Add back-off strategy to EllenBinTree
[libcds.git] / cds / container / ellen_bintree_map_rcu.h
1 //$$CDS-header$$
2
3 #ifndef __CDS_CONTAINER_ELLEN_BINTREE_MAP_RCU_H
4 #define __CDS_CONTAINER_ELLEN_BINTREE_MAP_RCU_H
5
6 #include <cds/container/details/ellen_bintree_base.h>
7 #include <cds/intrusive/ellen_bintree_rcu.h>
8
9 namespace cds { namespace container {
10
11     /// Map based on Ellen's et al binary search tree (RCU specialization)
12     /** @ingroup cds_nonintrusive_map
13         @ingroup cds_nonintrusive_tree
14         @anchor cds_container_EllenBinTreeMap_rcu
15
16         Source:
17             - [2010] F.Ellen, P.Fatourou, E.Ruppert, F.van Breugel "Non-blocking Binary Search Tree"
18
19         %EllenBinTreeMap is an unbalanced leaf-oriented binary search tree that implements the <i>map</i>
20         abstract data type. Nodes maintains child pointers but not parent pointers.
21         Every internal node has exactly two children, and all data of type <tt>std::pair<Key const, T></tt>
22         currently in the tree are stored in the leaves. Internal nodes of the tree are used to direct \p find
23         operation along the path to the correct leaf. The keys (of \p Key type) stored in internal nodes
24         may or may not be in the map.
25         Unlike \ref cds_container_EllenBinTreeSet_rcu "EllenBinTreeSet" keys are not a part of \p T type.
26         The map can be represented as a set containing <tt>std::pair< Key const, T> </tt> values.
27
28         Due to \p extract_min and \p extract_max member functions the \p %EllenBinTreeMap can act as
29         a <i>priority queue</i>. In this case you should provide unique compound key, for example,
30         the priority value plus some uniformly distributed random value.
31
32         @warning Recall the tree is <b>unbalanced</b>. The complexity of operations is <tt>O(log N)</tt>
33         for uniformly distributed random keys, but in worst case the complexity is <tt>O(N)</tt>.
34
35         @note In the current implementation we do not use helping technique described in original paper.
36         So, the current implementation is near to fine-grained lock-based tree.
37         Helping will be implemented in future release
38
39         <b>Template arguments</b> :
40         - \p RCU - one of \ref cds_urcu_gc "RCU type"
41         - \p Key - key type
42         - \p T - value type to be stored in tree's leaf nodes.
43         - \p Traits - map traits, default is \p ellen_bintree::traits.
44             It is possible to declare option-based tree with \p ellen_bintree::make_map_traits metafunction
45             instead of \p Traits template argument.
46
47         @note Before including <tt><cds/container/ellen_bintree_map_rcu.h></tt> you should include appropriate RCU header file,
48         see \ref cds_urcu_gc "RCU type" for list of existing RCU class and corresponding header files.
49     */
50     template <
51         class RCU,
52         typename Key,
53         typename T,
54 #ifdef CDS_DOXYGEN_INVOKED
55         class Traits = ellen_bintree::traits
56 #else
57         class Traits
58 #endif
59     >
60     class EllenBinTreeMap< cds::urcu::gc<RCU>, Key, T, Traits >
61 #ifdef CDS_DOXYGEN_INVOKED
62         : public cds::intrusive::EllenBinTree< cds::urcu::gc<RCU>, Key, T, Traits >
63 #else
64         : public ellen_bintree::details::make_ellen_bintree_map< cds::urcu::gc<RCU>, Key, T, Traits >::type
65 #endif
66     {
67         //@cond
68         typedef ellen_bintree::details::make_ellen_bintree_map< cds::urcu::gc<RCU>, Key, T, Traits > maker;
69         typedef typename maker::type base_class;
70         //@endcond
71     public:
72         typedef cds::urcu::gc<RCU>  gc;   ///< RCU Garbage collector
73         typedef Key     key_type;    ///< type of a key stored in the map
74         typedef T       mapped_type; ///< type of value stored in the map
75         typedef std::pair< key_type const, mapped_type >    value_type;   ///< Key-value pair stored in leaf node of the mp
76         typedef Traits  traits;      ///< Traits template parameter
77
78 #   ifdef CDS_DOXYGEN_INVOKED
79         typedef implementation_defined key_comparator  ;    ///< key compare functor based on \p Traits::compare and \p Traits::less
80 #   else
81         typedef typename maker::intrusive_traits::compare   key_comparator;
82 #   endif
83         typedef typename base_class::item_counter           item_counter;       ///< Item counting policy
84         typedef typename base_class::memory_model           memory_model;       ///< Memory ordering, see \p cds::opt::memory_model option
85         typedef typename base_class::node_allocator         node_allocator_type; ///< allocator for maintaining internal node
86         typedef typename base_class::stat                   stat;               ///< internal statistics
87         typedef typename base_class::rcu_check_deadlock     rcu_check_deadlock; ///< Deadlock checking policy
88         typedef typename traits::copy_policy                copy_policy;        ///< key copy policy
89         typedef typename traits::back_off                   back_off;           ///< Back-off strategy
90
91
92         typedef typename traits::allocator                  allocator_type;        ///< Allocator for leaf nodes
93         typedef typename base_class::node_allocator         node_allocator;        ///< Internal node allocator
94         typedef typename base_class::update_desc_allocator  update_desc_allocator; ///< Update descriptor allocator
95
96         static CDS_CONSTEXPR const bool c_bExtractLockExternal = base_class::c_bExtractLockExternal; ///< Group of \p extract_xxx functions do not require external locking
97
98     protected:
99         //@cond
100         typedef typename base_class::value_type         leaf_node;
101         typedef typename base_class::internal_node      internal_node;
102         typedef typename base_class::update_desc        update_desc;
103
104         typedef typename maker::cxx_leaf_node_allocator cxx_leaf_node_allocator;
105
106         typedef std::unique_ptr< leaf_node, typename maker::leaf_deallocator >    scoped_node_ptr;
107         //@endcond
108
109     public:
110         typedef typename gc::scoped_lock    rcu_lock ;  ///< RCU scoped lock
111
112         /// pointer to extracted node
113         typedef cds::urcu::exempt_ptr< gc, leaf_node, value_type, typename maker::intrusive_traits::disposer,
114             cds::urcu::details::conventional_exempt_member_cast<leaf_node, value_type>
115         > exempt_ptr;
116
117     public:
118         /// Default constructor
119         EllenBinTreeMap()
120             : base_class()
121         {}
122
123         /// Clears the map
124         ~EllenBinTreeMap()
125         {}
126
127         /// Inserts new node with key and default value
128         /**
129             The function creates a node with \p key and default value, and then inserts the node created into the map.
130
131             Preconditions:
132             - The \p key_type should be constructible from a value of type \p K.
133             - The \p mapped_type should be default-constructible.
134
135             RCU \p synchronize() can be called. RCU should not be locked.
136
137             Returns \p true if inserting successful, \p false otherwise.
138         */
139         template <typename K>
140         bool insert( K const& key )
141         {
142             return insert_key( key, [](value_type&){} );
143         }
144
145         /// Inserts new node
146         /**
147             The function creates a node with copy of \p val value
148             and then inserts the node created into the map.
149
150             Preconditions:
151             - The \p key_type should be constructible from \p key of type \p K.
152             - The \p value_type should be constructible from \p val of type \p V.
153
154             RCU \p synchronize() method can be called. RCU should not be locked.
155
156             Returns \p true if \p val is inserted into the map, \p false otherwise.
157         */
158         template <typename K, typename V>
159         bool insert( K const& key, V const& val )
160         {
161             scoped_node_ptr pNode( cxx_leaf_node_allocator().New( key, val ));
162             if ( base_class::insert( *pNode ))
163             {
164                 pNode.release();
165                 return true;
166             }
167             return false;
168         }
169
170         /// Inserts new node and initialize it by a functor
171         /**
172             This function inserts new node with key \p key and if inserting is successful then it calls
173             \p func functor with signature
174             \code
175                 struct functor {
176                     void operator()( value_type& item );
177                 };
178             \endcode
179
180             The argument \p item of user-defined functor \p func is the reference
181             to the map's item inserted:
182                 - <tt>item.first</tt> is a const reference to item's key that cannot be changed.
183                 - <tt>item.second</tt> is a reference to item's value that may be changed.
184
185             The key_type should be constructible from value of type \p K.
186
187             The function allows to split creating of new item into two part:
188             - create item from \p key;
189             - insert new item into the map;
190             - if inserting is successful, initialize the value of item by calling \p func functor
191
192             This can be useful if complete initialization of object of \p value_type is heavyweight and
193             it is preferable that the initialization should be completed only if inserting is successful.
194
195             RCU \p synchronize() method can be called. RCU should not be locked.
196         */
197         template <typename K, typename Func>
198         bool insert_key( const K& key, Func func )
199         {
200             scoped_node_ptr pNode( cxx_leaf_node_allocator().New( key ));
201             if ( base_class::insert( *pNode, [&func]( leaf_node& item ) { func( item.m_Value ); } )) {
202                 pNode.release();
203                 return true;
204             }
205             return false;
206         }
207
208         /// For key \p key inserts data of type \p value_type created in-place from \p args
209         /**
210             Returns \p true if inserting successful, \p false otherwise.
211
212             RCU \p synchronize() method can be called. RCU should not be locked.
213         */
214         template <typename K, typename... Args>
215         bool emplace( K&& key, Args&&... args )
216         {
217             scoped_node_ptr pNode( cxx_leaf_node_allocator().New( std::forward<K>(key), std::forward<Args>(args)... ));
218             if ( base_class::insert( *pNode )) {
219                 pNode.release();
220                 return true;
221             }
222             return false;
223         }
224
225         /// Ensures that the \p key exists in the map
226         /**
227             The operation performs inserting or changing data with lock-free manner.
228
229             If the \p key not found in the map, then the new item created from \p key
230             is inserted into the map (note that in this case the \ref key_type should be
231             constructible from type \p K).
232             Otherwise, the functor \p func is called with item found.
233             The functor \p Func may be a function with signature:
234             \code
235                 void func( bool bNew, value_type& item );
236             \endcode
237             or a functor:
238             \code
239                 struct my_functor {
240                     void operator()( bool bNew, value_type& item );
241                 };
242             \endcode
243
244             with arguments:
245             - \p bNew - \p true if the item has been inserted, \p false otherwise
246             - \p item - item of the list
247
248             The functor may change any fields of the \p item.second that is \ref value_type.
249
250             RCU \p synchronize() method can be called. RCU should not be locked.
251
252             Returns <tt> std::pair<bool, bool> </tt> where \p first is true if operation is successfull,
253             \p second is true if new item has been added or \p false if the item with \p key
254             already is in the list.
255
256             @warning See \ref cds_intrusive_item_creating "insert item troubleshooting"
257         */
258         template <typename K, typename Func>
259         std::pair<bool, bool> ensure( K const& key, Func func )
260         {
261             scoped_node_ptr pNode( cxx_leaf_node_allocator().New( key ));
262             std::pair<bool, bool> res = base_class::ensure( *pNode,
263                 [&func](bool bNew, leaf_node& item, leaf_node const& ){ func( bNew, item.m_Value ); }
264             );
265             if ( res.first && res.second )
266                 pNode.release();
267             return res;
268         }
269
270         /// Delete \p key from the map
271         /**\anchor cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_rcu_erase_val
272
273             RCU \p synchronize() method can be called. RCU should not be locked.
274
275             Return \p true if \p key is found and deleted, \p false otherwise
276         */
277         template <typename K>
278         bool erase( K const& key )
279         {
280             return base_class::erase(key);
281         }
282
283         /// Deletes the item from the map using \p pred predicate for searching
284         /**
285             The function is an analog of \ref cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_rcu_erase_val "erase(K const&)"
286             but \p pred is used for key comparing.
287             \p Less functor has the interface like \p std::less.
288             \p Less must imply the same element order as the comparator used for building the map.
289         */
290         template <typename K, typename Less>
291         bool erase_with( K const& key, Less pred )
292         {
293             return base_class::erase_with( key, cds::details::predicate_wrapper< leaf_node, Less, typename maker::key_accessor >());
294         }
295
296         /// Delete \p key from the map
297         /** \anchor cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_rcu_erase_func
298
299             The function searches an item with key \p key, calls \p f functor
300             and deletes the item. If \p key is not found, the functor is not called.
301
302             The functor \p Func interface:
303             \code
304             struct extractor {
305                 void operator()(value_type& item) { ... }
306             };
307             \endcode
308
309             RCU \p synchronize method can be called. RCU should not be locked.
310
311             Return \p true if key is found and deleted, \p false otherwise
312         */
313         template <typename K, typename Func>
314         bool erase( K const& key, Func f )
315         {
316             return base_class::erase( key, [&f]( leaf_node& node) { f( node.m_Value ); } );
317         }
318
319         /// Deletes the item from the map using \p pred predicate for searching
320         /**
321             The function is an analog of \ref cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_rcu_erase_func "erase(K const&, Func)"
322             but \p pred is used for key comparing.
323             \p Less functor has the interface like \p std::less.
324             \p Less must imply the same element order as the comparator used for building the map.
325         */
326         template <typename K, typename Less, typename Func>
327         bool erase_with( K const& key, Less pred, Func f )
328         {
329             return base_class::erase_with( key, cds::details::predicate_wrapper< leaf_node, Less, typename maker::key_accessor >(),
330                 [&f]( leaf_node& node) { f( node.m_Value ); } );
331         }
332
333         /// Extracts an item with minimal key from the map
334         /**
335             If the map is not empty, the function returns \p true, \p result contains a pointer to value.
336             If the map is empty, the function returns \p false, \p result is left unchanged.
337
338             @note Due the concurrent nature of the map, the function extracts <i>nearly</i> minimum key.
339             It means that the function gets leftmost leaf of the tree and tries to unlink it.
340             During unlinking, a concurrent thread may insert an item with key less than leftmost item's key.
341             So, the function returns the item with minimum key at the moment of tree traversing.
342
343             RCU \p synchronize method can be called. RCU should NOT be locked.
344             The function does not free the item.
345             The deallocator will be implicitly invoked when \p result object is destroyed or when
346             <tt>result.release()</tt> is called, see cds::urcu::exempt_ptr for explanation.
347             @note Before reusing \p result object you should call its \p release() method.
348         */
349         bool extract_min( exempt_ptr& result )
350         {
351             return base_class::extract_min_( result );
352         }
353
354         /// Extracts an item with maximal key from the map
355         /**
356             If the map is not empty, the function returns \p true, \p result contains a pointer to extracted item.
357             If the map is empty, the function returns \p false, \p result is left unchanged.
358
359             @note Due the concurrent nature of the map, the function extracts <i>nearly</i> maximal key.
360             It means that the function gets rightmost leaf of the tree and tries to unlink it.
361             During unlinking, a concurrent thread may insert an item with key great than leftmost item's key.
362             So, the function returns the item with maximum key at the moment of tree traversing.
363
364             RCU \p synchronize method can be called. RCU should NOT be locked.
365             The function does not free the item.
366             The deallocator will be implicitly invoked when \p result object is destroyed or when
367             <tt>result.release()</tt> is called, see cds::urcu::exempt_ptr for explanation.
368             @note Before reusing \p result object you should call its \p release() method.
369         */
370         bool extract_max( exempt_ptr& result )
371         {
372             return base_class::extract_max_( result );
373         }
374
375         /// Extracts an item from the map
376         /** \anchor cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_rcu_extract
377             The function searches an item with key equal to \p key in the tree,
378             unlinks it, and returns pointer to an item found in \p result parameter.
379             If \p key is not found the function returns \p false.
380
381             RCU \p synchronize method can be called. RCU should NOT be locked.
382             The function does not destroy the item found.
383             The dealloctor will be implicitly invoked when \p result object is destroyed or when
384             <tt>result.release()</tt> is called, see cds::urcu::exempt_ptr for explanation.
385             @note Before reusing \p result object you should call its \p release() method.
386         */
387         template <typename Q>
388         bool extract( exempt_ptr& result, Q const& key )
389         {
390             return base_class::extract_( result, key, typename base_class::node_compare());
391         }
392
393         /// Extracts an item from the map using \p pred for searching
394         /**
395             The function is an analog of \ref cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_rcu_extract "extract(exempt_ptr&, Q const&)"
396             but \p pred is used for key compare.
397             \p Less has the interface like \p std::less and should meet \ref cds_container_EllenBinTreeSet_rcu_less
398             "predicate requirements".
399             \p pred must imply the same element order as the comparator used for building the map.
400         */
401         template <typename Q, typename Less>
402         bool extract_with( exempt_ptr& result,  Q const& val, Less pred )
403         {
404             return base_class::extract_with_( result, val,
405                 cds::details::predicate_wrapper< leaf_node, Less, typename maker::key_accessor >() );
406         }
407
408         /// Find the key \p key
409         /** \anchor cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_rcu_find_cfunc
410
411             The function searches the item with key equal to \p key and calls the functor \p f for item found.
412             The interface of \p Func functor is:
413             \code
414             struct functor {
415                 void operator()( value_type& item );
416             };
417             \endcode
418             where \p item is the item found.
419
420             The functor may change \p item.second.
421
422             The function applies RCU lock internally.
423
424             The function returns \p true if \p key is found, \p false otherwise.
425         */
426         template <typename K, typename Func>
427         bool find( K const& key, Func f )
428         {
429             return base_class::find( key, [&f](leaf_node& item, K const& ) { f( item.m_Value );});
430         }
431
432         /// Finds the key \p val using \p pred predicate for searching
433         /**
434             The function is an analog of \ref cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_rcu_find_cfunc "find(K const&, Func)"
435             but \p pred is used for key comparing.
436             \p Less functor has the interface like \p std::less.
437             \p Less must imply the same element order as the comparator used for building the map.
438         */
439         template <typename K, typename Less, typename Func>
440         bool find_with( K const& key, Less pred, Func f )
441         {
442             return base_class::find_with( key, cds::details::predicate_wrapper< leaf_node, Less, typename maker::key_accessor >(),
443                 [&f](leaf_node& item, K const& ) { f( item.m_Value );});
444         }
445
446         /// Find the key \p key
447         /** \anchor cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_rcu_find_val
448
449             The function searches the item with key equal to \p key
450             and returns \p true if it is found, and \p false otherwise.
451
452             The function applies RCU lock internally.
453         */
454         template <typename K>
455         bool find( K const& key )
456         {
457             return base_class::find( key );
458         }
459
460         /// Finds the key \p val using \p pred predicate for searching
461         /**
462             The function is an analog of \ref cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_rcu_find_val "find(K const&)"
463             but \p pred is used for key comparing.
464             \p Less functor has the interface like \p std::less.
465             \p Less must imply the same element order as the comparator used for building the map.
466         */
467         template <typename K, typename Less>
468         bool find_with( K const& key, Less pred )
469         {
470             return base_class::find_with( key, cds::details::predicate_wrapper< leaf_node, Less, typename maker::key_accessor >() );
471         }
472
473         /// Finds \p key and return the item found
474         /** \anchor cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_rcu_get
475             The function searches the item with key equal to \p key and returns the pointer to item found.
476             If \p key is not found it returns \p nullptr.
477
478             RCU should be locked before call the function.
479             Returned pointer is valid while RCU is locked.
480         */
481         template <typename Q>
482         value_type * get( Q const& key ) const
483         {
484             leaf_node * pNode = base_class::get( key );
485             return pNode ? &pNode->m_Value : nullptr;
486         }
487
488         /// Finds \p key with \p pred predicate and return the item found
489         /**
490             The function is an analog of \ref cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_rcu_get "get(Q const&)"
491             but \p pred is used for comparing the keys.
492
493             \p Less functor has the semantics like \p std::less but should take arguments of type \ref value_type
494             and \p Q in any order.
495             \p pred must imply the same element order as the comparator used for building the map.
496         */
497         template <typename Q, typename Less>
498         value_type * get_with( Q const& key, Less pred ) const
499         {
500             leaf_node * pNode = base_class::get_with( key,
501                 cds::details::predicate_wrapper< leaf_node, Less, typename maker::key_accessor >());
502             return pNode ? &pNode->m_Value : nullptr;
503         }
504
505         /// Clears the map
506         void clear()
507         {
508             base_class::clear();
509         }
510
511         /// Checks if the map is empty
512         bool empty() const
513         {
514             return base_class::empty();
515         }
516
517         /// Returns item count in the map
518         /**
519             Only leaf nodes containing user data are counted.
520
521             The value returned depends on item counter type provided by \p Traits template parameter.
522             If it is \p atomicity::empty_item_counter this function always returns 0.
523
524             The function is not suitable for checking the tree emptiness, use \p empty()
525             member function for this purpose.
526         */
527         size_t size() const
528         {
529             return base_class::size();
530         }
531
532         /// Returns const reference to internal statistics
533         stat const& statistics() const
534         {
535             return base_class::statistics();
536         }
537
538         /// Checks internal consistency (not atomic, not thread-safe)
539         /**
540             The debugging function to check internal consistency of the tree.
541         */
542         bool check_consistency() const
543         {
544             return base_class::check_consistency();
545         }
546     };
547 }} // namespace cds::container
548
549 #endif //#ifndef __CDS_CONTAINER_ELLEN_BINTREE_MAP_RCU_H