folly/ConcurrentSkipList-inl.h

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  15  */
  16
  17 // @author: Xin Liu <xliux@fb.com>
  18
  19 #pragma once
  20
  21 #include <algorithm>
  22 #include <atomic>
  23 #include <climits>
  24 #include <cmath>
  25 #include <memory>
  26 #include <mutex>
  27 #include <type_traits>
  28 #include <vector>
  29
  30 #include <boost/noncopyable.hpp>
  31 #include <boost/random.hpp>
  32 #include <boost/type_traits.hpp>
  33 #include <glog/logging.h>
  34
  35 #include <folly/Memory.h>
  36 #include <folly/MicroSpinLock.h>
  37 #include <folly/ThreadLocal.h>
  38
  39 namespace folly { namespace detail {
  40
  41 template <typename ValT, typename NodeT> class csl_iterator;
  42
  43 template <typename T>
  44 class SkipListNode : private boost::noncopyable {
  45   enum : uint16_t {
  46     IS_HEAD_NODE = 1,
  47     MARKED_FOR_REMOVAL = (1 << 1),
  48     FULLY_LINKED = (1 << 2),
  49   };
  50
  51  public:
  52   typedef T value_type;
  53
  54   template <
  55       typename NodeAlloc,
  56       typename U,
  57       typename =
  58           typename std::enable_if<std::is_convertible<U, T>::value>::type>
  59   static SkipListNode* create(
  60       NodeAlloc& alloc, int height, U&& data, bool isHead = false) {
  61     DCHECK(height >= 1 && height < 64) << height;
  62
  63     size_t size = sizeof(SkipListNode) +
  64       height * sizeof(std::atomic<SkipListNode*>);
  65     auto* node = static_cast<SkipListNode*>(alloc.allocate(size));
  66     // do placement new
  67     new (node) SkipListNode(uint8_t(height), std::forward<U>(data), isHead);
  68     return node;
  69   }
  70
  71   template <typename NodeAlloc>
  72   static void destroy(NodeAlloc& alloc, SkipListNode* node) {
  73     node->~SkipListNode();
  74     alloc.deallocate(node);
  75   }
  76
  77   template <typename NodeAlloc>
  78   struct DestroyIsNoOp : std::integral_constant<bool,
  79     IsArenaAllocator<NodeAlloc>::value &&
  80     boost::has_trivial_destructor<SkipListNode>::value> { };
  81
  82   // copy the head node to a new head node assuming lock acquired
  83   SkipListNode* copyHead(SkipListNode* node) {
  84     DCHECK(node != nullptr && height_ > node->height_);
  85     setFlags(node->getFlags());
  86     for (uint8_t i = 0; i < node->height_; ++i) {
  87       setSkip(i, node->skip(i));
  88     }
  89     return this;
  90   }
  91
  92   inline SkipListNode* skip(int layer) const {
  93     DCHECK_LT(layer, height_);
  94     return skip_[layer].load(std::memory_order_consume);
  95   }
  96
  97   // next valid node as in the linked list
  98   SkipListNode* next() {
  99     SkipListNode* node;
 100     for (node = skip(0);
 101         (node != nullptr && node->markedForRemoval());
 102         node = node->skip(0)) {}
 103     return node;
 104   }
 105
 106   void setSkip(uint8_t h, SkipListNode* next) {
 107     DCHECK_LT(h, height_);
 108     skip_[h].store(next, std::memory_order_release);
 109   }
 110
 111   value_type& data() { return data_; }
 112   const value_type& data() const { return data_; }
 113   int maxLayer() const { return height_ - 1; }
 114   int height() const { return height_; }
 115
 116   std::unique_lock<MicroSpinLock> acquireGuard() {
 117     return std::unique_lock<MicroSpinLock>(spinLock_);
 118   }
 119
 120   bool fullyLinked() const      { return getFlags() & FULLY_LINKED; }
 121   bool markedForRemoval() const { return getFlags() & MARKED_FOR_REMOVAL; }
 122   bool isHeadNode() const       { return getFlags() & IS_HEAD_NODE; }
 123
 124   void setIsHeadNode() {
 125     setFlags(uint16_t(getFlags() | IS_HEAD_NODE));
 126   }
 127   void setFullyLinked() {
 128     setFlags(uint16_t(getFlags() | FULLY_LINKED));
 129   }
 130   void setMarkedForRemoval() {
 131     setFlags(uint16_t(getFlags() | MARKED_FOR_REMOVAL));
 132   }
 133
 134  private:
 135   // Note! this can only be called from create() as a placement new.
 136   template <typename U>
 137   SkipListNode(uint8_t height, U&& data, bool isHead) :
 138       height_(height), data_(std::forward<U>(data)) {
 139     spinLock_.init();
 140     setFlags(0);
 141     if (isHead) setIsHeadNode();
 142     // need to explicitly init the dynamic atomic pointer array
 143     for (uint8_t i = 0; i < height_; ++i) {
 144       new (&skip_[i]) std::atomic<SkipListNode*>(nullptr);
 145     }
 146   }
 147
 148   ~SkipListNode() {
 149     for (uint8_t i = 0; i < height_; ++i) {
 150       skip_[i].~atomic();
 151     }
 152   }
 153
 154   uint16_t getFlags() const {
 155     return flags_.load(std::memory_order_consume);
 156   }
 157   void setFlags(uint16_t flags) {
 158     flags_.store(flags, std::memory_order_release);
 159   }
 160
 161   // TODO(xliu): on x86_64, it's possible to squeeze these into
 162   // skip_[0] to maybe save 8 bytes depending on the data alignments.
 163   // NOTE: currently this is x86_64 only anyway, due to the
 164   // MicroSpinLock.
 165   std::atomic<uint16_t> flags_;
 166   const uint8_t height_;
 167   MicroSpinLock spinLock_;
 168
 169   value_type data_;
 170
 171   std::atomic<SkipListNode*> skip_[0];
 172 };
 173
 174 class SkipListRandomHeight {
 175   enum { kMaxHeight = 64 };
 176  public:
 177   // make it a singleton.
 178   static SkipListRandomHeight *instance() {
 179     static SkipListRandomHeight instance_;
 180     return &instance_;
 181   }
 182
 183   int getHeight(int maxHeight) const {
 184     DCHECK_LE(maxHeight, kMaxHeight) << "max height too big!";
 185     double p = randomProb();
 186     for (int i = 0; i < maxHeight; ++i) {
 187       if (p < lookupTable_[i]) {
 188         return i + 1;
 189       }
 190     }
 191     return maxHeight;
 192   }
 193
 194   size_t getSizeLimit(int height) const {
 195     DCHECK_LT(height, kMaxHeight);
 196     return sizeLimitTable_[height];
 197   }
 198
 199  private:
 200   SkipListRandomHeight() { initLookupTable(); }
 201
 202   void initLookupTable() {
 203     // set skip prob = 1/E
 204     static const double kProbInv = exp(1);
 205     static const double kProb = 1.0 / kProbInv;
 206     static const size_t kMaxSizeLimit = std::numeric_limits<size_t>::max();
 207
 208     double sizeLimit = 1;
 209     double p = lookupTable_[0] = (1 - kProb);
 210     sizeLimitTable_[0] = 1;
 211     for (int i = 1; i < kMaxHeight - 1; ++i) {
 212       p *= kProb;
 213       sizeLimit *= kProbInv;
 214       lookupTable_[i] = lookupTable_[i - 1] + p;
 215       sizeLimitTable_[i] = sizeLimit > kMaxSizeLimit ?
 216         kMaxSizeLimit :
 217         static_cast<size_t>(sizeLimit);
 218     }
 219     lookupTable_[kMaxHeight - 1] = 1;
 220     sizeLimitTable_[kMaxHeight - 1] = kMaxSizeLimit;
 221   }
 222
 223   static double randomProb() {
 224     static ThreadLocal<boost::lagged_fibonacci2281> rng_;
 225     return (*rng_)();
 226   }
 227
 228   double lookupTable_[kMaxHeight];
 229   size_t sizeLimitTable_[kMaxHeight];
 230 };
 231
 232 template <typename NodeType, typename NodeAlloc, typename = void>
 233 class NodeRecycler;
 234
 235 template <typename NodeType, typename NodeAlloc>
 236 class NodeRecycler<NodeType, NodeAlloc, typename std::enable_if<
 237   !NodeType::template DestroyIsNoOp<NodeAlloc>::value>::type> {
 238  public:
 239   explicit NodeRecycler(const NodeAlloc& alloc)
 240     : refs_(0), dirty_(false), alloc_(alloc) { lock_.init(); }
 241
 242   explicit NodeRecycler() : refs_(0), dirty_(false) { lock_.init(); }
 243
 244   ~NodeRecycler() {
 245     CHECK_EQ(refs(), 0);
 246     if (nodes_) {
 247       for (auto& node : *nodes_) {
 248         NodeType::destroy(alloc_, node);
 249       }
 250     }
 251   }
 252
 253   void add(NodeType* node) {
 254     std::lock_guard<MicroSpinLock> g(lock_);
 255     if (nodes_.get() == nullptr) {
 256       nodes_.reset(new std::vector<NodeType*>(1, node));
 257     } else {
 258       nodes_->push_back(node);
 259     }
 260     DCHECK_GT(refs(), 0);
 261     dirty_.store(true, std::memory_order_relaxed);
 262   }
 263
 264   int addRef() {
 265     return refs_.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed);
 266   }
 267
 268   int releaseRef() {
 269     // We don't expect to clean the recycler immediately everytime it is OK
 270     // to do so. Here, it is possible that multiple accessors all release at
 271     // the same time but nobody would clean the recycler here. If this
 272     // happens, the recycler will usually still get cleaned when
 273     // such a race doesn't happen. The worst case is the recycler will
 274     // eventually get deleted along with the skiplist.
 275     if (LIKELY(!dirty_.load(std::memory_order_relaxed) || refs() > 1)) {
 276       return refs_.fetch_add(-1, std::memory_order_relaxed);
 277     }
 278
 279     std::unique_ptr<std::vector<NodeType*>> newNodes;
 280     {
 281       std::lock_guard<MicroSpinLock> g(lock_);
 282       if (nodes_.get() == nullptr || refs() > 1) {
 283         return refs_.fetch_add(-1, std::memory_order_relaxed);
 284       }
 285       // once refs_ reaches 1 and there is no other accessor, it is safe to
 286       // remove all the current nodes in the recycler, as we already acquired
 287       // the lock here so no more new nodes can be added, even though new
 288       // accessors may be added after that.
 289       newNodes.swap(nodes_);
 290       dirty_.store(false, std::memory_order_relaxed);
 291     }
 292
 293     // TODO(xliu) should we spawn a thread to do this when there are large
 294     // number of nodes in the recycler?
 295     for (auto& node : *newNodes) {
 296       NodeType::destroy(alloc_, node);
 297     }
 298
 299     // decrease the ref count at the very end, to minimize the
 300     // chance of other threads acquiring lock_ to clear the deleted
 301     // nodes again.
 302     return refs_.fetch_add(-1, std::memory_order_relaxed);
 303   }
 304
 305   NodeAlloc& alloc() { return alloc_; }
 306
 307  private:
 308   int refs() const {
 309     return refs_.load(std::memory_order_relaxed);
 310   }
 311
 312   std::unique_ptr<std::vector<NodeType*>> nodes_;
 313   std::atomic<int32_t> refs_; // current number of visitors to the list
 314   std::atomic<bool> dirty_; // whether *nodes_ is non-empty
 315   MicroSpinLock lock_; // protects access to *nodes_
 316   NodeAlloc alloc_;
 317 };
 318
 319 // In case of arena allocator, no recycling is necessary, and it's possible
 320 // to save on ConcurrentSkipList size.
 321 template <typename NodeType, typename NodeAlloc>
 322 class NodeRecycler<NodeType, NodeAlloc, typename std::enable_if<
 323   NodeType::template DestroyIsNoOp<NodeAlloc>::value>::type> {
 324  public:
 325   explicit NodeRecycler(const NodeAlloc& alloc) : alloc_(alloc) { }
 326
 327   void addRef() { }
 328   void releaseRef() { }
 329
 330   void add(NodeType* /* node */) {}
 331
 332   NodeAlloc& alloc() { return alloc_; }
 333
 334  private:
 335   NodeAlloc alloc_;
 336 };
 337
 338 }}  // namespaces