4da5814714a9d9d1f471fb22f7007993d274cf14
[libcds.git] / cds / container / ellen_bintree_map_impl.h
1 //$$CDS-header$$
2
3 #ifndef __CDS_CONTAINER_ELLEN_BINTREE_MAP_IMPL_H
4 #define __CDS_CONTAINER_ELLEN_BINTREE_MAP_IMPL_H
5
6 #include <type_traits>
7 #include <cds/container/details/ellen_bintree_base.h>
8 #include <cds/intrusive/impl/ellen_bintree.h>
9 #include <cds/details/functor_wrapper.h>
10 #include <cds/container/details/guarded_ptr_cast.h>
11
12 namespace cds { namespace container {
13
14     /// Map based on Ellen's et al binary search tree
15     /** @ingroup cds_nonintrusive_map
16         @ingroup cds_nonintrusive_tree
17         @anchor cds_container_EllenBinTreeMap
18
19         Source:
20             - [2010] F.Ellen, P.Fatourou, E.Ruppert, F.van Breugel "Non-blocking Binary Search Tree"
21
22         %EllenBinTreeMap is an unbalanced leaf-oriented binary search tree that implements the <i>map</i>
23         abstract data type. Nodes maintains child pointers but not parent pointers.
24         Every internal node has exactly two children, and all data of type <tt>std::pair<Key const, T></tt>
25         currently in the tree are stored in the leaves. Internal nodes of the tree are used to direct \p find
26         operation along the path to the correct leaf. The keys (of \p Key type) stored in internal nodes
27         may or may not be in the map.
28         Unlike \ref cds_container_EllenBinTreeSet "EllenBinTreeSet" keys are not a part of \p T type.
29         The map can be represented as a set containing <tt>std::pair< Key const, T> </tt> values.
30
31         Due to \p extract_min and \p extract_max member functions the \p %EllenBinTreeMap can act as
32         a <i>priority queue</i>. In this case you should provide unique compound key, for example,
33         the priority value plus some uniformly distributed random value.
34
35         @warning Recall the tree is <b>unbalanced</b>. The complexity of operations is <tt>O(log N)</tt>
36         for uniformly distributed random keys, but in worst case the complexity is <tt>O(N)</tt>.
37
38         @note In the current implementation we do not use helping technique described in original paper.
39         So, the current implementation is near to fine-grained lock-based tree.
40         Helping will be implemented in future release
41
42         <b>Template arguments</b> :
43         - \p GC - safe memory reclamation (i.e. light-weight garbage collector) type, like cds::gc::HP, cds::gc::PTB
44             Note that cds::gc::HRC is not supported.
45         - \p Key - key type
46         - \p T - value type to be stored in tree's leaf nodes.
47         - \p Traits - type traits. See ellen_bintree::type_traits for explanation.
48
49         It is possible to declare option-based tree with ellen_bintree::make_map_traits metafunction
50         instead of \p Traits template argument.
51         Template argument list \p Options of ellen_bintree::make_map_traits metafunction are:
52         - opt::compare - key compare functor. No default functor is provided.
53             If the option is not specified, \p %opt::less is used.
54         - opt::less - specifies binary predicate used for key compare. At least \p %opt::compare or \p %opt::less should be defined.
55         - opt::item_counter - the type of item counting feature. Default is \ref atomicity::empty_item_counter that is no item counting.
56         - opt::memory_model - C++ memory ordering model. Can be opt::v::relaxed_ordering (relaxed memory model, the default)
57             or opt::v::sequential_consistent (sequentially consisnent memory model).
58         - opt::allocator - the allocator used for \ref ellen_bintree::map_node "leaf nodes" which contains data.
59             Default is \ref CDS_DEFAULT_ALLOCATOR.
60         - opt::node_allocator - the allocator used for \ref ellen_bintree::internal_node "internal nodes".
61             Default is \ref CDS_DEFAULT_ALLOCATOR.
62         - ellen_bintree::update_desc_allocator - an allocator of \ref ellen_bintree::update_desc "update descriptors",
63             default is \ref CDS_DEFAULT_ALLOCATOR.
64             Note that update descriptor is helping data structure with short lifetime and it is good candidate for pooling.
65             The number of simultaneously existing descriptors is a relatively small number limited the number of threads
66             working with the tree and GC buffer size.
67             Therefore, a bounded lock-free container like \p cds::container::VyukovMPMCCycleQueue is good choice for the free-list
68             of update descriptors, see cds::memory::vyukov_queue_pool free-list implementation.
69             Also notice that size of update descriptor is not dependent on the type of data
70             stored in the tree so single free-list object can be used for several EllenBinTree-based object.
71         - opt::stat - internal statistics. Available types: ellen_bintree::stat, ellen_bintree::empty_stat (the default)
72         - opt::copy_policy - key copy policy defines a functor to copy leaf node's key to internal node.
73             By default, assignment operator is used.
74             The copy functor interface is:
75             \code
76             struct copy_functor {
77                 void operator()( Key& dest, Key const& src );
78             };
79             \endcode
80
81         @note Do not include <tt><cds/container/ellen_bintree_map_impl.h></tt> header file directly.
82         There are header file for each GC type:
83         - <tt><cds/container/ellen_bintree_map_hp.h></tt> - for Hazard Pointer GC cds::gc::HP
84         - <tt><cds/container/ellen_bintree_map_ptb.h></tt> - for Pass-the-Buck GC cds::gc::PTB
85         - <tt><cds/container/ellen_bintree_map_rcu.h></tt> - for RCU GC
86             (see \ref cds_container_EllenBinTreeMap_rcu "RCU-based EllenBinTreeMap")
87     */
88     template <
89         class GC,
90         typename Key,
91         typename T,
92 #ifdef CDS_DOXYGEN_INVOKED
93         class Traits = ellen_bintree::type_traits
94 #else
95         class Traits
96 #endif
97     >
98     class EllenBinTreeMap
99 #ifdef CDS_DOXYGEN_INVOKED
100         : public cds::intrusive::EllenBinTree< GC, Key, T, Traits >
101 #else
102         : public ellen_bintree::details::make_ellen_bintree_map< GC, Key, T, Traits >::type
103 #endif
104     {
105         //@cond
106         typedef ellen_bintree::details::make_ellen_bintree_map< GC, Key, T, Traits > maker;
107         typedef typename maker::type base_class;
108         //@endcond
109     public:
110         typedef GC      gc              ;   ///< Garbage collector
111         typedef Key     key_type        ;   ///< type of a key stored in the map
112         typedef T       mapped_type      ;  ///< type of value stored in the map
113         typedef std::pair< key_type const, mapped_type >    value_type  ;   ///< Key-value pair stored in leaf node of the mp
114         typedef Traits  options         ;   ///< Traits template parameter
115
116 #   ifdef CDS_DOXYGEN_INVOKED
117         typedef implementation_defined key_comparator  ;    ///< key compare functor based on opt::compare and opt::less option setter.
118 #   else
119         typedef typename maker::intrusive_type_traits::compare   key_comparator;
120 #   endif
121         typedef typename base_class::item_counter           item_counter        ; ///< Item counting policy used
122         typedef typename base_class::memory_model           memory_model        ; ///< Memory ordering. See cds::opt::memory_model option
123         typedef typename base_class::node_allocator         node_allocator_type ; ///< allocator for maintaining internal node
124         typedef typename base_class::stat                   stat                ; ///< internal statistics type
125         typedef typename options::copy_policy               copy_policy         ; ///< key copy policy
126
127         typedef typename options::allocator                 allocator_type      ;   ///< Allocator for leaf nodes
128         typedef typename base_class::node_allocator         node_allocator      ;   ///< Internal node allocator
129         typedef typename base_class::update_desc_allocator  update_desc_allocator ; ///< Update descriptor allocator
130
131     protected:
132         //@cond
133         typedef typename base_class::value_type         leaf_node;
134         typedef typename base_class::internal_node      internal_node;
135         typedef typename base_class::update_desc        update_desc;
136
137         typedef typename maker::cxx_leaf_node_allocator cxx_leaf_node_allocator;
138
139         typedef std::unique_ptr< leaf_node, typename maker::leaf_deallocator >    scoped_node_ptr;
140         //@endcond
141
142     public:
143         /// Guarded pointer
144         typedef cds::gc::guarded_ptr< gc, leaf_node, value_type, details::guarded_ptr_cast_set<leaf_node, value_type> > guarded_ptr;
145
146     public:
147         /// Default constructor
148         EllenBinTreeMap()
149             : base_class()
150         {
151             //static_assert( (std::is_same<gc, cds::gc::HP>::value || std::is_same<gc, cds::gc::PTB>::value), "GC must be cds::gc::HP or cds:gc::PTB" );
152         }
153
154         /// Clears the map
155         ~EllenBinTreeMap()
156         {}
157
158         /// Inserts new node with key and default value
159         /**
160             The function creates a node with \p key and default value, and then inserts the node created into the map.
161
162             Preconditions:
163             - The \ref key_type should be constructible from a value of type \p K.
164                 In trivial case, \p K is equal to \ref key_type.
165             - The \ref mapped_type should be default-constructible.
166
167             Returns \p true if inserting successful, \p false otherwise.
168         */
169         template <typename K>
170         bool insert( K const& key )
171         {
172             return insert_key( key, [](value_type&){} );
173         }
174
175         /// Inserts new node
176         /**
177             The function creates a node with copy of \p val value
178             and then inserts the node created into the map.
179
180             Preconditions:
181             - The \ref key_type should be constructible from \p key of type \p K.
182             - The \ref value_type should be constructible from \p val of type \p V.
183
184             Returns \p true if \p val is inserted into the map, \p false otherwise.
185         */
186         template <typename K, typename V>
187         bool insert( K const& key, V const& val )
188         {
189             scoped_node_ptr pNode( cxx_leaf_node_allocator().New( key, val ));
190             if ( base_class::insert( *pNode ))
191             {
192                 pNode.release();
193                 return true;
194             }
195             return false;
196         }
197
198         /// Inserts new node and initialize it by a functor
199         /**
200             This function inserts new node with key \p key and if inserting is successful then it calls
201             \p func functor with signature
202             \code
203                 struct functor {
204                     void operator()( value_type& item );
205                 };
206             \endcode
207
208             The argument \p item of user-defined functor \p func is the reference
209             to the map's item inserted:
210                 - <tt>item.first</tt> is a const reference to item's key that cannot be changed.
211                 - <tt>item.second</tt> is a reference to item's value that may be changed.
212
213             The user-defined functor can be passed by reference using <tt>boost::ref</tt>
214             and it is called only if inserting is successful.
215
216             The key_type should be constructible from value of type \p K.
217
218             The function allows to split creating of new item into two part:
219             - create item from \p key;
220             - insert new item into the map;
221             - if inserting is successful, initialize the value of item by calling \p func functor
222
223             This can be useful if complete initialization of object of \p value_type is heavyweight and
224             it is preferable that the initialization should be completed only if inserting is successful.
225         */
226         template <typename K, typename Func>
227         bool insert_key( const K& key, Func func )
228         {
229             scoped_node_ptr pNode( cxx_leaf_node_allocator().New( key ));
230             if ( base_class::insert( *pNode, [&func]( leaf_node& item ) { cds::unref(func)( item.m_Value ); } )) {
231                 pNode.release();
232                 return true;
233             }
234             return false;
235         }
236
237         /// For key \p key inserts data of type \ref value_type constructed with <tt>std::forward<Args>(args)...</tt>
238         /**
239             Returns \p true if inserting successful, \p false otherwise.
240         */
241         template <typename K, typename... Args>
242         bool emplace( K&& key, Args&&... args )
243         {
244             scoped_node_ptr pNode( cxx_leaf_node_allocator().New( std::forward<K>(key), std::forward<Args>(args)... ));
245             if ( base_class::insert( *pNode )) {
246                 pNode.release();
247                 return true;
248             }
249             return false;
250         }
251
252         /// Ensures that the \p key exists in the map
253         /**
254             The operation performs inserting or changing data with lock-free manner.
255
256             If the \p key not found in the map, then the new item created from \p key
257             is inserted into the map (note that in this case the \ref key_type should be
258             constructible from type \p K).
259             Otherwise, the functor \p func is called with item found.
260             The functor \p Func may be a function with signature:
261             \code
262                 void func( bool bNew, value_type& item );
263             \endcode
264             or a functor:
265             \code
266                 struct my_functor {
267                     void operator()( bool bNew, value_type& item );
268                 };
269             \endcode
270
271             with arguments:
272             - \p bNew - \p true if the item has been inserted, \p false otherwise
273             - \p item - item of the list
274
275             The functor may change any fields of the \p item.second that is \ref value_type.
276
277             You may pass \p func argument by reference using <tt>boost::ref</tt>.
278
279             Returns <tt> std::pair<bool, bool> </tt> where \p first is true if operation is successfull,
280             \p second is true if new item has been added or \p false if the item with \p key
281             already is in the list.
282         */
283         template <typename K, typename Func>
284         std::pair<bool, bool> ensure( K const& key, Func func )
285         {
286             scoped_node_ptr pNode( cxx_leaf_node_allocator().New( key ));
287             std::pair<bool, bool> res = base_class::ensure( *pNode,
288                 [&func](bool bNew, leaf_node& item, leaf_node const& ){ cds::unref(func)( bNew, item.m_Value ); }
289             );
290             if ( res.first && res.second )
291                 pNode.release();
292             return res;
293         }
294
295         /// Delete \p key from the map
296         /**\anchor cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_erase_val
297
298             Return \p true if \p key is found and deleted, \p false otherwise
299         */
300         template <typename K>
301         bool erase( K const& key )
302         {
303             return base_class::erase(key);
304         }
305
306         /// Deletes the item from the map using \p pred predicate for searching
307         /**
308             The function is an analog of \ref cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_erase_val "erase(K const&)"
309             but \p pred is used for key comparing.
310             \p Less functor has the interface like \p std::less.
311             \p Less must imply the same element order as the comparator used for building the map.
312         */
313         template <typename K, typename Less>
314         bool erase_with( K const& key, Less pred )
315         {
316             return base_class::erase_with( key, cds::details::predicate_wrapper< leaf_node, Less, typename maker::key_accessor >());
317         }
318
319         /// Delete \p key from the map
320         /** \anchor cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_erase_func
321
322             The function searches an item with key \p key, calls \p f functor
323             and deletes the item. If \p key is not found, the functor is not called.
324
325             The functor \p Func interface:
326             \code
327             struct extractor {
328                 void operator()(value_type& item) { ... }
329             };
330             \endcode
331             The functor may be passed by reference using <tt>boost:ref</tt>
332
333             Return \p true if key is found and deleted, \p false otherwise
334         */
335         template <typename K, typename Func>
336         bool erase( K const& key, Func f )
337         {
338             return base_class::erase( key, [&f]( leaf_node& node) { cds::unref(f)( node.m_Value ); } );
339         }
340
341         /// Deletes the item from the map using \p pred predicate for searching
342         /**
343             The function is an analog of \ref cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_erase_func "erase(K const&, Func)"
344             but \p pred is used for key comparing.
345             \p Less functor has the interface like \p std::less.
346             \p Less must imply the same element order as the comparator used for building the map.
347         */
348         template <typename K, typename Less, typename Func>
349         bool erase_with( K const& key, Less pred, Func f )
350         {
351             return base_class::erase_with( key, cds::details::predicate_wrapper< leaf_node, Less, typename maker::key_accessor >(),
352                 [&f]( leaf_node& node) { cds::unref(f)( node.m_Value ); } );
353         }
354
355         /// Extracts an item with minimal key from the map
356         /**
357             If the map is not empty, the function returns \p true, \p result contains a pointer to minimum value.
358             If the map is empty, the function returns \p false, \p result is left unchanged.
359
360             @note Due the concurrent nature of the map, the function extracts <i>nearly</i> minimum key.
361             It means that the function gets leftmost leaf of the tree and tries to unlink it.
362             During unlinking, a concurrent thread may insert an item with key less than leftmost item's key.
363             So, the function returns the item with minimum key at the moment of tree traversing.
364
365             The guarded pointer \p result prevents deallocation of returned item,
366             see cds::gc::guarded_ptr for explanation.
367             @note Each \p guarded_ptr object uses the GC's guard that can be limited resource.
368         */
369         bool extract_min( guarded_ptr& result )
370         {
371             return base_class::extract_min_( result.guard() );
372         }
373
374         /// Extracts an item with maximal key from the map
375         /**
376             If the map is not empty, the function returns \p true, \p result contains a pointer to maximal value.
377             If the map is empty, the function returns \p false, \p result is left unchanged.
378
379             @note Due the concurrent nature of the map, the function extracts <i>nearly</i> maximal key.
380             It means that the function gets rightmost leaf of the tree and tries to unlink it.
381             During unlinking, a concurrent thread may insert an item with key great than leftmost item's key.
382             So, the function returns the item with maximum key at the moment of tree traversing.
383
384             The guarded pointer \p result prevents deallocation of returned item,
385             see cds::gc::guarded_ptr for explanation.
386             @note Each \p guarded_ptr object uses the GC's guard that can be limited resource.
387         */
388         bool extract_max( guarded_ptr& result )
389         {
390             return base_class::extract_max_( result.guard() );
391         }
392
393         /// Extracts an item from the tree
394         /** \anchor cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_extract
395             The function searches an item with key equal to \p key in the tree,
396             unlinks it, and returns pointer to an item found in \p result parameter.
397             If the item  is not found the function returns \p false.
398
399             The guarded pointer \p result prevents deallocation of returned item,
400             see cds::gc::guarded_ptr for explanation.
401             @note Each \p guarded_ptr object uses the GC's guard that can be limited resource.
402         */
403         template <typename Q>
404         bool extract( guarded_ptr& result, Q const& key )
405         {
406             return base_class::extract_( result.guard(), key );
407         }
408
409         /// Extracts an item from the map using \p pred for searching
410         /**
411             The function is an analog of \ref cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_extract "extract(guarded_ptr&, Q const&)"
412             but \p pred is used for key compare.
413             \p Less has the interface like \p std::less.
414             \p pred must imply the same element order as the comparator used for building the map.
415         */
416         template <typename Q, typename Less>
417         bool extract_with( guarded_ptr& result, Q const& key, Less pred )
418         {
419             return base_class::extract_with_( result.guard(), key,
420                 cds::details::predicate_wrapper< leaf_node, Less, typename maker::key_accessor >());
421         }
422
423         /// Find the key \p key
424         /** \anchor cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_find_cfunc
425
426             The function searches the item with key equal to \p key and calls the functor \p f for item found.
427             The interface of \p Func functor is:
428             \code
429             struct functor {
430                 void operator()( value_type& item );
431             };
432             \endcode
433             where \p item is the item found.
434
435             You can pass \p f argument by reference using <tt>boost::ref</tt> or cds::ref.
436
437             The functor may change \p item.second.
438
439             The function returns \p true if \p key is found, \p false otherwise.
440         */
441         template <typename K, typename Func>
442         bool find( K const& key, Func f )
443         {
444             return base_class::find( key, [&f](leaf_node& item, K const& ) { cds::unref(f)( item.m_Value );});
445         }
446
447         /// Finds the key \p val using \p pred predicate for searching
448         /**
449             The function is an analog of \ref cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_find_cfunc "find(K const&, Func)"
450             but \p pred is used for key comparing.
451             \p Less functor has the interface like \p std::less.
452             \p Less must imply the same element order as the comparator used for building the map.
453         */
454         template <typename K, typename Less, typename Func>
455         bool find_with( K const& key, Less pred, Func f )
456         {
457             return base_class::find_with( key, cds::details::predicate_wrapper< leaf_node, Less, typename maker::key_accessor >(),
458                 [&f](leaf_node& item, K const& ) { cds::unref(f)( item.m_Value );});
459         }
460
461         /// Find the key \p key
462         /** \anchor cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_find_val
463
464             The function searches the item with key equal to \p key
465             and returns \p true if it is found, and \p false otherwise.
466         */
467         template <typename K>
468         bool find( K const& key )
469         {
470             return base_class::find( key );
471         }
472
473         /// Finds the key \p val using \p pred predicate for searching
474         /**
475             The function is an analog of \ref cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_find_val "find(K const&)"
476             but \p pred is used for key comparing.
477             \p Less functor has the interface like \p std::less.
478             \p Less must imply the same element order as the comparator used for building the map.
479         */
480         template <typename K, typename Less>
481         bool find_with( K const& key, Less pred )
482         {
483             return base_class::find_with( key, cds::details::predicate_wrapper< leaf_node, Less, typename maker::key_accessor >() );
484         }
485
486         /// Finds \p key and returns the item found
487         /** @anchor cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_get
488             The function searches the item with key equal to \p key and returns the item found in \p result parameter.
489             The function returns \p true if \p key is found, \p false otherwise.
490
491             The guarded pointer \p result prevents deallocation of returned item,
492             see cds::gc::guarded_ptr for explanation.
493             @note Each \p guarded_ptr object uses the GC's guard that can be limited resource.
494         */
495         template <typename Q>
496         bool get( guarded_ptr& result, Q const& key )
497         {
498             return base_class::get_( result.guard(), key );
499         }
500
501         /// Finds \p key with predicate \p pred and returns the item found
502         /**
503             The function is an analog of \ref cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_get "get(guarded_ptr&, Q const&)"
504             but \p pred is used for key comparing.
505             \p Less functor has the interface like \p std::less.
506             \p pred must imply the same element order as the comparator used for building the map.
507         */
508         template <typename Q, typename Less>
509         bool get_with( guarded_ptr& result, Q const& key, Less pred )
510         {
511             return base_class::get_with_( result.guard(), key,
512                 cds::details::predicate_wrapper< leaf_node, Less, typename maker::key_accessor >() );
513         }
514
515         /// Clears the map
516         void clear()
517         {
518             base_class::clear();
519         }
520
521         /// Checks if the map is empty
522         /**
523             Emptiness is checked by item counting: if item count is zero then the map is empty.
524         */
525         bool empty() const
526         {
527             return base_class::empty();
528         }
529
530         /// Returns item count in the map
531         size_t size() const
532         {
533             return base_class::size();
534         }
535
536         /// Returns const reference to internal statistics
537         stat const& statistics() const
538         {
539             return base_class::statistics();
540         }
541
542         /// Checks internal consistency (not atomic, not thread-safe)
543         /**
544             The debugging function to check internal consistency of the tree.
545         */
546         bool check_consistency() const
547         {
548             return base_class::check_consistency();
549         }
550
551     };
552 }} // namespace cds::container
553
554 #endif //#ifndef __CDS_CONTAINER_ELLEN_BINTREE_MAP_IMPL_H