junction/ConcurrentMap_Linear.h

   1 /*------------------------------------------------------------------------
   2   Junction: Concurrent data structures in C++
   3   Copyright (c) 2016 Jeff Preshing
   4
   5   Distributed under the Simplified BSD License.
   6   Original location: https://github.com/preshing/junction
   7
   8   This software is distributed WITHOUT ANY WARRANTY; without even the
   9   implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.
  10   See the LICENSE file for more information.
  11 ------------------------------------------------------------------------*/
  12
  13 #ifndef JUNCTION_CONCURRENTMAP_LINEAR_H
  14 #define JUNCTION_CONCURRENTMAP_LINEAR_H
  15
  16 #include <junction/Core.h>
  17 #include <junction/details/Linear.h>
  18 #include <junction/QSBR.h>
  19 #include <turf/Heap.h>
  20 #include <turf/Trace.h>
  21
  22 namespace junction {
  23
  24 TURF_TRACE_DECLARE(ConcurrentMap_Linear, 17)
  25
  26 template <typename K, typename V, class KT = DefaultKeyTraits<K>, class VT = DefaultValueTraits<V> >
  27 class ConcurrentMap_Linear {
  28 public:
  29     typedef K Key;
  30     typedef V Value;
  31     typedef KT KeyTraits;
  32     typedef VT ValueTraits;
  33     typedef typename turf::util::BestFit<Key>::Unsigned Hash;
  34     typedef details::Linear<ConcurrentMap_Linear> Details;
  35
  36 private:
  37     turf::Atomic<typename Details::Table*> m_root;
  38
  39 public:
  40     ConcurrentMap_Linear(ureg capacity = Details::InitialSize) : m_root(Details::Table::create(capacity)) {
  41     }
  42
  43     ~ConcurrentMap_Linear() {
  44         typename Details::Table* table = m_root.loadNonatomic();
  45         table->destroy();
  46     }
  47
  48     // publishTableMigration() is called by exactly one thread from Details::TableMigration::run()
  49     // after all the threads participating in the migration have completed their work.
  50     void publishTableMigration(typename Details::TableMigration* migration) {
  51         // There are no racing calls to this function.
  52         typename Details::Table* oldRoot = m_root.loadNonatomic();
  53         m_root.store(migration->m_destination, turf::Release);
  54         TURF_ASSERT(oldRoot == migration->getSources()[0].table);
  55         // Caller will GC the TableMigration and the source table.
  56     }
  57
  58     // A Mutator represents a known cell in the hash table.
  59     // It's meant for manipulations within a temporary function scope.
  60     // Obviously you must not call QSBR::Update while holding a Mutator.
  61     // Any operation that modifies the table (exchangeValue, eraseValue)
  62     // may be forced to follow a redirected cell, which changes the Mutator itself.
  63     // Note that even if the Mutator was constructed from an existing cell,
  64     // exchangeValue() can still trigger a resize if the existing cell was previously marked deleted,
  65     // or if another thread deletes the key between the two steps.
  66     class Mutator {
  67     private:
  68         friend class ConcurrentMap_Linear;
  69
  70         ConcurrentMap_Linear& m_map;
  71         typename Details::Table* m_table;
  72         typename Details::Cell* m_cell;
  73         Value m_value;
  74
  75         // Constructor: Find existing cell
  76         Mutator(ConcurrentMap_Linear& map, Key key, bool) : m_map(map), m_value(Value(ValueTraits::NullValue)) {
  77             TURF_TRACE(ConcurrentMap_Linear, 0, "[Mutator] find constructor called", uptr(m_table), uptr(key));
  78             Hash hash = KeyTraits::hash(key);
  79             for (;;) {
  80                 m_table = m_map.m_root.load(turf::Consume);
  81                 m_cell = Details::find(hash, m_table);
  82                 if (!m_cell)
  83                     return;
  84                 m_value = m_cell->value.load(turf::Consume);
  85                 if (m_value != Value(ValueTraits::Redirect))
  86                     return; // Found an existing value
  87                 // We've encountered a Redirect value. Help finish the migration.
  88                 TURF_TRACE(ConcurrentMap_Linear, 1, "[Mutator] find was redirected", uptr(m_table), 0);
  89                 m_table->jobCoordinator.participate();
  90                 // Try again using the latest root.
  91             }
  92         }
  93
  94         // Constructor: Insert cell
  95         Mutator(ConcurrentMap_Linear& map, Key key)
  96             : m_map(map), m_table(map.m_root.load(turf::Consume)), m_value(Value(ValueTraits::NullValue)) {
  97             TURF_TRACE(ConcurrentMap_Linear, 2, "[Mutator] insert constructor called", uptr(m_table), uptr(key));
  98             Hash hash = KeyTraits::hash(key);
  99             for (;;) {
 100                 m_table = m_map.m_root.load(turf::Consume);
 101                 switch (Details::insert(hash, m_table, m_cell)) { // Modifies m_cell
 102                 case Details::InsertResult_InsertedNew: {
 103                     // We've inserted a new cell. Don't load m_cell->value.
 104                     return;
 105                 }
 106                 case Details::InsertResult_AlreadyFound: {
 107                     // The hash was already found in the table.
 108                     m_value = m_cell->value.load(turf::Consume);
 109                     if (m_value == Value(ValueTraits::Redirect)) {
 110                         // We've encountered a Redirect value.
 111                         TURF_TRACE(ConcurrentMap_Linear, 3, "[Mutator] insert was redirected", uptr(m_table), uptr(m_value));
 112                         break; // Help finish the migration.
 113                     }
 114                     return; // Found an existing value
 115                 }
 116                 case Details::InsertResult_Overflow: {
 117                     Details::beginTableMigration(m_map, m_table);
 118                     break;
 119                 }
 120                 }
 121                 // A migration has been started (either by us, or another thread). Participate until it's complete.
 122                 m_table->jobCoordinator.participate();
 123                 // Try again using the latest root.
 124             }
 125         }
 126
 127     public:
 128         Value getValue() const {
 129             // Return previously loaded value. Don't load it again.
 130             return Value(m_value);
 131         }
 132
 133         Value exchangeValue(Value desired) {
 134             TURF_ASSERT(desired != Value(ValueTraits::NullValue));
 135             TURF_ASSERT(m_cell); // Cell must have been found or inserted
 136             TURF_TRACE(ConcurrentMap_Linear, 4, "[Mutator::exchangeValue] called", uptr(m_table), uptr(m_value));
 137             for (;;) {
 138                 Value oldValue = m_value;
 139                 if (m_cell->value.compareExchangeStrong(m_value, desired, turf::ConsumeRelease)) {
 140                     // Exchange was successful. Return previous value.
 141                     TURF_TRACE(ConcurrentMap_Linear, 5, "[Mutator::exchangeValue] exchanged Value", uptr(m_value), uptr(desired));
 142                     Value result = m_value;
 143                     m_value = desired; // Leave the mutator in a valid state
 144                     return result;
 145                 }
 146                 // The CAS failed and m_value has been updated with the latest value.
 147                 if (m_value != Value(ValueTraits::Redirect)) {
 148                     TURF_TRACE(ConcurrentMap_Linear, 6, "[Mutator::exchangeValue] detected race to write value", uptr(m_table),
 149                                uptr(m_value));
 150                     if (oldValue == Value(ValueTraits::NullValue) && m_value != Value(ValueTraits::NullValue)) {
 151                         TURF_TRACE(ConcurrentMap_Linear, 7, "[Mutator::exchangeValue] racing write inserted new value",
 152                                    uptr(m_table), uptr(m_value));
 153                     }
 154                     // There was a racing write (or erase) to this cell.
 155                     // Pretend we exchanged with ourselves, and just let the racing write win.
 156                     return desired;
 157                 }
 158                 // We've encountered a Redirect value. Help finish the migration.
 159                 TURF_TRACE(ConcurrentMap_Linear, 8, "[Mutator::exchangeValue] was redirected", uptr(m_table), uptr(m_value));
 160                 Hash hash = m_cell->hash.load(turf::Relaxed);
 161                 for (;;) {
 162                     // Help complete the migration.
 163                     m_table->jobCoordinator.participate();
 164                     // Try again in the new table.
 165                     m_table = m_map.m_root.load(turf::Consume);
 166                     m_value = Value(ValueTraits::NullValue);
 167                     switch (Details::insert(hash, m_table, m_cell)) { // Modifies m_cell
 168                     case Details::InsertResult_AlreadyFound:
 169                         m_value = m_cell->value.load(turf::Consume);
 170                         if (m_value == Value(ValueTraits::Redirect)) {
 171                             TURF_TRACE(ConcurrentMap_Linear, 9, "[Mutator::exchangeValue] was re-redirected", uptr(m_table),
 172                                        uptr(m_value));
 173                             break;
 174                         }
 175                         goto breakOuter;
 176                     case Details::InsertResult_InsertedNew:
 177                         goto breakOuter;
 178                     case Details::InsertResult_Overflow:
 179                         TURF_TRACE(ConcurrentMap_Linear, 10, "[Mutator::exchangeValue] overflow after redirect", uptr(m_table), 0);
 180                         Details::beginTableMigration(m_map, m_table);
 181                         break;
 182                     }
 183                     // We were redirected... again
 184                 }
 185             breakOuter:;
 186                 // Try again in the new table.
 187             }
 188         }
 189
 190         void setValue(Value desired) {
 191             exchangeValue(desired);
 192         }
 193
 194         Value eraseValue() {
 195             TURF_ASSERT(m_cell); // Cell must have been found or inserted
 196             TURF_TRACE(ConcurrentMap_Linear, 11, "[Mutator::eraseValue] called", uptr(m_table), m_cell - m_table->getCells());
 197             for (;;) {
 198                 if (m_value == Value(ValueTraits::NullValue))
 199                     return Value(m_value);
 200                 TURF_ASSERT(m_cell); // m_value is non-NullValue, therefore cell must have been found or inserted.
 201                 if (m_cell->value.compareExchangeStrong(m_value, Value(ValueTraits::NullValue), turf::Consume)) {
 202                     // Exchange was successful and a non-NULL value was erased and returned by reference in m_value.
 203                     TURF_ASSERT(m_value != ValueTraits::NullValue); // Implied by the test at the start of the loop.
 204                     Value result = m_value;
 205                     m_value = Value(ValueTraits::NullValue); // Leave the mutator in a valid state
 206                     return result;
 207                 }
 208                 // The CAS failed and m_value has been updated with the latest value.
 209                 TURF_TRACE(ConcurrentMap_Linear, 12, "[Mutator::eraseValue] detected race to write value", uptr(m_table),
 210                            m_cell - m_table->getCells());
 211                 if (m_value != Value(ValueTraits::Redirect)) {
 212                     // There was a racing write (or erase) to this cell.
 213                     // Pretend we erased nothing, and just let the racing write win.
 214                     return Value(ValueTraits::NullValue);
 215                 }
 216                 // We've been redirected to a new table.
 217                 TURF_TRACE(ConcurrentMap_Linear, 13, "[Mutator::eraseValue] was redirected", uptr(m_table),
 218                            m_cell - m_table->getCells());
 219                 Hash hash = m_cell->hash.load(turf::Relaxed); // Re-fetch hash
 220                 for (;;) {
 221                     // Help complete the migration.
 222                     m_table->jobCoordinator.participate();
 223                     // Try again in the new table.
 224                     m_table = m_map.m_root.load(turf::Consume);
 225                     m_cell = Details::find(hash, m_table);
 226                     if (!m_cell) {
 227                         m_value = Value(ValueTraits::NullValue);
 228                         return m_value;
 229                     }
 230                     m_value = m_cell->value.load(turf::Relaxed);
 231                     if (m_value != Value(ValueTraits::Redirect))
 232                         break;
 233                     TURF_TRACE(ConcurrentMap_Linear, 14, "[Mutator::eraseValue] was re-redirected", uptr(m_table),
 234                                m_cell - m_table->getCells());
 235                 }
 236             }
 237         }
 238     };
 239
 240     Mutator insert(Key key) {
 241         return Mutator(*this, key);
 242     }
 243
 244     Mutator find(Key key) {
 245         return Mutator(*this, key, false);
 246     }
 247
 248     // Lookup without creating a temporary Mutator.
 249     Value get(Key key) {
 250         Hash hash = KeyTraits::hash(key);
 251         TURF_TRACE(ConcurrentMap_Linear, 15, "[get] called", uptr(this), uptr(hash));
 252         for (;;) {
 253             typename Details::Table* table = m_root.load(turf::Consume);
 254             typename Details::Cell* cell = Details::find(hash, table);
 255             if (!cell)
 256                 return Value(ValueTraits::NullValue);
 257             Value value = cell->value.load(turf::Consume);
 258             if (value != Value(ValueTraits::Redirect))
 259                 return value; // Found an existing value
 260             // We've been redirected to a new table. Help with the migration.
 261             TURF_TRACE(ConcurrentMap_Linear, 16, "[get] was redirected", uptr(table), uptr(cell));
 262             table->jobCoordinator.participate();
 263             // Try again in the new table.
 264         }
 265     }
 266
 267     Value insert(Key key, Value desired) {
 268         Mutator iter(*this, key);
 269         return iter.exchangeValue(desired);
 270     }
 271
 272     Value exchange(Key key, Value desired) {
 273         Mutator iter(*this, key);
 274         return iter.exchangeValue(desired);
 275     }
 276
 277     Value erase(Key key) {
 278         Mutator iter(*this, key, false);
 279         return iter.eraseValue();
 280     }
 281
 282     // The easiest way to implement an Iterator is to prevent all Redirects.
 283     // The currrent Iterator does that by forbidding concurrent inserts.
 284     // To make it work with concurrent inserts, we'd need a way to block TableMigrations.
 285     class Iterator {
 286     private:
 287         typename Details::Table* m_table;
 288         ureg m_idx;
 289         Key m_hash;
 290         Value m_value;
 291
 292     public:
 293         Iterator(ConcurrentMap_Linear& map) {
 294             // Since we've forbidden concurrent inserts (for now), nonatomic would suffice here, but let's plan ahead:
 295             m_table = map.m_root.load(turf::Consume);
 296             m_idx = -1;
 297             next();
 298         }
 299
 300         void next() {
 301             TURF_ASSERT(m_table);
 302             TURF_ASSERT(isValid() || m_idx == -1); // Either the Iterator is already valid, or we've just started iterating.
 303             while (++m_idx <= m_table->sizeMask) {
 304                 // Index still inside range of table.
 305                 typename Details::Cell* cell = m_table->getCells() + m_idx;
 306                 m_hash = cell->hash.load(turf::Relaxed);
 307                 if (m_hash != KeyTraits::NullHash) {
 308                     // Cell has been reserved.
 309                     m_value = cell->value.load(turf::Relaxed);
 310                     TURF_ASSERT(m_value != Value(ValueTraits::Redirect));
 311                     if (m_value != Value(ValueTraits::NullValue))
 312                         return; // Yield this cell.
 313                 }
 314             }
 315             // That's the end of the map.
 316             m_hash = KeyTraits::NullHash;
 317             m_value = ValueTraits::NullValue;
 318         }
 319
 320         bool isValid() const {
 321             return m_value != Value(ValueTraits::NullValue);
 322         }
 323
 324         Key getKey() const {
 325             TURF_ASSERT(isValid());
 326             // Since we've forbidden concurrent inserts (for now), nonatomic would suffice here, but let's plan ahead:
 327             return KeyTraits::dehash(m_hash);
 328         }
 329
 330         Value getValue() const {
 331             TURF_ASSERT(isValid());
 332             return m_value;
 333         }
 334     };
 335 };
 336
 337 } // namespace junction
 338
 339 #endif // JUNCTION_CONCURRENTMAP_LINEAR_H