EllenBinTreeMap, EllenBinTreeSet:
[libcds.git] / cds / container / ellen_bintree_set_rcu.h
1 //$$CDS-header$$
2
3 #ifndef CDSLIB_CONTAINER_ELLEN_BINTREE_SET_RCU_H
4 #define CDSLIB_CONTAINER_ELLEN_BINTREE_SET_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     /// Set based on Ellen's et al binary search tree (RCU specialization)
12     /** @ingroup cds_nonintrusive_set
13         @ingroup cds_nonintrusive_tree
14         @anchor cds_container_EllenBinTreeSet_rcu
15
16         Source:
17             - [2010] F.Ellen, P.Fatourou, E.Ruppert, F.van Breugel "Non-blocking Binary Search Tree"
18
19         %EllenBinTreeSet is an unbalanced leaf-oriented binary search tree that implements the <i>set</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 \p T currently in
22         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 set. \p Key type is a subset of \p T type.
25         There should be exactly defined a key extracting functor for converting object of type \p T to
26         object of type \p Key.
27
28         Due to \p extract_min and \p extract_max member functions the \p %EllenBinTreeSet 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, a subset of \p T
42         - \p T - type to be stored in tree's leaf nodes.
43         - \p Traits - set traits, default is \p ellen_bintree::traits.
44             It is possible to declare option-based tree with \p ellen_bintree::make_set_traits metafunction
45             instead of \p Traits template argument.
46
47         @note Before including <tt><cds/container/ellen_bintree_set_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         @anchor cds_container_EllenBinTreeSet_rcu_less
51         <b>Predicate requirements</b>
52
53         opt::less, opt::compare and other predicates using with member fuctions should accept at least parameters
54         of type \p T and \p Key in any combination.
55         For example, for \p Foo struct with \p std::string key field the appropiate \p less functor is:
56         \code
57         struct Foo
58         {
59             std::string m_strKey;
60             ...
61         };
62
63         struct less {
64             bool operator()( Foo const& v1, Foo const& v2 ) const
65             { return v1.m_strKey < v2.m_strKey ; }
66
67             bool operator()( Foo const& v, std::string const& s ) const
68             { return v.m_strKey < s ; }
69
70             bool operator()( std::string const& s, Foo const& v ) const
71             { return s < v.m_strKey ; }
72
73             // Support comparing std::string and char const *
74             bool operator()( std::string const& s, char const * p ) const
75             { return s.compare(p) < 0 ; }
76
77             bool operator()( Foo const& v, char const * p ) const
78             { return v.m_strKey.compare(p) < 0 ; }
79
80             bool operator()( char const * p, std::string const& s ) const
81             { return s.compare(p) > 0; }
82
83             bool operator()( char const * p, Foo const& v ) const
84             { return v.m_strKey.compare(p) > 0; }
85         };
86         \endcode
87
88     */
89     template <
90         class RCU,
91         typename Key,
92         typename T,
93 #ifdef CDS_DOXYGEN_INVOKED
94         class Traits = ellen_bintree::traits
95 #else
96         class Traits
97 #endif
98     >
99     class EllenBinTreeSet< cds::urcu::gc<RCU>, Key, T, Traits >
100 #ifdef CDS_DOXYGEN_INVOKED
101         : public cds::intrusive::EllenBinTree< cds::urcu::gc<RCU>, Key, T, Traits >
102 #else
103         : public ellen_bintree::details::make_ellen_bintree_set< cds::urcu::gc<RCU>, Key, T, Traits >::type
104 #endif
105     {
106         //@cond
107         typedef ellen_bintree::details::make_ellen_bintree_set< cds::urcu::gc<RCU>, Key, T, Traits > maker;
108         typedef typename maker::type base_class;
109         //@endcond
110
111     public:
112         typedef cds::urcu::gc<RCU>  gc;   ///< RCU Garbage collector
113         typedef Key     key_type;   ///< type of a key stored in internal nodes; key is a part of \p value_type
114         typedef T       value_type; ///< type of value stored in the binary tree
115         typedef Traits  traits;     ///< Traits template parameter
116
117 #   ifdef CDS_DOXYGEN_INVOKED
118         typedef implementation_defined key_comparator;    ///< key compare functor based on \p Traits::compare and \p Traits::less
119 #   else
120         typedef typename maker::intrusive_traits::compare   key_comparator;
121 #   endif
122         typedef typename base_class::item_counter           item_counter;       ///< Item counting policy
123         typedef typename base_class::memory_model           memory_model;       ///< Memory ordering, see \p cds::opt::memory_model
124         typedef typename base_class::stat                   stat;               ///< internal statistics type
125         typedef typename base_class::rcu_check_deadlock     rcu_check_deadlock; ///< Deadlock checking policy
126         typedef typename traits::key_extractor              key_extractor;      ///< key extracting functor
127         typedef typename traits::back_off                   back_off;           ///< Back-off strategy
128
129
130         typedef typename traits::allocator                  allocator_type;     ///< Allocator for leaf nodes
131         typedef typename base_class::node_allocator         node_allocator;     ///< Internal node allocator
132         typedef typename base_class::update_desc_allocator  update_desc_allocator; ///< Update descriptor allocator
133
134         static CDS_CONSTEXPR const bool c_bExtractLockExternal = base_class::c_bExtractLockExternal; ///< Group of \p extract_xxx functions do not require external locking
135
136         //@cond
137         typedef cds::container::ellen_bintree::implementation_tag implementation_tag;
138         //@endcond
139
140     protected:
141         //@cond
142         typedef typename maker::cxx_leaf_node_allocator cxx_leaf_node_allocator;
143         typedef typename base_class::value_type         leaf_node;
144         typedef typename base_class::internal_node      internal_node;
145         typedef std::unique_ptr< leaf_node, typename maker::intrusive_traits::disposer >    scoped_node_ptr;
146         //@endcond
147
148     public:
149         typedef typename gc::scoped_lock    rcu_lock;  ///< RCU scoped lock
150
151         /// pointer to extracted node
152         using exempt_ptr = cds::urcu::exempt_ptr < gc, leaf_node, value_type, typename maker::intrusive_traits::disposer,
153             cds::urcu::details::conventional_exempt_member_cast < leaf_node, value_type >
154         >;
155
156     public:
157         /// Default constructor
158         EllenBinTreeSet()
159             : base_class()
160         {}
161
162         /// Clears the set
163         ~EllenBinTreeSet()
164         {}
165
166         /// Inserts new node
167         /**
168             The function creates a node with copy of \p val value
169             and then inserts the node created into the set.
170
171             The type \p Q should contain at least the complete key for the node.
172             The object of \ref value_type should be constructible from a value of type \p Q.
173             In trivial case, \p Q is equal to \ref value_type.
174
175             RCU \p synchronize() method can be called. RCU should not be locked.
176
177             Returns \p true if \p val is inserted into the set, \p false otherwise.
178         */
179         template <typename Q>
180         bool insert( Q const& val )
181         {
182             scoped_node_ptr sp( cxx_leaf_node_allocator().New( val ));
183             if ( base_class::insert( *sp.get() )) {
184                 sp.release();
185                 return true;
186             }
187             return false;
188         }
189
190         /// Inserts new node
191         /**
192             The function allows to split creating of new item into two part:
193             - create item with key only
194             - insert new item into the set
195             - if inserting is success, calls  \p f functor to initialize value-fields of \p val.
196
197             The functor signature is:
198             \code
199                 void func( value_type& val );
200             \endcode
201             where \p val is the item inserted. User-defined functor \p f should guarantee that during changing
202             \p val no any other changes could be made on this set's item by concurrent threads.
203             The user-defined functor is called only if the inserting is success.
204
205             RCU \p synchronize() can be called. RCU should not be locked.
206         */
207         template <typename Q, typename Func>
208         bool insert( Q const& val, Func f )
209         {
210             scoped_node_ptr sp( cxx_leaf_node_allocator().New( val ));
211             if ( base_class::insert( *sp.get(), [&f]( leaf_node& val ) { f( val.m_Value ); } )) {
212                 sp.release();
213                 return true;
214             }
215             return false;
216         }
217
218         /// Updates the node
219         /**
220             The operation performs inserting or changing data with lock-free manner.
221
222             If the item \p val is not found in the set, then \p val is inserted into the set
223             iff \p bAllowInsert is \p true.
224             Otherwise, the functor \p func is called with item found.
225             The functor \p func signature is:
226             \code
227                 void func( bool bNew, value_type& item, value_type& val );
228             \endcode
229             with arguments:
230             - \p bNew - \p true if the item has been inserted, \p false otherwise
231             - \p item - item of the set
232             - \p val - argument \p val passed into the \p %update() function
233
234             The functor can change non-key fields of the \p item; however, \p func must guarantee
235             that during changing no any other modifications could be made on this item by concurrent threads.
236
237             RCU \p synchronize method can be called. RCU should not be locked.
238
239             Returns std::pair<bool, bool> where \p first is \p true if operation is successfull,
240             i.e. the node has been inserted or updated,
241             \p second is \p true if new item has been added or \p false if the item with \p key
242             already exists.
243
244             @warning See \ref cds_intrusive_item_creating "insert item troubleshooting"
245         */
246         template <typename Q, typename Func>
247         std::pair<bool, bool> update( Q const& val, Func func, bool bAllowInsert = true )
248         {
249             scoped_node_ptr sp( cxx_leaf_node_allocator().New( val ));
250             std::pair<bool, bool> bRes = base_class::update( *sp,
251                 [&func, &val](bool bNew, leaf_node& node, leaf_node&){ func( bNew, node.m_Value, val ); },
252                 bAllowInsert );
253             if ( bRes.first && bRes.second )
254                 sp.release();
255             return bRes;
256         }
257         //@cond
258         // Deprecated, use update()
259         template <typename Q, typename Func>
260         std::pair<bool, bool> ensure( const Q& val, Func func )
261         {
262             return update( val, func true );
263         }
264         //@endcond
265
266         /// Inserts data of type \p value_type created in-place from \p args
267         /**
268             Returns \p true if inserting successful, \p false otherwise.
269
270             RCU \p synchronize method can be called. RCU should not be locked.
271         */
272         template <typename... Args>
273         bool emplace( Args&&... args )
274         {
275             scoped_node_ptr sp( cxx_leaf_node_allocator().New( std::forward<Args>(args)... ));
276             if ( base_class::insert( *sp.get() )) {
277                 sp.release();
278                 return true;
279             }
280             return false;
281         }
282
283         /// Delete \p key from the set
284         /** \anchor cds_nonintrusive_EllenBinTreeSet_rcu_erase_val
285
286             The item comparator should be able to compare the type \p value_type
287             and the type \p Q.
288
289             RCU \p synchronize method can be called. RCU should not be locked.
290
291             Return \p true if key is found and deleted, \p false otherwise
292         */
293         template <typename Q>
294         bool erase( Q const& key )
295         {
296             return base_class::erase( key );
297         }
298
299         /// Deletes the item from the set using \p pred predicate for searching
300         /**
301             The function is an analog of \ref cds_nonintrusive_EllenBinTreeSet_rcu_erase_val "erase(Q const&)"
302             but \p pred is used for key comparing.
303             \p Less functor has the interface like \p std::less.
304             \p Less must imply the same element order as the comparator used for building the set.
305         */
306         template <typename Q, typename Less>
307         bool erase_with( Q const& key, Less pred )
308         {
309             CDS_UNUSED( pred );
310             return base_class::erase_with( key, cds::details::predicate_wrapper< leaf_node, Less, typename maker::value_accessor >());
311         }
312
313         /// Delete \p key from the set
314         /** \anchor cds_nonintrusive_EllenBinTreeSet_rcu_erase_func
315
316             The function searches an item with key \p key, calls \p f functor
317             and deletes the item. If \p key is not found, the functor is not called.
318
319             The functor \p Func interface:
320             \code
321             struct extractor {
322                 void operator()(value_type const& val);
323             };
324             \endcode
325
326             Since the key of MichaelHashSet's \p value_type is not explicitly specified,
327             template parameter \p Q defines the key type searching in the list.
328             The list item comparator should be able to compare the type \p T of list item
329             and the type \p Q.
330
331             RCU \p synchronize method can be called. RCU should not be locked.
332
333             Return \p true if key is found and deleted, \p false otherwise
334
335             See also: \ref erase
336         */
337         template <typename Q, typename Func>
338         bool erase( Q const& key, Func f )
339         {
340             return base_class::erase( key, [&f]( leaf_node const& node) { f( node.m_Value ); } );
341         }
342
343         /// Deletes the item from the set using \p pred predicate for searching
344         /**
345             The function is an analog of \ref cds_nonintrusive_EllenBinTreeSet_rcu_erase_func "erase(Q const&, Func)"
346             but \p pred is used for key comparing.
347             \p Less functor has the interface like \p std::less.
348             \p Less must imply the same element order as the comparator used for building the set.
349         */
350         template <typename Q, typename Less, typename Func>
351         bool erase_with( Q const& key, Less pred, Func f )
352         {
353             CDS_UNUSED( pred );
354             return base_class::erase_with( key, cds::details::predicate_wrapper< leaf_node, Less, typename maker::value_accessor >(),
355                 [&f]( leaf_node const& node) { f( node.m_Value ); } );
356         }
357
358         /// Extracts an item with minimal key from the set
359         /**
360             Returns \ref cds::urcu::exempt_ptr "exempt_ptr" pointer to the leftmost item.
361             If the set is empty, returns empty \p exempt_ptr.
362
363             @note Due the concurrent nature of the set, the function extracts <i>nearly</i> minimum key.
364             It means that the function gets leftmost leaf of the tree and tries to unlink it.
365             During unlinking, a concurrent thread may insert an item with key less than leftmost item's key.
366             So, the function returns the item with minimum key at the moment of tree traversing.
367
368             RCU \p synchronize method can be called. RCU should NOT be locked.
369             The function does not free the item.
370             The deallocator will be implicitly invoked when the returned object is destroyed or when
371             its \p release() member function is called.
372         */
373         exempt_ptr extract_min()
374         {
375             return exempt_ptr( base_class::extract_min_());
376         }
377
378         /// Extracts an item with maximal key from the set
379         /**
380             Returns \ref cds::urcu::exempt_ptr "exempt_ptr" pointer to the rightmost item.
381             If the set is empty, returns empty \p exempt_ptr.
382
383             @note Due the concurrent nature of the set, the function extracts <i>nearly</i> maximal key.
384             It means that the function gets rightmost leaf of the tree and tries to unlink it.
385             During unlinking, a concurrent thread may insert an item with key great than leftmost item's key.
386             So, the function returns the item with maximum key at the moment of tree traversing.
387
388             RCU \p synchronize method can be called. RCU should NOT be locked.
389             The function does not free the item.
390             The deallocator will be implicitly invoked when the returned object is destroyed or when
391             its \p release() member function is called.
392         */
393         exempt_ptr extract_max()
394         {
395             return exempt_ptr( base_class::extract_max_());
396         }
397
398         /// Extracts an item from the set
399         /** \anchor cds_nonintrusive_EllenBinTreeSet_rcu_extract
400             The function searches an item with key equal to \p key in the tree,
401             unlinks it, and returns \ref cds::urcu::exempt_ptr "exempt_ptr" pointer to an item found.
402             If \p key is not found the function returns an empty \p exempt_ptr.
403
404             RCU \p synchronize method can be called. RCU should NOT be locked.
405             The function does not destroy the item found.
406             The dealloctor will be implicitly invoked when the returned object is destroyed or when
407             its release() member function is called.
408         */
409         template <typename Q>
410         exempt_ptr extract( Q const& key )
411         {
412             return exempt_ptr( base_class::extract_( key, typename base_class::node_compare()));
413         }
414
415         /// Extracts an item from the set using \p pred for searching
416         /**
417             The function is an analog of \p extract(Q const&) but \p pred is used for key compare.
418             \p Less has the interface like \p std::less and should meet \ref cds_container_EllenBinTreeSet_rcu_less
419             "predicate requirements".
420             \p pred must imply the same element order as the comparator used for building the set.
421         */
422         template <typename Q, typename Less>
423         exempt_ptr extract_with( Q const& key, Less pred )
424         {
425             CDS_UNUSED( pred );
426             return exempt_ptr( base_class::extract_with_( key,
427                 cds::details::predicate_wrapper< leaf_node, Less, typename maker::value_accessor >() ));
428         }
429
430         /// Find the key \p key
431         /**
432             @anchor cds_nonintrusive_EllenBinTreeSet_rcu_find_func
433
434             The function searches the item with key equal to \p key and calls the functor \p f for item found.
435             The interface of \p Func functor is:
436             \code
437             struct functor {
438                 void operator()( value_type& item, Q& key );
439             };
440             \endcode
441             where \p item is the item found, \p key is the <tt>find</tt> function argument.
442
443             The functor may change non-key fields of \p item. Note that the functor is only guarantee
444             that \p item cannot be disposed during functor is executing.
445             The functor does not serialize simultaneous access to the set's \p item. If such access is
446             possible you must provide your own synchronization schema on item level to exclude unsafe item modifications.
447
448             The \p key argument is non-const since it can be used as \p f functor destination i.e., the functor
449             can modify both arguments.
450
451             Note the hash functor specified for class \p Traits template parameter
452             should accept a parameter of type \p Q that may be not the same as \p value_type.
453
454             The function applies RCU lock internally.
455
456             The function returns \p true if \p key is found, \p false otherwise.
457         */
458         template <typename Q, typename Func>
459         bool find( Q& key, Func f ) const
460         {
461             return base_class::find( key, [&f]( leaf_node& node, Q& v ) { f( node.m_Value, v ); });
462         }
463         //@cond
464         template <typename Q, typename Func>
465         bool find( Q const& key, Func f ) const
466         {
467             return base_class::find( key, [&f]( leaf_node& node, Q const& v ) { f( node.m_Value, v ); } );
468         }
469         //@endcond
470
471         /// Finds the key \p key using \p pred predicate for searching
472         /**
473             The function is an analog of \ref cds_nonintrusive_EllenBinTreeSet_rcu_find_func "find(Q&, Func)"
474             but \p pred is used for key comparing.
475             \p Less functor has the interface like \p std::less.
476             \p Less must imply the same element order as the comparator used for building the set.
477         */
478         template <typename Q, typename Less, typename Func>
479         bool find_with( Q& key, Less pred, Func f ) const
480         {
481             CDS_UNUSED( pred );
482             return base_class::find_with( key, cds::details::predicate_wrapper< leaf_node, Less, typename maker::value_accessor >(),
483                 [&f]( leaf_node& node, Q& v ) { f( node.m_Value, v ); } );
484         }
485         //@cond
486         template <typename Q, typename Less, typename Func>
487         bool find_with( Q const& key, Less pred, Func f ) const
488         {
489             CDS_UNUSED( pred );
490             return base_class::find_with( key, cds::details::predicate_wrapper< leaf_node, Less, typename maker::value_accessor >(),
491                                           [&f]( leaf_node& node, Q const& v ) { f( node.m_Value, v ); } );
492         }
493         //@endcond
494
495         /// Checks whether the set contains \p key
496         /**
497             The function searches the item with key equal to \p key
498             and returns \p true if it is found, and \p false otherwise.
499
500             The function applies RCU lock internally.
501         */
502         template <typename Q>
503         bool contains( Q const& key ) const
504         {
505             return base_class::contains( key );
506         }
507         //@cond
508         // Deprecated, use contains()
509         template <typename Q>
510         bool find( Q const& key ) const
511         {
512             return contains( key );
513         }
514         //@endcond
515
516         /// Checks whether the set contains \p key using \p pred predicate for searching
517         /**
518             The function is similar to <tt>contains( key )</tt> but \p pred is used for key comparing.
519             \p Less functor has the interface like \p std::less and should meet \ref cds_intrusive_EllenBinTree_rcu_less
520             "Predicate requirements".
521             \p Less must imply the same element order as the comparator used for building the set.
522             \p pred should accept arguments of type \p Q, \p key_type, \p value_type in any combination.
523         */
524         template <typename Q, typename Less>
525         bool contains( Q const& key, Less pred ) const
526         {
527             CDS_UNUSED( pred );
528             return base_class::contains( key, cds::details::predicate_wrapper< leaf_node, Less, typename maker::value_accessor >());
529         }
530         //@cond
531         // DEprecated, use contains()
532         template <typename Q, typename Less>
533         bool find_with( Q const& key, Less pred ) const
534         {
535             return contains( key, pred );
536         }
537         //@endcond
538
539         /// Finds \p key and return the item found
540         /** \anchor cds_nonintrusive_EllenBinTreeSet_rcu_get
541             The function searches the item with key equal to \p key and returns the pointer to item found.
542             If \p key is not found it returns \p nullptr.
543
544             RCU should be locked before call the function.
545             Returned pointer is valid while RCU is locked.
546         */
547         template <typename Q>
548         value_type * get( Q const& key ) const
549         {
550             leaf_node * pNode = base_class::get( key );
551             return pNode ? &pNode->m_Value : nullptr;
552         }
553
554         /// Finds \p key with \p pred predicate and return the item found
555         /**
556             The function is an analog of \ref cds_nonintrusive_EllenBinTreeSet_rcu_get "get(Q const&)"
557             but \p pred is used for comparing the keys.
558
559             \p Less functor has the semantics like \p std::less but should take arguments of type \ref value_type
560             and \p Q in any order.
561             \p pred must imply the same element order as the comparator used for building the set.
562         */
563         template <typename Q, typename Less>
564         value_type * get_with( Q const& key, Less pred ) const
565         {
566             CDS_UNUSED( pred );
567             leaf_node * pNode = base_class::get_with( key,
568                 cds::details::predicate_wrapper< leaf_node, Less, typename maker::value_accessor >());
569             return pNode ? &pNode->m_Value : nullptr;
570         }
571
572         /// Clears the set (non-atomic)
573         /**
574             The function unlink all items from the tree.
575             The function is not atomic, thus, in multi-threaded environment with parallel insertions
576             this sequence
577             \code
578             set.clear();
579             assert( set.empty() );
580             \endcode
581             the assertion could be raised.
582
583             For each leaf the \ref disposer will be called after unlinking.
584
585             RCU \p synchronize method can be called. RCU should not be locked.
586         */
587         void clear()
588         {
589             base_class::clear();
590         }
591
592         /// Checks if the set is empty
593         bool empty() const
594         {
595             return base_class::empty();
596         }
597
598         /// Returns item count in the set
599         /**
600             Only leaf nodes containing user data are counted.
601
602             The value returned depends on item counter type provided by \p Traits template parameter.
603             If it is \p atomicity::empty_item_counter \p %size() always returns 0.
604             Therefore, the function is not suitable for checking the tree emptiness, use \p empty()
605             member function for this purpose.
606         */
607         size_t size() const
608         {
609             return base_class::size();
610         }
611
612         /// Returns const reference to internal statistics
613         stat const& statistics() const
614         {
615             return base_class::statistics();
616         }
617
618         /// Checks internal consistency (not atomic, not thread-safe)
619         /**
620             The debugging function to check internal consistency of the tree.
621         */
622         bool check_consistency() const
623         {
624             return base_class::check_consistency();
625         }
626     };
627 }}  // namespace cds::container
628
629 #endif // #ifndef CDSLIB_CONTAINER_ELLEN_BINTREE_SET_RCU_H