432947ede51c80a09c209d8447cb15bd570490b9
[libcds.git] / cds / container / impl / ellen_bintree_set.h
1 //$$CDS-header$$
2
3 #ifndef __CDS_CONTAINER_IMPL_ELLEN_BINTREE_SET_H
4 #define __CDS_CONTAINER_IMPL_ELLEN_BINTREE_SET_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     /// Set based on Ellen's et al binary search tree
14     /** @ingroup cds_nonintrusive_set
15         @ingroup cds_nonintrusive_tree
16         @anchor cds_container_EllenBinTreeSet
17
18         Source:
19             - [2010] F.Ellen, P.Fatourou, E.Ruppert, F.van Breugel "Non-blocking Binary Search Tree"
20
21         %EllenBinTreeSet is an unbalanced leaf-oriented binary search tree that implements the <i>set</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 \p T currently in
24         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 set. \p Key type is a subset of \p T type.
27         There should be exactly defined a key extracting functor for converting object of type \p T to
28         object of type \p Key.
29
30         Due to \p extract_min and \p extract_max member functions the \p %EllenBinTreeSet 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 the implementation of 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, cds::gc::DHP
44         - \p Key - key type, a subset of \p T
45         - \p T - type to be stored in tree's leaf nodes.
46         - \p Traits - set traits, default is \p ellen_bintree::traits
47             It is possible to declare option-based tree with \p ellen_bintree::make_set_traits metafunction
48             instead of \p Traits template argument.
49
50         @note Do not include <tt><cds/container/impl/ellen_bintree_set.h></tt> header file directly.
51         There are header file for each GC type:
52         - <tt><cds/container/ellen_bintree_set_hp.h></tt> - for \p cds::gc::HP
53         - <tt><cds/container/ellen_bintree_set_dhp.h></tt> - for \p cds::gc::DHP
54         - <tt><cds/container/ellen_bintree_set_rcu.h></tt> - for RCU GC
55             (see \ref cds_container_EllenBinTreeSet_rcu "RCU-based EllenBinTreeSet")
56
57         @anchor cds_container_EllenBinTreeSet_less
58         <b>Predicate requirements</b>
59
60         \p Traits::less, \p Traits::compare and other predicates using with member fuctions should accept at least parameters
61         of type \p T and \p Key in any combination.
62         For example, for \p Foo struct with \p std::string key field the appropiate \p less functor is:
63         \code
64         struct Foo
65         {
66             std::string m_strKey;
67             ...
68         };
69
70         struct less {
71             bool operator()( Foo const& v1, Foo const& v2 ) const
72             { return v1.m_strKey < v2.m_strKey ; }
73
74             bool operator()( Foo const& v, std::string const& s ) const
75             { return v.m_strKey < s ; }
76
77             bool operator()( std::string const& s, Foo const& v ) const
78             { return s < v.m_strKey ; }
79
80             // Support comparing std::string and char const *
81             bool operator()( std::string const& s, char const * p ) const
82             { return s.compare(p) < 0 ; }
83
84             bool operator()( Foo const& v, char const * p ) const
85             { return v.m_strKey.compare(p) < 0 ; }
86
87             bool operator()( char const * p, std::string const& s ) const
88             { return s.compare(p) > 0; }
89
90             bool operator()( char const * p, Foo const& v ) const
91             { return v.m_strKey.compare(p) > 0; }
92         };
93         \endcode
94     */
95     template <
96         class GC,
97         typename Key,
98         typename T,
99 #ifdef CDS_DOXYGEN_INVOKED
100         class Traits = ellen_bintree::traits
101 #else
102         class Traits
103 #endif
104     >
105     class EllenBinTreeSet
106 #ifdef CDS_DOXYGEN_INVOKED
107         : public cds::intrusive::EllenBinTree< GC, Key, T, Traits >
108 #else
109         : public ellen_bintree::details::make_ellen_bintree_set< GC, Key, T, Traits >::type
110 #endif
111     {
112         //@cond
113         typedef ellen_bintree::details::make_ellen_bintree_set< GC, Key, T, Traits > maker;
114         typedef typename maker::type base_class;
115         //@endcond
116
117     public:
118         typedef GC      gc;         ///< Garbage collector
119         typedef Key     key_type;   ///< type of a key to be stored in internal nodes; key is a part of \p value_type
120         typedef T       value_type; ///< type of value to be stored in the binary tree
121         typedef Traits  traits;    ///< Traits template parameter
122
123 #   ifdef CDS_DOXYGEN_INVOKED
124         typedef implementation_defined key_comparator  ;    ///< key compare functor based on opt::compare and opt::less option setter.
125 #   else
126         typedef typename maker::intrusive_traits::compare   key_comparator;
127 #   endif
128         typedef typename base_class::item_counter           item_counter;  ///< Item counting policy used
129         typedef typename base_class::memory_model           memory_model;  ///< Memory ordering. See cds::opt::memory_model option
130         typedef typename base_class::stat                   stat;          ///< internal statistics type
131         typedef typename traits::key_extractor              key_extractor; ///< key extracting functor
132         typedef typename traits::back_off                   back_off;      ///< Back-off strategy
133
134         typedef typename traits::allocator                  allocator_type;   ///< Allocator for leaf nodes
135         typedef typename base_class::node_allocator         node_allocator;   ///< Internal node allocator
136         typedef typename base_class::update_desc_allocator  update_desc_allocator; ///< Update descriptor allocator
137
138     protected:
139         //@cond
140         typedef typename maker::cxx_leaf_node_allocator cxx_leaf_node_allocator;
141         typedef typename base_class::value_type         leaf_node;
142         typedef typename base_class::internal_node      internal_node;
143
144         typedef std::unique_ptr< leaf_node, typename maker::leaf_deallocator > scoped_node_ptr;
145         //@endcond
146
147     public:
148         /// Guarded pointer
149         typedef cds::gc::guarded_ptr< gc, leaf_node, value_type, details::guarded_ptr_cast_set<leaf_node, value_type> > guarded_ptr;
150
151     public:
152         /// Default constructor
153         EllenBinTreeSet()
154             : base_class()
155         {}
156
157         /// Clears the set
158         ~EllenBinTreeSet()
159         {}
160
161         /// Inserts new node
162         /**
163             The function creates a node with copy of \p val value
164             and then inserts the node created into the set.
165
166             The type \p Q should contain at least the complete key for the node.
167             The object of \ref value_type should be constructible from a value of type \p Q.
168             In trivial case, \p Q is equal to \ref value_type.
169
170             Returns \p true if \p val is inserted into the set, \p false otherwise.
171         */
172         template <typename Q>
173         bool insert( Q const& val )
174         {
175             scoped_node_ptr sp( cxx_leaf_node_allocator().New( val ));
176             if ( base_class::insert( *sp.get() )) {
177                 sp.release();
178                 return true;
179             }
180             return false;
181         }
182
183         /// Inserts new node
184         /**
185             The function allows to split creating of new item into two part:
186             - create item with key only
187             - insert new item into the set
188             - if inserting is success, calls  \p f functor to initialize value-fields of \p val.
189
190             The functor signature is:
191             \code
192                 void func( value_type& val );
193             \endcode
194             where \p val is the item inserted. User-defined functor \p f should guarantee that during changing
195             \p val no any other changes could be made on this set's item by concurrent threads.
196             The user-defined functor is called only if the inserting is success.
197         */
198         template <typename Q, typename Func>
199         bool insert( Q const& val, Func f )
200         {
201             scoped_node_ptr sp( cxx_leaf_node_allocator().New( val ));
202             if ( base_class::insert( *sp.get(), [&f]( leaf_node& val ) { f( val.m_Value ); } )) {
203                 sp.release();
204                 return true;
205             }
206             return false;
207         }
208
209         /// Ensures that the item exists in the set
210         /**
211             The operation performs inserting or changing data with lock-free manner.
212
213             If the \p val key not found in the set, then the new item created from \p val
214             is inserted into the set. Otherwise, the functor \p func is called with the item found.
215             The functor \p Func should be a function with signature:
216             \code
217                 void func( bool bNew, value_type& item, const Q& val );
218             \endcode
219             or a functor:
220             \code
221                 struct my_functor {
222                     void operator()( bool bNew, value_type& item, const Q& val );
223                 };
224             \endcode
225
226             with arguments:
227             - \p bNew - \p true if the item has been inserted, \p false otherwise
228             - \p item - item of the set
229             - \p val - argument \p key passed into the \p ensure function
230
231             The functor may change non-key fields of the \p item; however, \p func must guarantee
232             that during changing no any other modifications could be made on this item by concurrent threads.
233
234             Returns <tt> std::pair<bool, bool> </tt> where \p first is true if operation is successfull,
235             \p second is true if new item has been added or \p false if the item with \p key
236             already is in the set.
237
238             @warning See \ref cds_intrusive_item_creating "insert item troubleshooting"
239         */
240         template <typename Q, typename Func>
241         std::pair<bool, bool> ensure( const Q& val, Func func )
242         {
243             scoped_node_ptr sp( cxx_leaf_node_allocator().New( val ));
244             std::pair<bool, bool> bRes = base_class::ensure( *sp,
245                 [&func, &val](bool bNew, leaf_node& node, leaf_node&){ func( bNew, node.m_Value, val ); });
246             if ( bRes.first && bRes.second )
247                 sp.release();
248             return bRes;
249         }
250
251         /// Inserts data of type \p value_type created in-place from \p args
252         /**
253             Returns \p true if inserting successful, \p false otherwise.
254         */
255         template <typename... Args>
256         bool emplace( Args&&... args )
257         {
258             scoped_node_ptr sp( cxx_leaf_node_allocator().New( std::forward<Args>(args)... ));
259             if ( base_class::insert( *sp.get() )) {
260                 sp.release();
261                 return true;
262             }
263             return false;
264         }
265
266         /// Delete \p key from the set
267         /** \anchor cds_nonintrusive_EllenBinTreeSet_erase_val
268
269             The item comparator should be able to compare the type \p value_type
270             and the type \p Q.
271
272             Return \p true if key is found and deleted, \p false otherwise
273         */
274         template <typename Q>
275         bool erase( Q const& key )
276         {
277             return base_class::erase( key );
278         }
279
280         /// Deletes the item from the set using \p pred predicate for searching
281         /**
282             The function is an analog of \ref cds_nonintrusive_EllenBinTreeSet_erase_val "erase(Q const&)"
283             but \p pred is used for key comparing.
284             \p Less functor has the interface like \p std::less.
285             \p Less must imply the same element order as the comparator used for building the set.
286         */
287         template <typename Q, typename Less>
288         bool erase_with( Q const& key, Less pred )
289         {
290             return base_class::erase_with( key, cds::details::predicate_wrapper< leaf_node, Less, typename maker::value_accessor >());
291         }
292
293         /// Delete \p key from the set
294         /** \anchor cds_nonintrusive_EllenBinTreeSet_erase_func
295
296             The function searches an item with key \p key, calls \p f functor
297             and deletes the item. If \p key is not found, the functor is not called.
298
299             The functor \p Func interface:
300             \code
301             struct extractor {
302                 void operator()(value_type const& val);
303             };
304             \endcode
305
306             Since the key of MichaelHashSet's \p value_type is not explicitly specified,
307             template parameter \p Q defines the key type searching in the list.
308             The list item comparator should be able to compare the type \p T of list item
309             and the type \p Q.
310
311             Return \p true if key is found and deleted, \p false otherwise
312         */
313         template <typename Q, typename Func>
314         bool erase( Q const& key, Func f )
315         {
316             return base_class::erase( key, [&f]( leaf_node const& node) { f( node.m_Value ); } );
317         }
318
319         /// Deletes the item from the set using \p pred predicate for searching
320         /**
321             The function is an analog of \ref cds_nonintrusive_EllenBinTreeSet_erase_func "erase(Q const&, Func)"
322             but \p pred is used for key comparing.
323             \p Less functor has the interface like \p std::less.
324             \p Less must imply the same element order as the comparator used for building the set.
325         */
326         template <typename Q, typename Less, typename Func>
327         bool erase_with( Q const& key, Less pred, Func f )
328         {
329             return base_class::erase_with( key, cds::details::predicate_wrapper< leaf_node, Less, typename maker::value_accessor >(),
330                 [&f]( leaf_node const& node) { f( node.m_Value ); } );
331         }
332
333         /// Extracts an item with minimal key from the set
334         /**
335             If the set is not empty, the function returns \p true, \p result contains a pointer to minimum value.
336             If the set is empty, the function returns \p false, \p result is left unchanged.
337
338             @note Due the concurrent nature of the set, the function extracts <i>nearly</i> minimum key.
339             It means that the function gets leftmost leaf of the tree and tries to unlink it.
340             During unlinking, a concurrent thread may insert an item with key less than leftmost item's key.
341             So, the function returns the item with minimum key at the moment of tree traversing.
342
343             The guarded pointer \p dest prevents deallocation of returned item,
344             see cds::gc::guarded_ptr for explanation.
345             @note Each \p guarded_ptr object uses the GC's guard that can be limited resource.
346         */
347         bool extract_min( guarded_ptr& result )
348         {
349             return base_class::extract_min_( result.guard() );
350         }
351
352         /// Extracts an item with maximal key from the set
353         /**
354             If the set is not empty, the function returns \p true, \p result contains a pointer to maximal value.
355             If the set is empty, the function returns \p false, \p result is left unchanged.
356
357             @note Due the concurrent nature of the set, the function extracts <i>nearly</i> maximal key.
358             It means that the function gets rightmost leaf of the tree and tries to unlink it.
359             During unlinking, a concurrent thread may insert an item with key great than leftmost item's key.
360             So, the function returns the item with maximum key at the moment of tree traversing.
361
362             The guarded pointer \p dest prevents deallocation of returned item,
363             see cds::gc::guarded_ptr for explanation.
364             @note Each \p guarded_ptr object uses the GC's guard that can be limited resource.
365         */
366         bool extract_max( guarded_ptr& result )
367         {
368             return base_class::extract_max_( result.guard() );
369         }
370
371         /// Extracts an item from the tree
372         /** \anchor cds_nonintrusive_EllenBinTreeSet_extract
373             The function searches an item with key equal to \p key in the tree,
374             unlinks it, and returns pointer to an item found in \p result parameter.
375             If the item  is not found the function returns \p false.
376
377             The guarded pointer \p dest prevents deallocation of returned item,
378             see cds::gc::guarded_ptr for explanation.
379             @note Each \p guarded_ptr object uses the GC's guard that can be limited resource.
380         */
381         template <typename Q>
382         bool extract( guarded_ptr& result, Q const& key )
383         {
384             return base_class::extract_( result.guard(), key );
385         }
386
387         /// Extracts an item from the set using \p pred for searching
388         /**
389             The function is an analog of \ref cds_nonintrusive_EllenBinTreeSet_extract "extract(guarded_ptr& dest, Q const&)"
390             but \p pred is used for key compare.
391             \p Less has the interface like \p std::less.
392             \p pred must imply the same element order as the comparator used for building the set.
393         */
394         template <typename Q, typename Less>
395         bool extract_with( guarded_ptr& result, Q const& key, Less pred )
396         {
397             return base_class::extract_with_( result.guard(), key,
398                 cds::details::predicate_wrapper< leaf_node, Less, typename maker::value_accessor >());
399         }
400
401         /// Find the key \p key
402         /**
403             @anchor cds_nonintrusive_EllenBinTreeSet_find_func
404
405             The function searches the item with key equal to \p key and calls the functor \p f for item found.
406             The interface of \p Func functor is:
407             \code
408             struct functor {
409                 void operator()( value_type& item, Q& key );
410             };
411             \endcode
412             where \p item is the item found, \p key is the <tt>find</tt> function argument.
413
414             The functor may change non-key fields of \p item. Note that the functor is only guarantee
415             that \p item cannot be disposed during functor is executing.
416             The functor does not serialize simultaneous access to the set's \p item. If such access is
417             possible you must provide your own synchronization schema on item level to exclude unsafe item modifications.
418
419             The \p key argument is non-const since it can be used as \p f functor destination i.e., the functor
420             can modify both arguments.
421
422             Note the hash functor specified for class \p Traits template parameter
423             should accept a parameter of type \p Q that may be not the same as \p value_type.
424
425             The function returns \p true if \p key is found, \p false otherwise.
426         */
427         template <typename Q, typename Func>
428         bool find( Q& key, Func f )
429         {
430             return base_class::find( key, [&f]( leaf_node& node, Q& v ) { f( node.m_Value, v ); });
431         }
432         //@cond
433         template <typename Q, typename Func>
434         bool find( Q const& key, Func f )
435         {
436             return base_class::find( key, [&f]( leaf_node& node, Q const& v ) { f( node.m_Value, v ); } );
437         }
438         //@endcond
439
440         /// Finds the key \p key using \p pred predicate for searching
441         /**
442             The function is an analog of \ref cds_nonintrusive_EllenBinTreeSet_find_func "find(Q&, Func)"
443             but \p pred is used for key comparing.
444             \p Less functor has the interface like \p std::less.
445             \p Less must imply the same element order as the comparator used for building the set.
446         */
447         template <typename Q, typename Less, typename Func>
448         bool find_with( Q& key, Less pred, Func f )
449         {
450             return base_class::find_with( key, cds::details::predicate_wrapper< leaf_node, Less, typename maker::value_accessor >(),
451                 [&f]( leaf_node& node, Q& v ) { f( node.m_Value, v ); } );
452         }
453         //@cond
454         template <typename Q, typename Less, typename Func>
455         bool find_with( Q const& key, Less pred, Func f )
456         {
457             return base_class::find_with( key, cds::details::predicate_wrapper< leaf_node, Less, typename maker::value_accessor >(),
458                                           [&f]( leaf_node& node, Q const& v ) { f( node.m_Value, v ); } );
459         }
460         //@endcond
461
462         /// Find the key \p key
463         /** @anchor cds_nonintrusive_EllenBinTreeSet_find_val
464
465             The function searches the item with key equal to \p key
466             and returns \p true if it is found, and \p false otherwise.
467
468             Note the hash functor specified for class \p Traits template parameter
469             should accept a parameter of type \p Q that may be not the same as \ref value_type.
470         */
471         template <typename Q>
472         bool find( Q const & key )
473         {
474             return base_class::find( key );
475         }
476
477         /// Finds the key \p key using \p pred predicate for searching
478         /**
479             The function is an analog of \ref cds_nonintrusive_EllenBinTreeSet_find_val "find(Q const&)"
480             but \p pred is used for key comparing.
481             \p Less functor has the interface like \p std::less.
482             \p Less must imply the same element order as the comparator used for building the set.
483         */
484         template <typename Q, typename Less>
485         bool find_with( Q const& key, Less pred )
486         {
487             return base_class::find_with( key, cds::details::predicate_wrapper< leaf_node, Less, typename maker::value_accessor >());
488         }
489
490         /// Finds \p key and returns the item found
491         /** @anchor cds_nonintrusive_EllenBinTreeSet_get
492             The function searches the item with key equal to \p key and returns the item found in \p result parameter.
493             The function returns \p true if \p key is found, \p false otherwise.
494
495             The guarded pointer \p dest prevents deallocation of returned item,
496             see cds::gc::guarded_ptr for explanation.
497             @note Each \p guarded_ptr object uses the GC's guard that can be limited resource.
498         */
499         template <typename Q>
500         bool get( guarded_ptr& result, Q const& key )
501         {
502             return base_class::get_( result.guard(), key );
503         }
504
505         /// Finds \p key with predicate \p pred and returns the item found
506         /**
507             The function is an analog of \ref cds_nonintrusive_EllenBinTreeSet_get "get(guarded_ptr&, Q const&)"
508             but \p pred is used for key comparing.
509             \p Less functor has the interface like \p std::less.
510             \p pred must imply the same element order as the comparator used for building the set.
511         */
512         template <typename Q, typename Less>
513         bool get_with( guarded_ptr& result, Q const& key, Less pred )
514         {
515             return base_class::get_with_( result.guard(), key,
516                 cds::details::predicate_wrapper< leaf_node, Less, typename maker::value_accessor >() );
517         }
518
519         /// Clears the set (not atomic)
520         /**
521             The function unlink all items from the tree.
522             The function is not atomic, thus, in multi-threaded environment with parallel insertions
523             this sequence
524             \code
525             set.clear();
526             assert( set.empty() );
527             \endcode
528             the assertion could be raised.
529
530             For each leaf the \ref disposer will be called after unlinking.
531         */
532         void clear()
533         {
534             base_class::clear();
535         }
536
537         /// Checks if the set is empty
538         bool empty() const
539         {
540             return base_class::empty();
541         }
542
543         /// Returns item count in the set
544         /**
545             Only leaf nodes containing user data are counted.
546
547             The value returned depends on item counter type provided by \p Traits template parameter.
548             If it is \p atomicity::empty_item_counter this function always returns 0.
549
550             The function is not suitable for checking the tree emptiness, use \p empty()
551             member function for this purpose.
552         */
553         size_t size() const
554         {
555             return base_class::size();
556         }
557
558         /// Returns const reference to internal statistics
559         stat const& statistics() const
560         {
561             return base_class::statistics();
562         }
563
564         /// Checks internal consistency (not atomic, not thread-safe)
565         /**
566             The debugging function to check internal consistency of the tree.
567         */
568         bool check_consistency() const
569         {
570             return base_class::check_consistency();
571         }
572     };
573
574 }} // namespace cds::container
575
576 #endif // #ifndef __CDS_CONTAINER_IMPL_ELLEN_BINTREE_SET_H