folly/AtomicHashArray.h

   1 /*
   2  * Copyright 2013 Facebook, Inc.
   3  *
   4  * Licensed under the Apache License, Version 2.0 (the "License");
   5  * you may not use this file except in compliance with the License.
   6  * You may obtain a copy of the License at
   7  *
   8  *   http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0
   9  *
  10  * Unless required by applicable law or agreed to in writing, software
  11  * distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS,
  12  * WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.
  13  * See the License for the specific language governing permissions and
  14  * limitations under the License.
  15  */
  16
  17 /**
  18  *  AtomicHashArray is the building block for AtomicHashMap.  It provides the
  19  *  core lock-free functionality, but is limitted by the fact that it cannot
  20  *  grow past it's initialization size and is a little more awkward (no public
  21  *  constructor, for example).  If you're confident that you won't run out of
  22  *  space, don't mind the awkardness, and really need bare-metal performance,
  23  *  feel free to use AHA directly.
  24  *
  25  *  Check out AtomicHashMap.h for more thorough documentation on perf and
  26  *  general pros and cons relative to other hash maps.
  27  *
  28  *  @author Spencer Ahrens <sahrens@fb.com>
  29  *  @author Jordan DeLong <delong.j@fb.com>
  30  */
  31
  32 #ifndef FOLLY_ATOMICHASHARRAY_H_
  33 #define FOLLY_ATOMICHASHARRAY_H_
  34
  35 #include <atomic>
  36
  37 #include <boost/iterator/iterator_facade.hpp>
  38 #include <boost/noncopyable.hpp>
  39
  40 #include "folly/Hash.h"
  41 #include "folly/ThreadCachedInt.h"
  42
  43 namespace folly {
  44
  45 template <class KeyT, class ValueT, class HashFcn = std::hash<KeyT>>
  46 class AtomicHashMap;
  47
  48 template <class KeyT, class ValueT, class HashFcn = std::hash<KeyT>>
  49 class AtomicHashArray : boost::noncopyable {
  50   static_assert((std::is_convertible<KeyT,int32_t>::value ||
  51                  std::is_convertible<KeyT,int64_t>::value),
  52              "You are trying to use AtomicHashArray with disallowed key "
  53              "types.  You must use atomically compare-and-swappable integer "
  54              "keys, or a different container class.");
  55  public:
  56   typedef KeyT                key_type;
  57   typedef ValueT              mapped_type;
  58   typedef std::pair<const KeyT, ValueT> value_type;
  59   typedef std::size_t         size_type;
  60   typedef std::ptrdiff_t      difference_type;
  61   typedef value_type&         reference;
  62   typedef const value_type&   const_reference;
  63   typedef value_type*         pointer;
  64   typedef const value_type*   const_pointer;
  65
  66   const size_t  capacity_;
  67   const size_t  maxEntries_;
  68   const KeyT    kEmptyKey_;
  69   const KeyT    kLockedKey_;
  70   const KeyT    kErasedKey_;
  71
  72   template<class ContT, class IterVal>
  73   struct aha_iterator;
  74
  75   typedef aha_iterator<const AtomicHashArray,const value_type> const_iterator;
  76   typedef aha_iterator<AtomicHashArray,value_type> iterator;
  77
  78   // You really shouldn't need this if you use the SmartPtr provided by create,
  79   // but if you really want to do something crazy like stick the released
  80   // pointer into a DescriminatedPtr or something, you'll need this to clean up
  81   // after yourself.
  82   static void destroy(AtomicHashArray*);
  83
  84  private:
  85   const size_t  kAnchorMask_;
  86
  87   struct Deleter {
  88     void operator()(AtomicHashArray* ptr) {
  89       AtomicHashArray::destroy(ptr);
  90     }
  91   };
  92
  93  public:
  94   typedef std::unique_ptr<AtomicHashArray, Deleter> SmartPtr;
  95
  96   /*
  97    * create --
  98    *
  99    *   Creates AtomicHashArray objects.  Use instead of constructor/destructor.
 100    *
 101    *   We do things this way in order to avoid the perf penalty of a second
 102    *   pointer indirection when composing these into AtomicHashMap, which needs
 103    *   to store an array of pointers so that it can perform atomic operations on
 104    *   them when growing.
 105    *
 106    *   Instead of a mess of arguments, we take a max size and a Config struct to
 107    *   simulate named ctor parameters.  The Config struct has sensible defaults
 108    *   for everything, but is overloaded - if you specify a positive capacity,
 109    *   that will be used directly instead of computing it based on
 110    *   maxLoadFactor.
 111    *
 112    *   Create returns an AHA::SmartPtr which is a unique_ptr with a custom
 113    *   deleter to make sure everything is cleaned up properly.
 114    */
 115   struct Config {
 116     KeyT   emptyKey;
 117     KeyT   lockedKey;
 118     KeyT   erasedKey;
 119     double maxLoadFactor;
 120     int    entryCountThreadCacheSize;
 121     size_t capacity; // if positive, overrides maxLoadFactor
 122
 123     constexpr Config() : emptyKey(static_cast<KeyT>(-1ul)),
 124                          lockedKey(static_cast<KeyT>(-2ul)),
 125                          erasedKey(static_cast<KeyT>(-3ul)),
 126                          maxLoadFactor(0.8),
 127                          entryCountThreadCacheSize(1000),
 128                          capacity(0) {}
 129   };
 130
 131   static const Config defaultConfig;
 132   static SmartPtr create(size_t maxSize, const Config& = defaultConfig);
 133
 134   iterator find(KeyT k) {
 135     return iterator(this, findInternal(k).idx);
 136   }
 137   const_iterator find(KeyT k) const {
 138     return const_cast<AtomicHashArray*>(this)->find(k);
 139   }
 140
 141   /*
 142    * insert --
 143    *
 144    *   Returns a pair with iterator to the element at r.first and bool success.
 145    *   Retrieve the index with ret.first.getIndex().
 146    *
 147    *   Fails on key collision (does not overwrite) or if map becomes
 148    *   full, at which point no element is inserted, iterator is set to end(),
 149    *   and success is set false.  On collisions, success is set false, but the
 150    *   iterator is set to the existing entry.
 151    */
 152   std::pair<iterator,bool> insert(const value_type& r) {
 153     SimpleRetT ret = insertInternal(r.first, r.second);
 154     return std::make_pair(iterator(this, ret.idx), ret.success);
 155   }
 156   std::pair<iterator,bool> insert(value_type&& r) {
 157     SimpleRetT ret = insertInternal(r.first, std::move(r.second));
 158     return std::make_pair(iterator(this, ret.idx), ret.success);
 159   }
 160
 161   // returns the number of elements erased - should never exceed 1
 162   size_t erase(KeyT k);
 163
 164   // clears all keys and values in the map and resets all counters.  Not thread
 165   // safe.
 166   void clear();
 167
 168   // Exact number of elements in the map - note that readFull() acquires a
 169   // mutex.  See folly/ThreadCachedInt.h for more details.
 170   size_t size() const {
 171     return numEntries_.readFull() -
 172       numErases_.load(std::memory_order_relaxed);
 173   }
 174
 175   bool empty() const { return size() == 0; }
 176
 177   iterator begin()             { return iterator(this, 0); }
 178   iterator end()               { return iterator(this, capacity_); }
 179   const_iterator begin() const { return const_iterator(this, 0); }
 180   const_iterator end() const   { return const_iterator(this, capacity_); }
 181
 182   // See AtomicHashMap::findAt - access elements directly
 183   // WARNING: The following 2 functions will fail silently for hashtable
 184   // with capacity > 2^32
 185   iterator findAt(uint32_t idx) {
 186     DCHECK_LT(idx, capacity_);
 187     return iterator(this, idx);
 188   }
 189   const_iterator findAt(uint32_t idx) const {
 190     return const_cast<AtomicHashArray*>(this)->findAt(idx);
 191   }
 192
 193   iterator makeIter(size_t idx) { return iterator(this, idx); }
 194   const_iterator makeIter(size_t idx) const {
 195     return const_iterator(this, idx);
 196   }
 197
 198   // The max load factor allowed for this map
 199   double maxLoadFactor() const { return ((double) maxEntries_) / capacity_; }
 200
 201   void setEntryCountThreadCacheSize(uint32_t newSize) {
 202     numEntries_.setCacheSize(newSize);
 203     numPendingEntries_.setCacheSize(newSize);
 204   }
 205
 206   int getEntryCountThreadCacheSize() const {
 207     return numEntries_.getCacheSize();
 208   }
 209
 210   /* Private data and helper functions... */
 211
 212  private:
 213   friend class AtomicHashMap<KeyT,ValueT,HashFcn>;
 214
 215   struct SimpleRetT { size_t idx; bool success;
 216     SimpleRetT(size_t i, bool s) : idx(i), success(s) {}
 217     SimpleRetT() {}
 218   };
 219
 220   template <class T>
 221   SimpleRetT insertInternal(KeyT key, T&& value);
 222
 223   SimpleRetT findInternal(const KeyT key);
 224
 225   static std::atomic<KeyT>* cellKeyPtr(const value_type& r) {
 226     // We need some illegal casting here in order to actually store
 227     // our value_type as a std::pair<const,>.  But a little bit of
 228     // undefined behavior never hurt anyone ...
 229     static_assert(sizeof(std::atomic<KeyT>) == sizeof(KeyT),
 230                   "std::atomic is implemented in an unexpected way for AHM");
 231     return
 232       const_cast<std::atomic<KeyT>*>(
 233         reinterpret_cast<std::atomic<KeyT> const*>(&r.first));
 234   }
 235
 236   static KeyT relaxedLoadKey(const value_type& r) {
 237     return cellKeyPtr(r)->load(std::memory_order_relaxed);
 238   }
 239
 240   static KeyT acquireLoadKey(const value_type& r) {
 241     return cellKeyPtr(r)->load(std::memory_order_acquire);
 242   }
 243
 244   // Fun with thread local storage - atomic increment is expensive
 245   // (relatively), so we accumulate in the thread cache and periodically
 246   // flush to the actual variable, and walk through the unflushed counts when
 247   // reading the value, so be careful of calling size() too frequently.  This
 248   // increases insertion throughput several times over while keeping the count
 249   // accurate.
 250   ThreadCachedInt<int64_t> numEntries_;  // Successful key inserts
 251   ThreadCachedInt<int64_t> numPendingEntries_; // Used by insertInternal
 252   std::atomic<int64_t> isFull_; // Used by insertInternal
 253   std::atomic<int64_t> numErases_;   // Successful key erases
 254
 255   value_type cells_[0];  // This must be the last field of this class
 256
 257   // Force constructor/destructor private since create/destroy should be
 258   // used externally instead
 259   AtomicHashArray(size_t capacity, KeyT emptyKey, KeyT lockedKey,
 260                   KeyT erasedKey, double maxLoadFactor, size_t cacheSize);
 261
 262   ~AtomicHashArray() {}
 263
 264   inline void unlockCell(value_type* const cell, KeyT newKey) {
 265     cellKeyPtr(*cell)->store(newKey, std::memory_order_release);
 266   }
 267
 268   inline bool tryLockCell(value_type* const cell) {
 269     KeyT expect = kEmptyKey_;
 270     return cellKeyPtr(*cell)->compare_exchange_strong(expect, kLockedKey_,
 271       std::memory_order_acq_rel);
 272   }
 273
 274   inline size_t keyToAnchorIdx(const KeyT k) const {
 275     const size_t hashVal = HashFcn()(k);
 276     const size_t probe = hashVal & kAnchorMask_;
 277     return LIKELY(probe < capacity_) ? probe : hashVal % capacity_;
 278   }
 279
 280   inline size_t probeNext(size_t idx, size_t numProbes) {
 281     //idx += numProbes; // quadratic probing
 282     idx += 1; // linear probing
 283     // Avoid modulus because it's slow
 284     return LIKELY(idx < capacity_) ? idx : (idx - capacity_);
 285   }
 286 }; // AtomicHashArray
 287
 288 } // namespace folly
 289
 290 #include "AtomicHashArray-inl.h"
 291
 292 #endif // FOLLY_ATOMICHASHARRAY_H_