7f0b6451388ecb0e6a166f9e873d6686399fc8ec
[libcds.git] / cds / container / impl / ellen_bintree_map.h
1 //$$CDS-header$$
2
3 #ifndef __CDS_CONTAINER_IMPL_ELLEN_BINTREE_MAP_H
4 #define __CDS_CONTAINER_IMPL_ELLEN_BINTREE_MAP_H
5
6 #include <type_traits>
7 #include <cds/container/details/ellen_bintree_base.h>
8 #include <cds/intrusive/impl/ellen_bintree.h>
9 #include <cds/container/details/guarded_ptr_cast.h>
10
11 namespace cds { namespace container {
12
13     /// Map based on Ellen's et al binary search tree
14     /** @ingroup cds_nonintrusive_map
15         @ingroup cds_nonintrusive_tree
16         @anchor cds_container_EllenBinTreeMap
17
18         Source:
19             - [2010] F.Ellen, P.Fatourou, E.Ruppert, F.van Breugel "Non-blocking Binary Search Tree"
20
21         %EllenBinTreeMap is an unbalanced leaf-oriented binary search tree that implements the <i>map</i>
22         abstract data type. Nodes maintains child pointers but not parent pointers.
23         Every internal node has exactly two children, and all data of type <tt>std::pair<Key const, T></tt>
24         currently in the tree are stored in the leaves. Internal nodes of the tree are used to direct \p find
25         operation along the path to the correct leaf. The keys (of \p Key type) stored in internal nodes
26         may or may not be in the map.
27         Unlike \ref cds_container_EllenBinTreeSet "EllenBinTreeSet" keys are not a part of \p T type.
28         The map can be represented as a set containing <tt>std::pair< Key const, T> </tt> values.
29
30         Due to \p extract_min and \p extract_max member functions the \p %EllenBinTreeMap can act as
31         a <i>priority queue</i>. In this case you should provide unique compound key, for example,
32         the priority value plus some uniformly distributed random value.
33
34         @warning Recall the tree is <b>unbalanced</b>. The complexity of operations is <tt>O(log N)</tt>
35         for uniformly distributed random keys, but in worst case the complexity is <tt>O(N)</tt>.
36
37         @note In the current implementation we do not use helping technique described in the original paper.
38         In Hazard Pointer schema helping is too complicated and does not give any observable benefits.
39         Instead of helping, when a thread encounters a concurrent operation it just spins waiting for
40         the operation done. Such solution allows greatly simplify implementation of the tree.
41
42         <b>Template arguments</b> :
43         - \p GC - safe memory reclamation (i.e. light-weight garbage collector) type, like \p cds::gc::HP, \p cds::gc::DHP
44         - \p Key - key type
45         - \p T - value type to be stored in tree's leaf nodes.
46         - \p Traits - map traits, default is \p ellen_bintree::traits
47             It is possible to declare option-based tree with \p ellen_bintree::make_map_traits metafunction
48             instead of \p Traits template argument.
49
50         @note Do not include <tt><cds/container/impl/ellen_bintree_map.h></tt> header file directly.
51         There are header file for each GC type:
52         - <tt><cds/container/ellen_bintree_map_hp.h></tt> - for Hazard Pointer GC cds::gc::HP
53         - <tt><cds/container/ellen_bintree_map_dhp.h></tt> - for Dynamic Hazard Pointer GC cds::gc::DHP
54         - <tt><cds/container/ellen_bintree_map_rcu.h></tt> - for RCU GC
55             (see \ref cds_container_EllenBinTreeMap_rcu "RCU-based EllenBinTreeMap")
56     */
57     template <
58         class GC,
59         typename Key,
60         typename T,
61 #ifdef CDS_DOXYGEN_INVOKED
62         class Traits = ellen_bintree::traits
63 #else
64         class Traits
65 #endif
66     >
67     class EllenBinTreeMap
68 #ifdef CDS_DOXYGEN_INVOKED
69         : public cds::intrusive::EllenBinTree< GC, Key, T, Traits >
70 #else
71         : public ellen_bintree::details::make_ellen_bintree_map< GC, Key, T, Traits >::type
72 #endif
73     {
74         //@cond
75         typedef ellen_bintree::details::make_ellen_bintree_map< GC, Key, T, Traits > maker;
76         typedef typename maker::type base_class;
77         //@endcond
78     public:
79         typedef GC      gc;          ///< Garbage collector
80         typedef Key     key_type;    ///< type of a key stored in the map
81         typedef T       mapped_type; ///< type of value stored in the map
82         typedef std::pair< key_type const, mapped_type >    value_type  ;   ///< Key-value pair stored in leaf node of the mp
83         typedef Traits  traits;      ///< Map traits 
84
85 #   ifdef CDS_DOXYGEN_INVOKED
86         typedef implementation_defined key_comparator; ///< key compare functor based on \p Traits::compare and \p Traits::less
87 #   else
88         typedef typename maker::intrusive_traits::compare   key_comparator;
89 #   endif
90         typedef typename base_class::item_counter           item_counter; ///< Item counting policy
91         typedef typename base_class::memory_model           memory_model; ///< Memory ordering, see \p cds::opt::memory_model
92         typedef typename base_class::node_allocator         node_allocator_type; ///< allocator for maintaining internal node
93         typedef typename base_class::stat                   stat;         ///< internal statistics type
94         typedef typename traits::copy_policy                copy_policy;  ///< key copy policy
95         typedef typename traits::back_off                   back_off;      ///< Back-off strategy
96
97         typedef typename traits::allocator                  allocator_type;   ///< Allocator for leaf nodes
98         typedef typename base_class::node_allocator         node_allocator;   ///< Internal node allocator
99         typedef typename base_class::update_desc_allocator  update_desc_allocator; ///< Update descriptor allocator
100
101     protected:
102         //@cond
103         typedef typename base_class::value_type         leaf_node;
104         typedef typename base_class::internal_node      internal_node;
105         typedef typename base_class::update_desc        update_desc;
106
107         typedef typename maker::cxx_leaf_node_allocator cxx_leaf_node_allocator;
108
109         typedef std::unique_ptr< leaf_node, typename maker::leaf_deallocator >    scoped_node_ptr;
110         //@endcond
111
112     public:
113         /// Guarded pointer
114         typedef cds::gc::guarded_ptr< gc, leaf_node, value_type, details::guarded_ptr_cast_set<leaf_node, value_type> > guarded_ptr;
115
116     public:
117         /// Default constructor
118         EllenBinTreeMap()
119             : base_class()
120         {}
121
122         /// Clears the map
123         ~EllenBinTreeMap()
124         {}
125
126         /// Inserts new node with key and default value
127         /**
128             The function creates a node with \p key and default value, and then inserts the node created into the map.
129
130             Preconditions:
131             - The \ref key_type should be constructible from a value of type \p K.
132                 In trivial case, \p K is equal to \ref key_type.
133             - The \ref mapped_type should be default-constructible.
134
135             Returns \p true if inserting successful, \p false otherwise.
136         */
137         template <typename K>
138         bool insert( K const& key )
139         {
140             return insert_key( key, [](value_type&){} );
141         }
142
143         /// Inserts new node
144         /**
145             The function creates a node with copy of \p val value
146             and then inserts the node created into the map.
147
148             Preconditions:
149             - The \p key_type should be constructible from \p key of type \p K.
150             - The \p value_type should be constructible from \p val of type \p V.
151
152             Returns \p true if \p val is inserted into the map, \p false otherwise.
153         */
154         template <typename K, typename V>
155         bool insert( K const& key, V const& val )
156         {
157             scoped_node_ptr pNode( cxx_leaf_node_allocator().New( key, val ));
158             if ( base_class::insert( *pNode ))
159             {
160                 pNode.release();
161                 return true;
162             }
163             return false;
164         }
165
166         /// Inserts new node and initialize it by a functor
167         /**
168             This function inserts new node with key \p key and if inserting is successful then it calls
169             \p func functor with signature
170             \code
171                 struct functor {
172                     void operator()( value_type& item );
173                 };
174             \endcode
175
176             The argument \p item of user-defined functor \p func is the reference
177             to the map's item inserted:
178                 - <tt>item.first</tt> is a const reference to item's key that cannot be changed.
179                 - <tt>item.second</tt> is a reference to item's value that may be changed.
180
181             The key_type should be constructible from value of type \p K.
182
183             The function allows to split creating of new item into two part:
184             - create item from \p key;
185             - insert new item into the map;
186             - if inserting is successful, initialize the value of item by calling \p func functor
187
188             This can be useful if complete initialization of object of \p value_type is heavyweight and
189             it is preferable that the initialization should be completed only if inserting is successful.
190         */
191         template <typename K, typename Func>
192         bool insert_key( const K& key, Func func )
193         {
194             scoped_node_ptr pNode( cxx_leaf_node_allocator().New( key ));
195             if ( base_class::insert( *pNode, [&func]( leaf_node& item ) { func( item.m_Value ); } )) {
196                 pNode.release();
197                 return true;
198             }
199             return false;
200         }
201
202         /// For key \p key inserts data of type \p value_type created in-place from \p args
203         /**
204             Returns \p true if inserting successful, \p false otherwise.
205         */
206         template <typename K, typename... Args>
207         bool emplace( K&& key, Args&&... args )
208         {
209             scoped_node_ptr pNode( cxx_leaf_node_allocator().New( std::forward<K>(key), std::forward<Args>(args)... ));
210             if ( base_class::insert( *pNode )) {
211                 pNode.release();
212                 return true;
213             }
214             return false;
215         }
216
217         /// Ensures that the \p key exists in the map
218         /**
219             The operation performs inserting or changing data with lock-free manner.
220
221             If the \p key not found in the map, then the new item created from \p key
222             is inserted into the map (note that in this case the \ref key_type should be
223             constructible from type \p K).
224             Otherwise, the functor \p func is called with item found.
225             The functor \p Func may be a function with signature:
226             \code
227                 void func( bool bNew, value_type& item );
228             \endcode
229             or a functor:
230             \code
231                 struct my_functor {
232                     void operator()( bool bNew, value_type& item );
233                 };
234             \endcode
235
236             with arguments:
237             - \p bNew - \p true if the item has been inserted, \p false otherwise
238             - \p item - item of the list
239
240             The functor may change any fields of the \p item.second that is \ref value_type.
241
242             Returns <tt> std::pair<bool, bool> </tt> where \p first is true if operation is successfull,
243             \p second is true if new item has been added or \p false if the item with \p key
244             already is in the list.
245
246             @warning See \ref cds_intrusive_item_creating "insert item troubleshooting"
247         */
248         template <typename K, typename Func>
249         std::pair<bool, bool> ensure( K const& key, Func func )
250         {
251             scoped_node_ptr pNode( cxx_leaf_node_allocator().New( key ));
252             std::pair<bool, bool> res = base_class::ensure( *pNode,
253                 [&func](bool bNew, leaf_node& item, leaf_node const& ){ func( bNew, item.m_Value ); }
254             );
255             if ( res.first && res.second )
256                 pNode.release();
257             return res;
258         }
259
260         /// Delete \p key from the map
261         /**\anchor cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_erase_val
262
263             Return \p true if \p key is found and deleted, \p false otherwise
264         */
265         template <typename K>
266         bool erase( K const& key )
267         {
268             return base_class::erase(key);
269         }
270
271         /// Deletes the item from the map using \p pred predicate for searching
272         /**
273             The function is an analog of \ref cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_erase_val "erase(K const&)"
274             but \p pred is used for key comparing.
275             \p Less functor has the interface like \p std::less.
276             \p Less must imply the same element order as the comparator used for building the map.
277         */
278         template <typename K, typename Less>
279         bool erase_with( K const& key, Less pred )
280         {
281             return base_class::erase_with( key, cds::details::predicate_wrapper< leaf_node, Less, typename maker::key_accessor >());
282         }
283
284         /// Delete \p key from the map
285         /** \anchor cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_erase_func
286
287             The function searches an item with key \p key, calls \p f functor
288             and deletes the item. If \p key is not found, the functor is not called.
289
290             The functor \p Func interface:
291             \code
292             struct extractor {
293                 void operator()(value_type& item) { ... }
294             };
295             \endcode
296
297             Return \p true if key is found and deleted, \p false otherwise
298         */
299         template <typename K, typename Func>
300         bool erase( K const& key, Func f )
301         {
302             return base_class::erase( key, [&f]( leaf_node& node) { f( node.m_Value ); } );
303         }
304
305         /// Deletes the item from the map using \p pred predicate for searching
306         /**
307             The function is an analog of \ref cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_erase_func "erase(K const&, Func)"
308             but \p pred is used for key comparing.
309             \p Less functor has the interface like \p std::less.
310             \p Less must imply the same element order as the comparator used for building the map.
311         */
312         template <typename K, typename Less, typename Func>
313         bool erase_with( K const& key, Less pred, Func f )
314         {
315             return base_class::erase_with( key, cds::details::predicate_wrapper< leaf_node, Less, typename maker::key_accessor >(),
316                 [&f]( leaf_node& node) { f( node.m_Value ); } );
317         }
318
319         /// Extracts an item with minimal key from the map
320         /**
321             If the map is not empty, the function returns an guarded pointer to minimum value.
322             If the map is empty, the function returns an empty \p guarded_ptr.
323
324             @note Due the concurrent nature of the map, the function extracts <i>nearly</i> minimum key.
325             It means that the function gets leftmost leaf of the tree and tries to unlink it.
326             During unlinking, a concurrent thread may insert an item with key less than leftmost item's key.
327             So, the function returns the item with minimum key at the moment of tree traversing.
328
329             The guarded pointer prevents deallocation of returned item,
330             see \p cds::gc::guarded_ptr for explanation.
331             @note Each \p guarded_ptr object uses the GC's guard that can be limited resource.
332         */
333         guarded_ptr extract_min()
334         {
335             guarded_ptr gp;
336             base_class::extract_min_( gp.guard() );
337             return gp;
338         }
339
340         /// Extracts an item with maximal key from the map
341         /**
342             If the map is not empty, the function returns a guarded pointer to maximal value.
343             If the map is empty, the function returns an empty \p guarded_ptr.
344
345             @note Due the concurrent nature of the map, the function extracts <i>nearly</i> maximal key.
346             It means that the function gets rightmost leaf of the tree and tries to unlink it.
347             During unlinking, a concurrent thread may insert an item with key great than leftmost item's key.
348             So, the function returns the item with maximum key at the moment of tree traversing.
349
350             The guarded pointer prevents deallocation of returned item,
351             see \p cds::gc::guarded_ptr for explanation.
352             @note Each \p guarded_ptr object uses the GC's guard that can be limited resource.
353         */
354         guarded_ptr extract_max()
355         {
356             guarded_ptr gp;
357             base_class::extract_max_( gp.guard() );
358             return gp;
359         }
360
361         /// Extracts an item from the tree
362         /** \anchor cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_extract
363             The function searches an item with key equal to \p key in the tree,
364             unlinks it, and returns a guarded pointer to an item found.
365             If the item  is not found the function returns an empty \p guarded_ptr.
366
367             The guarded pointer prevents deallocation of returned item,
368             see \p cds::gc::guarded_ptr for explanation.
369             @note Each \p guarded_ptr object uses the GC's guard that can be limited resource.
370         */
371         template <typename Q>
372         guarded_ptr extract( Q const& key )
373         {
374             guarded_ptr gp;
375             base_class::extract_( gp.guard(), key );
376             return gp;
377         }
378
379         /// Extracts an item from the map using \p pred for searching
380         /**
381             The function is an analog of \ref cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_extract "extract(Q const&)"
382             but \p pred is used for key compare.
383             \p Less has the interface like \p std::less.
384             \p pred must imply the same element order as the comparator used for building the map.
385         */
386         template <typename Q, typename Less>
387         guarded_ptr extract_with( Q const& key, Less pred )
388         {
389             guarded_ptr gp;
390             base_class::extract_with_( gp.guard(), key,
391                 cds::details::predicate_wrapper< leaf_node, Less, typename maker::key_accessor >());
392             return gp;
393         }
394
395         /// Find the key \p key
396         /** \anchor cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_find_cfunc
397
398             The function searches the item with key equal to \p key and calls the functor \p f for item found.
399             The interface of \p Func functor is:
400             \code
401             struct functor {
402                 void operator()( value_type& item );
403             };
404             \endcode
405             where \p item is the item found.
406
407             The functor may change \p item.second.
408
409             The function returns \p true if \p key is found, \p false otherwise.
410         */
411         template <typename K, typename Func>
412         bool find( K const& key, Func f )
413         {
414             return base_class::find( key, [&f](leaf_node& item, K const& ) { f( item.m_Value );});
415         }
416
417         /// Finds the key \p val using \p pred predicate for searching
418         /**
419             The function is an analog of \ref cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_find_cfunc "find(K const&, Func)"
420             but \p pred is used for key comparing.
421             \p Less functor has the interface like \p std::less.
422             \p Less must imply the same element order as the comparator used for building the map.
423         */
424         template <typename K, typename Less, typename Func>
425         bool find_with( K const& key, Less pred, Func f )
426         {
427             return base_class::find_with( key, cds::details::predicate_wrapper< leaf_node, Less, typename maker::key_accessor >(),
428                 [&f](leaf_node& item, K const& ) { f( item.m_Value );});
429         }
430
431         /// Find the key \p key
432         /** \anchor cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_find_val
433
434             The function searches the item with key equal to \p key
435             and returns \p true if it is found, and \p false otherwise.
436         */
437         template <typename K>
438         bool find( K const& key )
439         {
440             return base_class::find( key );
441         }
442
443         /// Finds the key \p val using \p pred predicate for searching
444         /**
445             The function is an analog of \ref cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_find_val "find(K const&)"
446             but \p pred is used for key comparing.
447             \p Less functor has the interface like \p std::less.
448             \p Less must imply the same element order as the comparator used for building the map.
449         */
450         template <typename K, typename Less>
451         bool find_with( K const& key, Less pred )
452         {
453             return base_class::find_with( key, cds::details::predicate_wrapper< leaf_node, Less, typename maker::key_accessor >() );
454         }
455
456         /// Finds \p key and returns the item found
457         /** @anchor cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_get
458             The function searches the item with key equal to \p key and returns the item found as a guarded pointer.
459             If \p key is not foudn the function returns an empty \p guarded_ptr.
460
461             The guarded pointer prevents deallocation of returned item,
462             see \p cds::gc::guarded_ptr for explanation.
463             @note Each \p guarded_ptr object uses the GC's guard that can be limited resource.
464         */
465         template <typename Q>
466         guarded_ptr get( Q const& key )
467         {
468             guarded_ptr gp;
469             base_class::get_( gp.guard(), key );
470             return gp;
471         }
472
473         /// Finds \p key with predicate \p pred and returns the item found
474         /**
475             The function is an analog of \ref cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_get "get(Q const&)"
476             but \p pred is used for key comparing.
477             \p Less functor has the interface like \p std::less.
478             \p pred must imply the same element order as the comparator used for building the map.
479         */
480         template <typename Q, typename Less>
481         guarded_ptr get_with( Q const& key, Less pred )
482         {
483             guarded_ptr gp;
484             base_class::get_with_( gp.guard(), key,
485                 cds::details::predicate_wrapper< leaf_node, Less, typename maker::key_accessor >() );
486             return gp;
487         }
488
489         /// Clears the map (not atomic)
490         void clear()
491         {
492             base_class::clear();
493         }
494
495         /// Checks if the map is empty
496         /**
497             Emptiness is checked by item counting: if item count is zero then the map is empty.
498         */
499         bool empty() const
500         {
501             return base_class::empty();
502         }
503
504         /// Returns item count in the set
505         /**
506             Only leaf nodes containing user data are counted.
507
508             The value returned depends on item counter type provided by \p Traits template parameter.
509             If it is \p atomicity::empty_item_counter this function always returns 0.
510
511             The function is not suitable for checking the tree emptiness, use \p empty()
512             member function for this purpose.
513         */
514         size_t size() const
515         {
516             return base_class::size();
517         }
518
519         /// Returns const reference to internal statistics
520         stat const& statistics() const
521         {
522             return base_class::statistics();
523         }
524
525         /// Checks internal consistency (not atomic, not thread-safe)
526         /**
527             The debugging function to check internal consistency of the tree.
528         */
529         bool check_consistency() const
530         {
531             return base_class::check_consistency();
532         }
533
534     };
535 }} // namespace cds::container
536
537 #endif //#ifndef __CDS_CONTAINER_IMPL_ELLEN_BINTREE_MAP_H