Added copyright and license
[libcds.git] / cds / container / vyukov_mpmc_cycle_queue.h
index b6fc3efa4f36b280d56a6d4c2283ad05cf2762b4..29a126fa6a5a41f1bae81998485a372c87c2397d 100644 (file)
@@ -1,12 +1,40 @@
-//$$CDS-header$$
-
-#ifndef __CDS_CONTAINER_VYUKOV_MPMC_CYCLE_QUEUE_H
-#define __CDS_CONTAINER_VYUKOV_MPMC_CYCLE_QUEUE_H
+/*
+    This file is a part of libcds - Concurrent Data Structures library
+
+    (C) Copyright Maxim Khizhinsky (libcds.dev@gmail.com) 2006-2016
+
+    Source code repo: http://github.com/khizmax/libcds/
+    Download: http://sourceforge.net/projects/libcds/files/
+    
+    Redistribution and use in source and binary forms, with or without
+    modification, are permitted provided that the following conditions are met:
+
+    * Redistributions of source code must retain the above copyright notice, this
+      list of conditions and the following disclaimer.
+
+    * Redistributions in binary form must reproduce the above copyright notice,
+      this list of conditions and the following disclaimer in the documentation
+      and/or other materials provided with the distribution.
+
+    THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE COPYRIGHT HOLDERS AND CONTRIBUTORS "AS IS"
+    AND ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE
+    IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE ARE
+    DISCLAIMED. IN NO EVENT SHALL THE COPYRIGHT HOLDER OR CONTRIBUTORS BE LIABLE
+    FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL
+    DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS OR
+    SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION) HOWEVER
+    CAUSED AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT LIABILITY,
+    OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY OUT OF THE USE
+    OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF SUCH DAMAGE.     
+*/
+
+#ifndef CDSLIB_CONTAINER_VYUKOV_MPMC_CYCLE_QUEUE_H
+#define CDSLIB_CONTAINER_VYUKOV_MPMC_CYCLE_QUEUE_H
 
 #include <cds/container/details/base.h>
 #include <cds/opt/buffer.h>
 #include <cds/opt/value_cleaner.h>
-#include <cds/cxx11_atomic.h>
+#include <cds/algo/atomic.h>
 #include <cds/details/bounded_container.h>
 
 namespace cds { namespace container {
@@ -47,8 +75,21 @@ namespace cds { namespace container {
             */
             typedef opt::v::relaxed_ordering    memory_model;
 
-            /// Alignment for internal queue data. Default is \p opt::cache_line_alignment
-            enum { alignment = opt::cache_line_alignment };
+            /// Padding for internal critical atomic data. Default is \p opt::cache_line_padding
+            enum { padding = opt::cache_line_padding };
+
+            /// Back-off strategy
+            typedef cds::backoff::Default           back_off;
+
+            /// Single-consumer version
+            /**
+                For single-consumer version of algorithm some additional functions
+
+                (\p front(), \p pop_front()) is available.
+
+                Default is \p false
+            */
+            static CDS_CONSTEXPR bool const single_consumer = false;
         };
 
         /// Metafunction converting option list to \p vyukov_queue::traits
@@ -60,11 +101,12 @@ namespace cds { namespace container {
             - \p opt::value_cleaner - a functor to clean item dequeued.
                 The functor calls the destructor for queue item.
                 After an item is dequeued, \p value_cleaner cleans the cell that the item has been occupied.
-                If \p T is a complex type, \p value_cleaner may be the useful feature.
+                If \p T is a complex type, \p value_cleaner can be an useful feature.
                 Default value is \ref opt::v::destruct_cleaner
+            - \p opt::back_off - back-off strategy used. If the option is not specified, the \p cds::backoff::Default is used.
             - \p opt::item_counter - the type of item counting feature. Default is \p cds::atomicity::empty_item_counter (item counting disabled)
                 To enable item counting use \p cds::atomicity::item_counter
-            - \p opt::alignment - the alignment for internal queue data. Default is \p opt::cache_line_alignment
+            - \p opt::padding - padding for internal critical atomic data. Default is \p opt::cache_line_padding
             - \p opt::memory_model - C++ memory ordering model. Can be \p opt::v::relaxed_ordering (relaxed memory model, the default)
                 or \p opt::v::sequential_consistent (sequentially consisnent memory model).
 
@@ -103,6 +145,9 @@ namespace cds { namespace container {
         No dynamic memory allocation/management during operation. Producers and consumers are separated from each other (as in the two-lock queue),
         i.e. do not touch the same data while queue is not empty.
 
+        There is multiple producer/single consumer version \p cds::container::VyukovMPSCCycleQueue
+        that supports \p front() and \p pop_front() functions.
+
         Source:
             - http://www.1024cores.net/home/lock-free-algorithms/queues/bounded-mpmc-queue
 
@@ -136,6 +181,10 @@ namespace cds { namespace container {
         typedef typename traits::item_counter  item_counter;  ///< Item counter type
         typedef typename traits::memory_model  memory_model;  ///< Memory ordering. See cds::opt::memory_model option
         typedef typename traits::value_cleaner value_cleaner; ///< Value cleaner, see \p vyukov_queue::traits::value_cleaner
+        typedef typename traits::back_off  back_off;          ///< back-off strategy
+
+        /// \p true for single-consumer version, \p false otherwise
+        static CDS_CONSTEXPR bool const c_single_consumer = traits::single_consumer;
 
         /// Rebind template arguments
         template <typename T2, typename Traits2>
@@ -156,16 +205,17 @@ namespace cds { namespace container {
         };
 
         typedef typename traits::buffer::template rebind<cell_type>::other buffer;
-        typedef typename opt::details::alignment_setter< sequence_type, traits::alignment >::type aligned_sequence_type;
-        typedef typename opt::details::alignment_setter< buffer, traits::alignment >::type aligned_buffer;
         //@endcond
 
     protected:
         //@cond
-        aligned_buffer  m_buffer;
+        buffer          m_buffer;
         size_t const    m_nBufferMask;
-        aligned_sequence_type m_posEnqueue;
-        aligned_sequence_type m_posDequeue;
+        typename opt::details::apply_padding< size_t, traits::padding >::padding_type pad1_;
+        sequence_type   m_posEnqueue;
+        typename opt::details::apply_padding< sequence_type, traits::padding >::padding_type pad2_;
+        sequence_type   m_posDequeue;
+        typename opt::details::apply_padding< sequence_type, traits::padding >::padding_type pad3_;
         item_counter    m_ItemCounter;
         //@endcond
 
@@ -173,6 +223,8 @@ namespace cds { namespace container {
         /// Constructs the queue of capacity \p nCapacity
         /**
             For \p cds::opt::v::static_buffer the \p nCapacity parameter is ignored.
+
+            The buffer capacity must be the power of two.
         */
         VyukovMPMCCycleQueue(
             size_t nCapacity = 0
@@ -185,7 +237,7 @@ namespace cds { namespace container {
             // Buffer capacity must be power of 2
             assert( nCapacity >= 2 && (nCapacity & (nCapacity - 1)) == 0 );
 
-            for (size_t i = 0; i != nCapacity; i += 1)
+            for (size_t i = 0; i != nCapacity; ++i )
                 m_buffer[i].sequence.store(i, memory_model::memory_order_relaxed);
 
             m_posEnqueue.store(0, memory_model::memory_order_relaxed);
@@ -211,22 +263,27 @@ namespace cds { namespace container {
         bool enqueue_with(Func f)
         {
             cell_type* cell;
-            size_t pos = m_posEnqueue.load(memory_model::memory_order_relaxed);
+            back_off bkoff;
 
+            size_t pos = m_posEnqueue.load(memory_model::memory_order_relaxed);
             for (;;)
             {
                 cell = &m_buffer[pos & m_nBufferMask];
                 size_t seq = cell->sequence.load(memory_model::memory_order_acquire);
 
-                intptr_t dif = (intptr_t)seq - (intptr_t)pos;
+                intptr_t dif = static_cast<intptr_t>(seq) - static_cast<intptr_t>(pos);
 
-                if (dif == 0)
-                {
-                    if ( m_posEnqueue.compare_exchange_weak(pos, pos + 1, memory_model::memory_order_relaxed) )
+                if (dif == 0) {
+                    if ( m_posEnqueue.compare_exchange_weak(pos, pos + 1, memory_model::memory_order_relaxed, atomics::memory_order_relaxed ))
                         break;
                 }
-                else if (dif < 0)
-                    return false;
+                else if (dif < 0) {
+                    // Queue full?
+                    if ( pos - m_posDequeue.load( memory_model::memory_order_relaxed ) == capacity() )
+                        return false;   // queue full
+                    bkoff();
+                    pos = m_posEnqueue.load( memory_model::memory_order_relaxed );
+                }
                 else
                     pos = m_posEnqueue.load(memory_model::memory_order_relaxed);
             }
@@ -266,33 +323,12 @@ namespace cds { namespace container {
         template <typename... Args>
         bool emplace( Args&&... args )
         {
-            cell_type* cell;
-            size_t pos = m_posEnqueue.load(memory_model::memory_order_relaxed);
-
-            for (;;)
-            {
-                cell = &m_buffer[pos & m_nBufferMask];
-                size_t seq = cell->sequence.load(memory_model::memory_order_acquire);
-
-                intptr_t dif = (intptr_t)seq - (intptr_t)pos;
-
-                if (dif == 0)
-                {
-                    if ( m_posEnqueue.compare_exchange_weak(pos, pos + 1, memory_model::memory_order_relaxed) )
-                        break;
-                }
-                else if (dif < 0)
-                    return false;
-                else
-                    pos = m_posEnqueue.load(memory_model::memory_order_relaxed);
-            }
-
-            new ( &cell->data ) value_type( std::forward<Args>(args)... );
-
-            cell->sequence.store(pos + 1, memory_model::memory_order_release);
-            ++m_ItemCounter;
-
-            return true;
+#if (CDS_COMPILER == CDS_COMPILER_GCC) && (CDS_COMPILER_VERSION < 40900)
+            //work around unsupported feature in g++ 4.8 for forwarding parameter packs to lambda.
+            return enqueue_with ( std::bind([]( value_type& dest,Args ... args ){ new ( &dest ) value_type( std::forward<Args>(args)... );}, std::placeholders::_1 ,args...));
+#else
+            return enqueue_with( [&args ...]( value_type& dest ){ new ( &dest ) value_type( std::forward<Args>(args)... ); });
+#endif
         }
 
         /// Dequeues a value using a functor
@@ -310,28 +346,34 @@ namespace cds { namespace container {
         bool dequeue_with( Func f )
         {
             cell_type * cell;
-            size_t pos = m_posDequeue.load(memory_model::memory_order_relaxed);
+            back_off bkoff;
 
+            size_t pos = m_posDequeue.load( memory_model::memory_order_relaxed );
             for (;;)
             {
                 cell = &m_buffer[pos & m_nBufferMask];
                 size_t seq = cell->sequence.load(memory_model::memory_order_acquire);
-                intptr_t dif = (intptr_t)seq - (intptr_t)(pos + 1);
+                intptr_t dif = static_cast<intptr_t>(seq) - static_cast<intptr_t>(pos + 1);
 
                 if (dif == 0) {
-                    if ( m_posDequeue.compare_exchange_weak(pos, pos + 1, memory_model::memory_order_relaxed))
+                    if ( m_posDequeue.compare_exchange_weak(pos, pos + 1, memory_model::memory_order_relaxed, atomics::memory_order_relaxed))
                         break;
                 }
-                else if (dif < 0)
-                    return false;
+                else if (dif < 0) {
+                    // Queue empty?
+                    if ( pos - m_posEnqueue.load( memory_model::memory_order_relaxed ) == 0 )
+                        return false;   // queue empty
+                    bkoff();
+                    pos = m_posDequeue.load( memory_model::memory_order_relaxed );
+                }
                 else
                     pos = m_posDequeue.load(memory_model::memory_order_relaxed);
             }
 
             f( cell->data );
             value_cleaner()( cell->data );
-            --m_ItemCounter;
             cell->sequence.store( pos + m_nBufferMask + 1, memory_model::memory_order_release );
+            --m_ItemCounter;
 
             return true;
         }
@@ -360,24 +402,64 @@ namespace cds { namespace container {
             return dequeue_with( f );
         }
 
+        /// Returns a pointer to top element of the queue or \p nullptr if queue is empty (only for single-consumer version)
+        template <bool SC = c_single_consumer >
+        typename std::enable_if<SC, value_type *>::type front()
+        {
+            static_assert( c_single_consumer, "front() is enabled only if traits::single_consumer is true");
+
+            cell_type * cell;
+            back_off bkoff;
+
+            size_t pos = m_posDequeue.load( memory_model::memory_order_relaxed );
+            for ( ;;)
+            {
+                cell = &m_buffer[pos & m_nBufferMask];
+                size_t seq = cell->sequence.load( memory_model::memory_order_acquire );
+                intptr_t dif = static_cast<intptr_t>(seq) - static_cast<intptr_t>(pos + 1);
+
+                if ( dif == 0 )
+                    return &cell->data;
+                else if ( dif < 0 ) {
+                    // Queue empty?
+                    if ( pos - m_posEnqueue.load( memory_model::memory_order_relaxed ) == 0 )
+                        return nullptr;   // queue empty
+                    bkoff();
+                    pos = m_posDequeue.load( memory_model::memory_order_relaxed );
+                }
+                else
+                    pos = m_posDequeue.load( memory_model::memory_order_relaxed );
+            }
+        }
+
+        /// Pops top element; returns \p true if queue is not empty, \p false otherwise (only for single-consumer version)
+        template <bool SC = c_single_consumer >
+        typename std::enable_if<SC, bool>::type pop_front()
+        {
+            return dequeue_with( []( value_type& ) {} );
+        }
+
         /// Checks if the queue is empty
         bool empty() const
         {
             const cell_type * cell;
-            size_t pos = m_posDequeue.load(memory_model::memory_order_relaxed);
+            back_off bkoff;
 
+            size_t pos = m_posDequeue.load(memory_model::memory_order_relaxed);
             for (;;)
             {
                 cell = &m_buffer[pos & m_nBufferMask];
                 size_t seq = cell->sequence.load(memory_model::memory_order_acquire);
-                intptr_t dif = (intptr_t)seq - (intptr_t)(pos + 1);
+                intptr_t dif = static_cast<intptr_t>(seq) - static_cast<intptr_t>(pos + 1);
 
                 if (dif == 0)
                     return false;
-                else if (dif < 0)
-                    return true;
-                else
-                    pos = m_posDequeue.load(memory_model::memory_order_relaxed);
+                else if (dif < 0) {
+                    if ( pos - m_posEnqueue.load( memory_model::memory_order_relaxed ) == 0 )
+                        return true;
+                }
+                bkoff();
+                pos = m_posDequeue.load(memory_model::memory_order_relaxed);
             }
         }
 
@@ -391,7 +473,7 @@ namespace cds { namespace container {
         /// Returns queue's item count
         /**
             The value returned depends on \p vyukov_queue::traits::item_counter option.
-            For \p atomicity::empty_item_counter, this function always returns 0.
+            For \p atomicity::empty_item_counter, the function always returns 0.
         */
         size_t size() const
         {
@@ -404,6 +486,23 @@ namespace cds { namespace container {
             return m_buffer.capacity();
         }
     };
+
+    //@cond
+    namespace vyukov_queue {
+
+        template <typename Traits>
+        struct single_consumer_traits : public Traits
+        {
+            static CDS_CONSTEXPR bool const single_consumer = true;
+        };
+    } // namespace vyukov_queue
+    //@endcond
+
+    /// Vyukov's queue multiple producer - single consumer version
+
+    template <typename T, typename Traits = vyukov_queue::traits >
+    using VyukovMPSCCycleQueue = VyukovMPMCCycleQueue< T, vyukov_queue::single_consumer_traits<Traits> >;
+
 }}  // namespace cds::container
 
-#endif // #ifndef __CDS_CONTAINER_VYUKOV_MPMC_CYCLE_QUEUE_H
+#endif // #ifndef CDSLIB_CONTAINER_VYUKOV_MPMC_CYCLE_QUEUE_H