16b32a399a3e108199d13cf1808ff089def628af
[libcds.git] / cds / container / impl / ellen_bintree_map.h
1 //$$CDS-header$$
2
3 #ifndef __CDS_CONTAINER_IMPL_ELLEN_BINTREE_MAP_H
4 #define __CDS_CONTAINER_IMPL_ELLEN_BINTREE_MAP_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/container/details/guarded_ptr_cast.h>
10
11 namespace cds { namespace container {
12
13     /// Map based on Ellen's et al binary search tree
14     /** @ingroup cds_nonintrusive_map
15         @ingroup cds_nonintrusive_tree
16         @anchor cds_container_EllenBinTreeMap
17
18         Source:
19             - [2010] F.Ellen, P.Fatourou, E.Ruppert, F.van Breugel "Non-blocking Binary Search Tree"
20
21         %EllenBinTreeMap is an unbalanced leaf-oriented binary search tree that implements the <i>map</i>
22         abstract data type. Nodes maintains child pointers but not parent pointers.
23         Every internal node has exactly two children, and all data of type <tt>std::pair<Key const, T></tt>
24         currently in the tree are stored in the leaves. Internal nodes of the tree are used to direct \p find
25         operation along the path to the correct leaf. The keys (of \p Key type) stored in internal nodes
26         may or may not be in the map.
27         Unlike \ref cds_container_EllenBinTreeSet "EllenBinTreeSet" keys are not a part of \p T type.
28         The map can be represented as a set containing <tt>std::pair< Key const, T> </tt> values.
29
30         Due to \p extract_min and \p extract_max member functions the \p %EllenBinTreeMap can act as
31         a <i>priority queue</i>. In this case you should provide unique compound key, for example,
32         the priority value plus some uniformly distributed random value.
33
34         @warning Recall the tree is <b>unbalanced</b>. The complexity of operations is <tt>O(log N)</tt>
35         for uniformly distributed random keys, but in worst case the complexity is <tt>O(N)</tt>.
36
37         @note In the current implementation we do not use helping technique described in the original paper.
38         In Hazard Pointer schema helping is too complicated and does not give any observable benefits.
39         Instead of helping, when a thread encounters a concurrent operation it just spins waiting for
40         the operation done. Such solution allows greatly simplify implementation of the tree.
41
42         <b>Template arguments</b> :
43         - \p GC - safe memory reclamation (i.e. light-weight garbage collector) type, like \p cds::gc::HP, \p cds::gc::DHP
44         - \p Key - key type
45         - \p T - value type to be stored in tree's leaf nodes.
46         - \p Traits - map traits, default is \p ellen_bintree::traits
47             It is possible to declare option-based tree with \p ellen_bintree::make_map_traits metafunction
48             instead of \p Traits template argument.
49
50         @note Do not include <tt><cds/container/impl/ellen_bintree_map.h></tt> header file directly.
51         There are header file for each GC type:
52         - <tt><cds/container/ellen_bintree_map_hp.h></tt> - for Hazard Pointer GC cds::gc::HP
53         - <tt><cds/container/ellen_bintree_map_dhp.h></tt> - for Dynamic Hazard Pointer GC cds::gc::DHP
54         - <tt><cds/container/ellen_bintree_map_rcu.h></tt> - for RCU GC
55             (see \ref cds_container_EllenBinTreeMap_rcu "RCU-based EllenBinTreeMap")
56     */
57     template <
58         class GC,
59         typename Key,
60         typename T,
61 #ifdef CDS_DOXYGEN_INVOKED
62         class Traits = ellen_bintree::traits
63 #else
64         class Traits
65 #endif
66     >
67     class EllenBinTreeMap
68 #ifdef CDS_DOXYGEN_INVOKED
69         : public cds::intrusive::EllenBinTree< GC, Key, T, Traits >
70 #else
71         : public ellen_bintree::details::make_ellen_bintree_map< GC, Key, T, Traits >::type
72 #endif
73     {
74         //@cond
75         typedef ellen_bintree::details::make_ellen_bintree_map< GC, Key, T, Traits > maker;
76         typedef typename maker::type base_class;
77         //@endcond
78     public:
79         typedef GC      gc;          ///< Garbage collector
80         typedef Key     key_type;    ///< type of a key stored in the map
81         typedef T       mapped_type; ///< type of value stored in the map
82         typedef std::pair< key_type const, mapped_type >    value_type  ;   ///< Key-value pair stored in leaf node of the mp
83         typedef Traits  traits;      ///< Map traits 
84
85 #   ifdef CDS_DOXYGEN_INVOKED
86         typedef implementation_defined key_comparator; ///< key compare functor based on \p Traits::compare and \p Traits::less
87 #   else
88         typedef typename maker::intrusive_traits::compare   key_comparator;
89 #   endif
90         typedef typename base_class::item_counter           item_counter; ///< Item counting policy
91         typedef typename base_class::memory_model           memory_model; ///< Memory ordering, see \p cds::opt::memory_model
92         typedef typename base_class::node_allocator         node_allocator_type; ///< allocator for maintaining internal node
93         typedef typename base_class::stat                   stat;         ///< internal statistics type
94         typedef typename traits::copy_policy                copy_policy;  ///< key copy policy
95         typedef typename traits::back_off                   back_off;      ///< Back-off strategy
96
97         typedef typename traits::allocator                  allocator_type;   ///< Allocator for leaf nodes
98         typedef typename base_class::node_allocator         node_allocator;   ///< Internal node allocator
99         typedef typename base_class::update_desc_allocator  update_desc_allocator; ///< Update descriptor allocator
100
101     protected:
102         //@cond
103         typedef typename base_class::value_type         leaf_node;
104         typedef typename base_class::internal_node      internal_node;
105         typedef typename base_class::update_desc        update_desc;
106
107         typedef typename maker::cxx_leaf_node_allocator cxx_leaf_node_allocator;
108
109         typedef std::unique_ptr< leaf_node, typename maker::leaf_deallocator >    scoped_node_ptr;
110         //@endcond
111
112     public:
113         /// Guarded pointer
114         typedef typename gc::template guarded_ptr< leaf_node, value_type, details::guarded_ptr_cast_set<leaf_node, value_type> > guarded_ptr;
115
116     public:
117         /// Default constructor
118         EllenBinTreeMap()
119             : base_class()
120         {}
121
122         /// Clears the map
123         ~EllenBinTreeMap()
124         {}
125
126         /// Inserts new node with key and default value
127         /**
128             The function creates a node with \p key and default value, and then inserts the node created into the map.
129
130             Preconditions:
131             - The \ref key_type should be constructible from a value of type \p K.
132                 In trivial case, \p K is equal to \ref key_type.
133             - The \ref mapped_type should be default-constructible.
134
135             Returns \p true if inserting successful, \p false otherwise.
136         */
137         template <typename K>
138         bool insert( K const& key )
139         {
140             return insert_key( key, [](value_type&){} );
141         }
142
143         /// Inserts new node
144         /**
145             The function creates a node with copy of \p val value
146             and then inserts the node created into the map.
147
148             Preconditions:
149             - The \p key_type should be constructible from \p key of type \p K.
150             - The \p value_type should be constructible from \p val of type \p V.
151
152             Returns \p true if \p val is inserted into the map, \p false otherwise.
153         */
154         template <typename K, typename V>
155         bool insert( K const& key, V const& val )
156         {
157             scoped_node_ptr pNode( cxx_leaf_node_allocator().New( key, val ));
158             if ( base_class::insert( *pNode ))
159             {
160                 pNode.release();
161                 return true;
162             }
163             return false;
164         }
165
166         /// Inserts new node and initialize it by a functor
167         /**
168             This function inserts new node with key \p key and if inserting is successful then it calls
169             \p func functor with signature
170             \code
171                 struct functor {
172                     void operator()( value_type& item );
173                 };
174             \endcode
175
176             The argument \p item of user-defined functor \p func is the reference
177             to the map's item inserted:
178                 - <tt>item.first</tt> is a const reference to item's key that cannot be changed.
179                 - <tt>item.second</tt> is a reference to item's value that may be changed.
180
181             The key_type should be constructible from value of type \p K.
182
183             The function allows to split creating of new item into two part:
184             - create item from \p key;
185             - insert new item into the map;
186             - if inserting is successful, initialize the value of item by calling \p func functor
187
188             This can be useful if complete initialization of object of \p value_type is heavyweight and
189             it is preferable that the initialization should be completed only if inserting is successful.
190         */
191         template <typename K, typename Func>
192         bool insert_key( const K& key, Func func )
193         {
194             scoped_node_ptr pNode( cxx_leaf_node_allocator().New( key ));
195             if ( base_class::insert( *pNode, [&func]( leaf_node& item ) { func( item.m_Value ); } )) {
196                 pNode.release();
197                 return true;
198             }
199             return false;
200         }
201
202         /// For key \p key inserts data of type \p value_type created in-place from \p args
203         /**
204             Returns \p true if inserting successful, \p false otherwise.
205         */
206         template <typename K, typename... Args>
207         bool emplace( K&& key, Args&&... args )
208         {
209             scoped_node_ptr pNode( cxx_leaf_node_allocator().New( std::forward<K>(key), std::forward<Args>(args)... ));
210             if ( base_class::insert( *pNode )) {
211                 pNode.release();
212                 return true;
213             }
214             return false;
215         }
216
217         /// Ensures that the \p key exists in the map
218         /**
219             The operation performs inserting or changing data with lock-free manner.
220
221             If the \p key not found in the map, then the new item created from \p key
222             is inserted into the map (note that in this case the \ref key_type should be
223             constructible from type \p K).
224             Otherwise, the functor \p func is called with item found.
225             The functor \p Func may be a function with signature:
226             \code
227                 void func( bool bNew, value_type& item );
228             \endcode
229             or a functor:
230             \code
231                 struct my_functor {
232                     void operator()( bool bNew, value_type& item );
233                 };
234             \endcode
235
236             with arguments:
237             - \p bNew - \p true if the item has been inserted, \p false otherwise
238             - \p item - item of the list
239
240             The functor may change any fields of the \p item.second that is \ref value_type.
241
242             Returns <tt> std::pair<bool, bool> </tt> where \p first is true if operation is successfull,
243             \p second is true if new item has been added or \p false if the item with \p key
244             already is in the list.
245
246             @warning See \ref cds_intrusive_item_creating "insert item troubleshooting"
247         */
248         template <typename K, typename Func>
249         std::pair<bool, bool> ensure( K const& key, Func func )
250         {
251             scoped_node_ptr pNode( cxx_leaf_node_allocator().New( key ));
252             std::pair<bool, bool> res = base_class::ensure( *pNode,
253                 [&func](bool bNew, leaf_node& item, leaf_node const& ){ func( bNew, item.m_Value ); }
254             );
255             if ( res.first && res.second )
256                 pNode.release();
257             return res;
258         }
259
260         /// Delete \p key from the map
261         /**\anchor cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_erase_val
262
263             Return \p true if \p key is found and deleted, \p false otherwise
264         */
265         template <typename K>
266         bool erase( K const& key )
267         {
268             return base_class::erase(key);
269         }
270
271         /// Deletes the item from the map using \p pred predicate for searching
272         /**
273             The function is an analog of \ref cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_erase_val "erase(K const&)"
274             but \p pred is used for key comparing.
275             \p Less functor has the interface like \p std::less.
276             \p Less must imply the same element order as the comparator used for building the map.
277         */
278         template <typename K, typename Less>
279         bool erase_with( K const& key, Less pred )
280         {
281             CDS_UNUSED( pred );
282             return base_class::erase_with( key, cds::details::predicate_wrapper< leaf_node, Less, typename maker::key_accessor >());
283         }
284
285         /// Delete \p key from the map
286         /** \anchor cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_erase_func
287
288             The function searches an item with key \p key, calls \p f functor
289             and deletes the item. If \p key is not found, the functor is not called.
290
291             The functor \p Func interface:
292             \code
293             struct extractor {
294                 void operator()(value_type& item) { ... }
295             };
296             \endcode
297
298             Return \p true if key is found and deleted, \p false otherwise
299         */
300         template <typename K, typename Func>
301         bool erase( K const& key, Func f )
302         {
303             return base_class::erase( key, [&f]( leaf_node& node) { f( node.m_Value ); } );
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_func "erase(K const&, Func)"
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, typename Func>
314         bool erase_with( K const& key, Less pred, Func f )
315         {
316             CDS_UNUSED( pred );
317             return base_class::erase_with( key, cds::details::predicate_wrapper< leaf_node, Less, typename maker::key_accessor >(),
318                 [&f]( leaf_node& node) { f( node.m_Value ); } );
319         }
320
321         /// Extracts an item with minimal key from the map
322         /**
323             If the map is not empty, the function returns an guarded pointer to minimum value.
324             If the map is empty, the function returns an empty \p guarded_ptr.
325
326             @note Due the concurrent nature of the map, the function extracts <i>nearly</i> minimum key.
327             It means that the function gets leftmost leaf of the tree and tries to unlink it.
328             During unlinking, a concurrent thread may insert an item with key less than leftmost item's key.
329             So, the function returns the item with minimum key at the moment of tree traversing.
330
331             The guarded pointer prevents deallocation of returned item,
332             see \p cds::gc::guarded_ptr for explanation.
333             @note Each \p guarded_ptr object uses the GC's guard that can be limited resource.
334         */
335         guarded_ptr extract_min()
336         {
337             guarded_ptr gp;
338             base_class::extract_min_( gp.guard() );
339             return gp;
340         }
341
342         /// Extracts an item with maximal key from the map
343         /**
344             If the map is not empty, the function returns a guarded pointer to maximal value.
345             If the map is empty, the function returns an empty \p guarded_ptr.
346
347             @note Due the concurrent nature of the map, the function extracts <i>nearly</i> maximal key.
348             It means that the function gets rightmost leaf of the tree and tries to unlink it.
349             During unlinking, a concurrent thread may insert an item with key great than leftmost item's key.
350             So, the function returns the item with maximum key at the moment of tree traversing.
351
352             The guarded pointer prevents deallocation of returned item,
353             see \p cds::gc::guarded_ptr for explanation.
354             @note Each \p guarded_ptr object uses the GC's guard that can be limited resource.
355         */
356         guarded_ptr extract_max()
357         {
358             guarded_ptr gp;
359             base_class::extract_max_( gp.guard() );
360             return gp;
361         }
362
363         /// Extracts an item from the tree
364         /** \anchor cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_extract
365             The function searches an item with key equal to \p key in the tree,
366             unlinks it, and returns a guarded pointer to an item found.
367             If the item  is not found the function returns an empty \p guarded_ptr.
368
369             The guarded pointer prevents deallocation of returned item,
370             see \p cds::gc::guarded_ptr for explanation.
371             @note Each \p guarded_ptr object uses the GC's guard that can be limited resource.
372         */
373         template <typename Q>
374         guarded_ptr extract( Q const& key )
375         {
376             guarded_ptr gp;
377             base_class::extract_( gp.guard(), key );
378             return gp;
379         }
380
381         /// Extracts an item from the map using \p pred for searching
382         /**
383             The function is an analog of \ref cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_extract "extract(Q const&)"
384             but \p pred is used for key compare.
385             \p Less has the interface like \p std::less.
386             \p pred must imply the same element order as the comparator used for building the map.
387         */
388         template <typename Q, typename Less>
389         guarded_ptr extract_with( Q const& key, Less pred )
390         {
391             CDS_UNUSED( pred );
392             guarded_ptr gp;
393             base_class::extract_with_( gp.guard(), key,
394                 cds::details::predicate_wrapper< leaf_node, Less, typename maker::key_accessor >());
395             return gp;
396         }
397
398         /// Find the key \p key
399         /** \anchor cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_find_cfunc
400
401             The function searches the item with key equal to \p key and calls the functor \p f for item found.
402             The interface of \p Func functor is:
403             \code
404             struct functor {
405                 void operator()( value_type& item );
406             };
407             \endcode
408             where \p item is the item found.
409
410             The functor may change \p item.second.
411
412             The function returns \p true if \p key is found, \p false otherwise.
413         */
414         template <typename K, typename Func>
415         bool find( K const& key, Func f )
416         {
417             return base_class::find( key, [&f](leaf_node& item, K const& ) { f( item.m_Value );});
418         }
419
420         /// Finds the key \p val using \p pred predicate for searching
421         /**
422             The function is an analog of \ref cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_find_cfunc "find(K const&, Func)"
423             but \p pred is used for key comparing.
424             \p Less functor has the interface like \p std::less.
425             \p Less must imply the same element order as the comparator used for building the map.
426         */
427         template <typename K, typename Less, typename Func>
428         bool find_with( K const& key, Less pred, Func f )
429         {
430             CDS_UNUSED( pred );
431             return base_class::find_with( key, cds::details::predicate_wrapper< leaf_node, Less, typename maker::key_accessor >(),
432                 [&f](leaf_node& item, K const& ) { f( item.m_Value );});
433         }
434
435         /// Find the key \p key
436         /** \anchor cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_find_val
437
438             The function searches the item with key equal to \p key
439             and returns \p true if it is found, and \p false otherwise.
440         */
441         template <typename K>
442         bool find( K const& key )
443         {
444             return base_class::find( key );
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_val "find(K const&)"
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>
455         bool find_with( K const& key, Less pred )
456         {
457             CDS_UNUSED( pred );
458             return base_class::find_with( key, cds::details::predicate_wrapper< leaf_node, Less, typename maker::key_accessor >() );
459         }
460
461         /// Finds \p key and returns the item found
462         /** @anchor cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_get
463             The function searches the item with key equal to \p key and returns the item found as a guarded pointer.
464             If \p key is not foudn the function returns an empty \p guarded_ptr.
465
466             The guarded pointer prevents deallocation of returned item,
467             see \p cds::gc::guarded_ptr for explanation.
468             @note Each \p guarded_ptr object uses the GC's guard that can be limited resource.
469         */
470         template <typename Q>
471         guarded_ptr get( Q const& key )
472         {
473             guarded_ptr gp;
474             base_class::get_( gp.guard(), key );
475             return gp;
476         }
477
478         /// Finds \p key with predicate \p pred and returns the item found
479         /**
480             The function is an analog of \ref cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_get "get(Q const&)"
481             but \p pred is used for key comparing.
482             \p Less functor has the interface like \p std::less.
483             \p pred must imply the same element order as the comparator used for building the map.
484         */
485         template <typename Q, typename Less>
486         guarded_ptr get_with( Q const& key, Less pred )
487         {
488             CDS_UNUSED( pred );
489             guarded_ptr gp;
490             base_class::get_with_( gp.guard(), key,
491                 cds::details::predicate_wrapper< leaf_node, Less, typename maker::key_accessor >() );
492             return gp;
493         }
494
495         /// Clears the map (not atomic)
496         void clear()
497         {
498             base_class::clear();
499         }
500
501         /// Checks if the map is empty
502         /**
503             Emptiness is checked by item counting: if item count is zero then the map is empty.
504         */
505         bool empty() const
506         {
507             return base_class::empty();
508         }
509
510         /// Returns item count in the set
511         /**
512             Only leaf nodes containing user data are counted.
513
514             The value returned depends on item counter type provided by \p Traits template parameter.
515             If it is \p atomicity::empty_item_counter this function always returns 0.
516
517             The function is not suitable for checking the tree emptiness, use \p empty()
518             member function for this purpose.
519         */
520         size_t size() const
521         {
522             return base_class::size();
523         }
524
525         /// Returns const reference to internal statistics
526         stat const& statistics() const
527         {
528             return base_class::statistics();
529         }
530
531         /// Checks internal consistency (not atomic, not thread-safe)
532         /**
533             The debugging function to check internal consistency of the tree.
534         */
535         bool check_consistency() const
536         {
537             return base_class::check_consistency();
538         }
539
540     };
541 }} // namespace cds::container
542
543 #endif //#ifndef __CDS_CONTAINER_IMPL_ELLEN_BINTREE_MAP_H