ = true;
  }
 
  static constexpr bool HasBitStringCharStorage(size_t idx) {
    return idx < BitString::kCapacity;
  }
 
  size_t GetSafeDepth() const {
    return GetSafeDepth(depth_);
  }
 
  // Get a "safe" depth, one that is truncated to the bitstring max capacity.
  // Using a value larger than this will cause undefined behavior.
  static size_t GetSafeDepth(size_t depth) {
    return std::min(depth, BitString::kCapacity);
  }
 
  BitString GetBitString() const {
    return bitstring_and_of_.bitstring_;
  }
 
  void SetBitString(const BitString& val) {
    SetBitStringUnchecked(val);
    DcheckInvariants();
  }
 
  void SetBitStringUnchecked(const BitString& val) {
    bitstring_and_of_.bitstring_ = val;
  }
 
  void OverwriteNextValueFromParent(/*inout*/SubtypeCheckInfo* child, BitStringChar value) const {
    // Helper function for CreateChild.
    if (HasNext()) {
      // When we copied the "Next" value, it is now our
      // last path component in the child.
      // Always overwrite it with either a cleared value or the parent's Next value.
      BitString bs = child->GetBitString();
 
      // Safe write. This.Next always occupies same slot as Child[Depth_].
      DCHECK(child->HasBitStringCharStorage(depth_));
 
      bs.SetAt(depth_, value);
 
      // The child is temporarily in a bad state until it is fixed up further.
      // Do not do the normal dchecks which do not allow transient badness.
      child->SetBitStringUnchecked(bs);
    }
  }
 
  void DcheckInvariants() const {
    if (kIsDebugBuild) {
      CHECK_GE(GetSafeDepth(depth_ + 1u), GetBitString().Length())
          << "Bitstring too long for depth, bitstring: " << GetBitString() << ", depth: " << depth_;
 
      BitString path_to_root = GetPathToRoot();
 
      // A 'null' (\0) character in path-to-root must be followed only
      // by other null characters.
      size_t i;
      for (i = 0; i < BitString::kCapacity; ++i) {
        BitStringChar bc = path_to_root[i];
        if (bc == 0u) {
          break;
        }
      }
 
      // All characters following a 0 must also be 0.
      for (; i < BitString::kCapacity; ++i) {
        BitStringChar bc = path_to_root[i];
        if (bc != 0u) {
          LOG(FATAL) << "Path to root had non-0s following 0s: " << path_to_root;
        }
      }
 
       // Trigger any dchecks in GetState.
      (void)GetState();
    }
  }
 
  SubtypeCheckInfo() = default;
  size_t depth_;
  SubtypeCheckBits bitstring_and_of_;
 
  friend struct ::SubtypeCheckInfoTest;
  friend std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const SubtypeCheckInfo& io);
};
 
// Prints the SubtypeCheckInfo::State, e.g. "kUnitialized".
inline std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const SubtypeCheckInfo::State& state) {
  switch (state) {
    case SubtypeCheckInfo::kUninitialized:
      os << "kUninitialized";
      break;
    case SubtypeCheckInfo::kInitialized:
      os << "kInitialized";
      break;
    case SubtypeCheckInfo::kAssigned:
      os << "kAssigned";
      break;
    case SubtypeCheckInfo::kOverflowed:
      os << "kOverflowed";
      break;
    default:
      os << "(Invalid SubtypeCheckInfo::State " << static_cast<int>(state) << ")";
  }
  return os;
}
 
// Prints e.g. "SubtypeCheckInfo{BitString[1,2,3], depth: 3, of:1}"
inline std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const SubtypeCheckInfo& io) {
  os << "SubtypeCheckInfo{" << io.GetBitString() << ", "
     << "depth: " << io.depth_ << ", of:" << io.bitstring_and_of_.overflow_ << "}";
  return os;
}
 
}  // namespace art
 
#endif  // ART_RUNTIME_SUBTYPE_CHECK_INFO_H_