folly/sorted_vector_types.h

   1 /*
   2  * Copyright 2016 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  * This header defines two classes that very nearly model
  19  * AssociativeContainer (but not quite).  These implement set-like and
  20  * map-like behavior on top of a sorted vector, instead of using
  21  * rb-trees like std::set and std::map.
  22  *
  23  * This is potentially useful in cases where the number of elements in
  24  * the set or map is small, or when you want to avoid using more
  25  * memory than necessary and insertions/deletions are much more rare
  26  * than lookups (these classes have O(N) insertions/deletions).
  27  *
  28  * In the interest of using these in conditions where the goal is to
  29  * minimize memory usage, they support a GrowthPolicy parameter, which
  30  * is a class defining a single function called increase_capacity,
  31  * which will be called whenever we are about to insert something: you
  32  * can then decide to call reserve() based on the current capacity()
  33  * and size() of the passed in vector-esque Container type.  An
  34  * example growth policy that grows one element at a time:
  35  *
  36  *    struct OneAtATimePolicy {
  37  *      template<class Container>
  38  *      void increase_capacity(Container& c) {
  39  *        if (c.size() == c.capacity()) {
  40  *          c.reserve(c.size() + 1);
  41  *        }
  42  *      }
  43  *    };
  44  *
  45  *    typedef sorted_vector_set<int,
  46  *                              std::less<int>,
  47  *                              std::allocator<int>,
  48  *                              OneAtATimePolicy>
  49  *            OneAtATimeIntSet;
  50  *
  51  * Important differences from std::set and std::map:
  52  *   - insert() and erase() invalidate iterators and references
  53  *   - insert() and erase() are O(N)
  54  *   - our iterators model RandomAccessIterator
  55  *   - sorted_vector_map::value_type is pair<K,V>, not pair<const K,V>.
  56  *     (This is basically because we want to store the value_type in
  57  *     std::vector<>, which requires it to be Assignable.)
  58  */
  59
  60 #ifndef FOLLY_SORTED_VECTOR_TYPES_H_
  61 #define FOLLY_SORTED_VECTOR_TYPES_H_
  62
  63 #include <algorithm>
  64 #include <initializer_list>
  65 #include <iterator>
  66 #include <utility>
  67 #include <vector>
  68 #include <boost/operators.hpp>
  69 #include <boost/bind.hpp>
  70 #include <boost/type_traits/is_same.hpp>
  71
  72 namespace folly {
  73
  74 //////////////////////////////////////////////////////////////////////
  75
  76 namespace detail {
  77
  78   // This wrapper goes around a GrowthPolicy and provides iterator
  79   // preservation semantics, but only if the growth policy is not the
  80   // default (i.e. nothing).
  81   template<class Policy>
  82   struct growth_policy_wrapper : private Policy {
  83     template<class Container, class Iterator>
  84     Iterator increase_capacity(Container& c, Iterator desired_insertion)
  85     {
  86       typedef typename Container::difference_type diff_t;
  87       diff_t d = desired_insertion - c.begin();
  88       Policy::increase_capacity(c);
  89       return c.begin() + d;
  90     }
  91   };
  92   template<>
  93   struct growth_policy_wrapper<void> {
  94     template<class Container, class Iterator>
  95     Iterator increase_capacity(Container&, Iterator it) {
  96       return it;
  97     }
  98   };
  99
 100   /*
 101    * This helper returns the distance between two iterators if it is
 102    * possible to figure it out without messing up the range
 103    * (i.e. unless they are InputIterators).  Otherwise this returns
 104    * -1.
 105    */
 106   template<class Iterator>
 107   int distance_if_multipass(Iterator first, Iterator last) {
 108     typedef typename std::iterator_traits<Iterator>::iterator_category categ;
 109     if (boost::is_same<categ,std::input_iterator_tag>::value)
 110       return -1;
 111     return std::distance(first, last);
 112   }
 113
 114   template<class OurContainer, class Vector, class GrowthPolicy>
 115   typename OurContainer::iterator
 116   insert_with_hint(OurContainer& sorted,
 117                    Vector& cont,
 118                    typename OurContainer::iterator hint,
 119                    typename OurContainer::value_type&& value,
 120                    GrowthPolicy& po)
 121   {
 122     const typename OurContainer::value_compare& cmp(sorted.value_comp());
 123     if (hint == cont.end() || cmp(value, *hint)) {
 124       if (hint == cont.begin()) {
 125         po.increase_capacity(cont, cont.begin());
 126         return cont.insert(cont.begin(), std::move(value));
 127       }
 128       if (cmp(*(hint - 1), value)) {
 129         hint = po.increase_capacity(cont, hint);
 130         return cont.insert(hint, std::move(value));
 131       }
 132       return sorted.insert(std::move(value)).first;
 133     }
 134
 135     if (cmp(*hint, value)) {
 136       if (hint + 1 == cont.end() || cmp(value, *(hint + 1))) {
 137         typename OurContainer::iterator it =
 138           po.increase_capacity(cont, hint + 1);
 139         return cont.insert(it, std::move(value));
 140       }
 141     }
 142
 143     // Value and *hint did not compare, so they are equal keys.
 144     return hint;
 145   }
 146
 147 }
 148
 149 //////////////////////////////////////////////////////////////////////
 150
 151 /**
 152  * A sorted_vector_set is a container similar to std::set<>, but
 153  * implemented as as a sorted array with std::vector<>.
 154  *
 155  * @param class T               Data type to store
 156  * @param class Compare         Comparison function that imposes a
 157  *                              strict weak ordering over instances of T
 158  * @param class Allocator       allocation policy
 159  * @param class GrowthPolicy    policy object to control growth
 160  *
 161  * @author Aditya Agarwal <aditya@fb.com>
 162  * @author Akhil Wable    <akhil@fb.com>
 163  * @author Jordan DeLong  <delong.j@fb.com>
 164  */
 165 template<class T,
 166          class Compare      = std::less<T>,
 167          class Allocator    = std::allocator<T>,
 168          class GrowthPolicy = void>
 169 class sorted_vector_set
 170   : boost::totally_ordered1<
 171       sorted_vector_set<T,Compare,Allocator,GrowthPolicy>
 172     , detail::growth_policy_wrapper<GrowthPolicy> >
 173 {
 174   typedef std::vector<T,Allocator> ContainerT;
 175
 176   detail::growth_policy_wrapper<GrowthPolicy>&
 177   get_growth_policy() { return *this; }
 178
 179 public:
 180   typedef T       value_type;
 181   typedef T       key_type;
 182   typedef Compare key_compare;
 183   typedef Compare value_compare;
 184
 185   typedef typename ContainerT::pointer                pointer;
 186   typedef typename ContainerT::reference              reference;
 187   typedef typename ContainerT::const_reference        const_reference;
 188   /*
 189    * XXX: Our normal iterator ought to also be a constant iterator
 190    * (cf. Defect Report 103 for std::set), but this is a bit more of a
 191    * pain.
 192    */
 193   typedef typename ContainerT::iterator               iterator;
 194   typedef typename ContainerT::const_iterator         const_iterator;
 195   typedef typename ContainerT::difference_type        difference_type;
 196   typedef typename ContainerT::size_type              size_type;
 197   typedef typename ContainerT::reverse_iterator       reverse_iterator;
 198   typedef typename ContainerT::const_reverse_iterator const_reverse_iterator;
 199
 200   explicit sorted_vector_set(const Compare& comp = Compare(),
 201                              const Allocator& alloc = Allocator())
 202     : m_(comp, alloc)
 203   {}
 204
 205   template<class InputIterator>
 206   explicit sorted_vector_set(
 207       InputIterator first,
 208       InputIterator last,
 209       const Compare& comp = Compare(),
 210       const Allocator& alloc = Allocator())
 211     : m_(comp, alloc)
 212   {
 213     // This is linear if [first, last) is already sorted (and if we
 214     // can figure out the distance between the two iterators).
 215     insert(first, last);
 216   }
 217
 218   explicit sorted_vector_set(
 219       std::initializer_list<value_type> list,
 220       const Compare& comp = Compare(),
 221       const Allocator& alloc = Allocator())
 222     : m_(comp, alloc)
 223   {
 224     insert(list.begin(), list.end());
 225   }
 226
 227   key_compare key_comp() const { return m_; }
 228   value_compare value_comp() const { return m_; }
 229
 230   iterator begin()                      { return m_.cont_.begin();  }
 231   iterator end()                        { return m_.cont_.end();    }
 232   const_iterator begin() const          { return m_.cont_.begin();  }
 233   const_iterator end() const            { return m_.cont_.end();    }
 234   reverse_iterator rbegin()             { return m_.cont_.rbegin(); }
 235   reverse_iterator rend()               { return m_.cont_.rend();   }
 236   const_reverse_iterator rbegin() const { return m_.cont_.rbegin(); }
 237   const_reverse_iterator rend() const   { return m_.cont_.rend();   }
 238
 239   void clear()                  { return m_.cont_.clear();    }
 240   size_type size() const        { return m_.cont_.size();     }
 241   size_type max_size() const    { return m_.cont_.max_size(); }
 242   bool empty() const            { return m_.cont_.empty();    }
 243   void reserve(size_type s)     { return m_.cont_.reserve(s); }
 244   void shrink_to_fit()          { m_.cont_.shrink_to_fit();   }
 245   size_type capacity() const    { return m_.cont_.capacity(); }
 246
 247   std::pair<iterator,bool> insert(const value_type& value) {
 248     return insert(value_type(value));
 249   }
 250
 251   std::pair<iterator,bool> insert(value_type&& value) {
 252     iterator it = lower_bound(value);
 253     if (it == end() || value_comp()(value, *it)) {
 254       it = get_growth_policy().increase_capacity(m_.cont_, it);
 255       return std::make_pair(m_.cont_.insert(it, std::move(value)), true);
 256     }
 257     return std::make_pair(it, false);
 258   }
 259
 260   iterator insert(iterator hint, const value_type& value) {
 261     return insert(hint, value_type(value));
 262   }
 263
 264   iterator insert(iterator hint, value_type&& value) {
 265     return detail::insert_with_hint(*this, m_.cont_, hint, std::move(value),
 266       get_growth_policy());
 267   }
 268
 269   template<class InputIterator>
 270   void insert(InputIterator first, InputIterator last) {
 271     int d = detail::distance_if_multipass(first, last);
 272     if (d != -1) {
 273       m_.cont_.reserve(m_.cont_.size() + d);
 274     }
 275     for (; first != last; ++first) {
 276       insert(end(), *first);
 277     }
 278   }
 279
 280   size_type erase(const key_type& key) {
 281     iterator it = lower_bound(key);
 282     if (it == end()) {
 283       return 0;
 284     }
 285     m_.cont_.erase(it);
 286     return 1;
 287   }
 288
 289   void erase(iterator it) {
 290     m_.cont_.erase(it);
 291   }
 292
 293   void erase(iterator first, iterator last) {
 294     m_.cont_.erase(first, last);
 295   }
 296
 297   iterator find(const key_type& key) {
 298     iterator it = lower_bound(key);
 299     if (it == end() || !key_comp()(key, *it))
 300       return it;
 301     return end();
 302   }
 303
 304   const_iterator find(const key_type& key) const {
 305     const_iterator it = lower_bound(key);
 306     if (it == end() || !key_comp()(key, *it))
 307       return it;
 308     return end();
 309   }
 310
 311   size_type count(const key_type& key) const {
 312     return find(key) == end() ? 0 : 1;
 313   }
 314
 315   iterator lower_bound(const key_type& key) {
 316     return std::lower_bound(begin(), end(), key, key_comp());
 317   }
 318
 319   const_iterator lower_bound(const key_type& key) const {
 320     return std::lower_bound(begin(), end(), key, key_comp());
 321   }
 322
 323   iterator upper_bound(const key_type& key) {
 324     return std::upper_bound(begin(), end(), key, key_comp());
 325   }
 326
 327   const_iterator upper_bound(const key_type& key) const {
 328     return std::upper_bound(begin(), end(), key, key_comp());
 329   }
 330
 331   std::pair<iterator,iterator> equal_range(const key_type& key) {
 332     return std::equal_range(begin(), end(), key, key_comp());
 333   }
 334
 335   std::pair<const_iterator,const_iterator>
 336   equal_range(const key_type& key) const {
 337     return std::equal_range(begin(), end(), key, key_comp());
 338   }
 339
 340   // Nothrow as long as swap() on the Compare type is nothrow.
 341   void swap(sorted_vector_set& o) {
 342     using std::swap;  // Allow ADL for swap(); fall back to std::swap().
 343     Compare& a = m_;
 344     Compare& b = o.m_;
 345     swap(a, b);
 346     m_.cont_.swap(o.m_.cont_);
 347   }
 348
 349   bool operator==(const sorted_vector_set& other) const {
 350     return other.m_.cont_ == m_.cont_;
 351   }
 352
 353   bool operator<(const sorted_vector_set& other) const {
 354     return m_.cont_ < other.m_.cont_;
 355   }
 356
 357 private:
 358   /*
 359    * This structure derives from the comparison object in order to
 360    * make use of the empty base class optimization if our comparison
 361    * functor is an empty class (usual case).
 362    *
 363    * Wrapping up this member like this is better than deriving from
 364    * the Compare object ourselves (there are some perverse edge cases
 365    * involving virtual functions).
 366    *
 367    * More info:  http://www.cantrip.org/emptyopt.html
 368    */
 369   struct EBO : Compare {
 370     explicit EBO(const Compare& c, const Allocator& alloc)
 371       : Compare(c)
 372       , cont_(alloc)
 373     {}
 374     ContainerT cont_;
 375   } m_;
 376 };
 377
 378 // Swap function that can be found using ADL.
 379 template<class T, class C, class A, class G>
 380 inline void swap(sorted_vector_set<T,C,A,G>& a,
 381                  sorted_vector_set<T,C,A,G>& b) {
 382   return a.swap(b);
 383 }
 384
 385 //////////////////////////////////////////////////////////////////////
 386
 387 /**
 388  * A sorted_vector_map is similar to a sorted_vector_set but stores
 389  * <key,value> pairs instead of single elements.
 390  *
 391  * @param class Key           Key type
 392  * @param class Value         Value type
 393  * @param class Compare       Function that can compare key types and impose
 394  *                            a strict weak ordering over them.
 395  * @param class Allocator     allocation policy
 396  * @param class GrowthPolicy  policy object to control growth
 397  *
 398  * @author Aditya Agarwal <aditya@fb.com>
 399  * @author Akhil Wable    <akhil@fb.com>
 400  * @author Jordan DeLong  <delong.j@fb.com>
 401  */
 402 template<class Key,
 403          class Value,
 404          class Compare        = std::less<Key>,
 405          class Allocator      = std::allocator<std::pair<Key,Value> >,
 406          class GrowthPolicy   = void>
 407 class sorted_vector_map
 408   : boost::totally_ordered1<
 409       sorted_vector_map<Key,Value,Compare,Allocator,GrowthPolicy>
 410     , detail::growth_policy_wrapper<GrowthPolicy> >
 411 {
 412   typedef std::vector<std::pair<Key,Value>,Allocator> ContainerT;
 413
 414   detail::growth_policy_wrapper<GrowthPolicy>&
 415   get_growth_policy() { return *this; }
 416
 417 public:
 418   typedef Key                                       key_type;
 419   typedef Value                                     mapped_type;
 420   typedef std::pair<key_type,mapped_type>           value_type;
 421   typedef Compare                                   key_compare;
 422
 423   struct value_compare
 424     : std::binary_function<value_type,value_type,bool>
 425     , private Compare
 426   {
 427     bool operator()(const value_type& a, const value_type& b) const {
 428       return Compare::operator()(a.first, b.first);
 429     }
 430
 431   protected:
 432     friend class sorted_vector_map;
 433     explicit value_compare(const Compare& c) : Compare(c) {}
 434   };
 435
 436   typedef typename ContainerT::pointer                pointer;
 437   typedef typename ContainerT::reference              reference;
 438   typedef typename ContainerT::const_reference        const_reference;
 439   typedef typename ContainerT::iterator               iterator;
 440   typedef typename ContainerT::const_iterator         const_iterator;
 441   typedef typename ContainerT::difference_type        difference_type;
 442   typedef typename ContainerT::size_type              size_type;
 443   typedef typename ContainerT::reverse_iterator       reverse_iterator;
 444   typedef typename ContainerT::const_reverse_iterator const_reverse_iterator;
 445
 446   explicit sorted_vector_map(const Compare& comp = Compare(),
 447                              const Allocator& alloc = Allocator())
 448     : m_(value_compare(comp), alloc)
 449   {}
 450
 451   template<class InputIterator>
 452   explicit sorted_vector_map(
 453       InputIterator first,
 454       InputIterator last,
 455       const Compare& comp = Compare(),
 456       const Allocator& alloc = Allocator())
 457     : m_(value_compare(comp), alloc)
 458   {
 459     insert(first, last);
 460   }
 461
 462   explicit sorted_vector_map(
 463       std::initializer_list<value_type> list,
 464       const Compare& comp = Compare(),
 465       const Allocator& alloc = Allocator())
 466     : m_(value_compare(comp), alloc)
 467   {
 468     insert(list.begin(), list.end());
 469   }
 470
 471   key_compare key_comp() const { return m_; }
 472   value_compare value_comp() const { return m_; }
 473
 474   iterator begin()                      { return m_.cont_.begin();  }
 475   iterator end()                        { return m_.cont_.end();    }
 476   const_iterator begin() const          { return m_.cont_.begin();  }
 477   const_iterator end() const            { return m_.cont_.end();    }
 478   reverse_iterator rbegin()             { return m_.cont_.rbegin(); }
 479   reverse_iterator rend()               { return m_.cont_.rend();   }
 480   const_reverse_iterator rbegin() const { return m_.cont_.rbegin(); }
 481   const_reverse_iterator rend() const   { return m_.cont_.rend();   }
 482
 483   void clear()                  { return m_.cont_.clear();    }
 484   size_type size() const        { return m_.cont_.size();     }
 485   size_type max_size() const    { return m_.cont_.max_size(); }
 486   bool empty() const            { return m_.cont_.empty();    }
 487   void reserve(size_type s)     { return m_.cont_.reserve(s); }
 488   void shrink_to_fit()          { m_.cont_.shrink_to_fit();   }
 489   size_type capacity() const    { return m_.cont_.capacity(); }
 490
 491   std::pair<iterator,bool> insert(const value_type& value) {
 492     return insert(value_type(value));
 493   }
 494
 495   std::pair<iterator,bool> insert(value_type&& value) {
 496     iterator it = lower_bound(value.first);
 497     if (it == end() || value_comp()(value, *it)) {
 498       it = get_growth_policy().increase_capacity(m_.cont_, it);
 499       return std::make_pair(m_.cont_.insert(it, std::move(value)), true);
 500     }
 501     return std::make_pair(it, false);
 502   }
 503
 504   iterator insert(iterator hint, const value_type& value) {
 505     return insert(hint, value_type(value));
 506   }
 507
 508   iterator insert(iterator hint, value_type&& value) {
 509     return detail::insert_with_hint(*this, m_.cont_, hint, std::move(value),
 510       get_growth_policy());
 511   }
 512
 513   template<class InputIterator>
 514   void insert(InputIterator first, InputIterator last) {
 515     int d = detail::distance_if_multipass(first, last);
 516     if (d != -1) {
 517       m_.cont_.reserve(m_.cont_.size() + d);
 518     }
 519     for (; first != last; ++first) {
 520       insert(end(), *first);
 521     }
 522   }
 523
 524   size_type erase(const key_type& key) {
 525     iterator it = find(key);
 526     if (it == end()) {
 527       return 0;
 528     }
 529     m_.cont_.erase(it);
 530     return 1;
 531   }
 532
 533   void erase(iterator it) {
 534     m_.cont_.erase(it);
 535   }
 536
 537   void erase(iterator first, iterator last) {
 538     m_.cont_.erase(first, last);
 539   }
 540
 541   iterator find(const key_type& key) {
 542     iterator it = lower_bound(key);
 543     if (it == end() || !key_comp()(key, it->first))
 544       return it;
 545     return end();
 546   }
 547
 548   const_iterator find(const key_type& key) const {
 549     const_iterator it = lower_bound(key);
 550     if (it == end() || !key_comp()(key, it->first))
 551       return it;
 552     return end();
 553   }
 554
 555   mapped_type& at(const key_type& key) {
 556     iterator it = find(key);
 557     if (it != end()) {
 558       return it->second;
 559     }
 560     throw std::out_of_range("sorted_vector_map::at");
 561   }
 562
 563   const mapped_type& at(const key_type& key) const {
 564     const_iterator it = find(key);
 565     if (it != end()) {
 566       return it->second;
 567     }
 568     throw std::out_of_range("sorted_vector_map::at");
 569   }
 570
 571   size_type count(const key_type& key) const {
 572     return find(key) == end() ? 0 : 1;
 573   }
 574
 575   iterator lower_bound(const key_type& key) {
 576     return std::lower_bound(begin(), end(), key,
 577       boost::bind(key_comp(), boost::bind(&value_type::first, _1), _2));
 578   }
 579
 580   const_iterator lower_bound(const key_type& key) const {
 581     return std::lower_bound(begin(), end(), key,
 582       boost::bind(key_comp(), boost::bind(&value_type::first, _1), _2));
 583   }
 584
 585   iterator upper_bound(const key_type& key) {
 586     return std::upper_bound(begin(), end(), key,
 587       boost::bind(key_comp(), _1, boost::bind(&value_type::first, _2)));
 588   }
 589
 590   const_iterator upper_bound(const key_type& key) const {
 591     return std::upper_bound(begin(), end(), key,
 592       boost::bind(key_comp(), _1, boost::bind(&value_type::first, _2)));
 593   }
 594
 595   std::pair<iterator,iterator> equal_range(const key_type& key) {
 596     // Note: std::equal_range can't be passed a functor that takes
 597     // argument types different from the iterator value_type, so we
 598     // have to do this.
 599     iterator low = lower_bound(key);
 600     iterator high = std::upper_bound(low, end(), key,
 601       boost::bind(key_comp(), _1, boost::bind(&value_type::first, _2)));
 602     return std::make_pair(low, high);
 603   }
 604
 605   std::pair<const_iterator,const_iterator>
 606   equal_range(const key_type& key) const {
 607     return const_cast<sorted_vector_map*>(this)->equal_range(key);
 608   }
 609
 610   // Nothrow as long as swap() on the Compare type is nothrow.
 611   void swap(sorted_vector_map& o) {
 612     using std::swap; // Allow ADL for swap(); fall back to std::swap().
 613     Compare& a = m_;
 614     Compare& b = o.m_;
 615     swap(a, b);
 616     m_.cont_.swap(o.m_.cont_);
 617   }
 618
 619   mapped_type& operator[](const key_type& key) {
 620     iterator it = lower_bound(key);
 621     if (it == end() || key_comp()(key, it->first)) {
 622       return insert(it, value_type(key, mapped_type()))->second;
 623     }
 624     return it->second;
 625   }
 626
 627   bool operator==(const sorted_vector_map& other) const {
 628     return m_.cont_ == other.m_.cont_;
 629   }
 630
 631   bool operator<(const sorted_vector_map& other) const {
 632     return m_.cont_ < other.m_.cont_;
 633   }
 634
 635 private:
 636   // This is to get the empty base optimization; see the comment in
 637   // sorted_vector_set.
 638   struct EBO : value_compare {
 639     explicit EBO(const value_compare& c, const Allocator& alloc)
 640       : value_compare(c)
 641       , cont_(alloc)
 642     {}
 643     ContainerT cont_;
 644   } m_;
 645 };
 646
 647 // Swap function that can be found using ADL.
 648 template<class K, class V, class C, class A, class G>
 649 inline void swap(sorted_vector_map<K,V,C,A,G>& a,
 650                  sorted_vector_map<K,V,C,A,G>& b) {
 651   return a.swap(b);
 652 }
 653
 654 //////////////////////////////////////////////////////////////////////
 655
 656 }
 657
 658 #endif