ee48d4720e5285bef94d4b19617cc475c0cb4a8a
[libcds.git] / cds / container / impl / feldman_hashset.h
1 /*
2     This file is a part of libcds - Concurrent Data Structures library
3
4     (C) Copyright Maxim Khizhinsky (libcds.dev@gmail.com) 2006-2016
5
6     Source code repo: http://github.com/khizmax/libcds/
7     Download: http://sourceforge.net/projects/libcds/files/
8     
9     Redistribution and use in source and binary forms, with or without
10     modification, are permitted provided that the following conditions are met:
11
12     * Redistributions of source code must retain the above copyright notice, this
13       list of conditions and the following disclaimer.
14
15     * Redistributions in binary form must reproduce the above copyright notice,
16       this list of conditions and the following disclaimer in the documentation
17       and/or other materials provided with the distribution.
18
19     THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE COPYRIGHT HOLDERS AND CONTRIBUTORS "AS IS"
20     AND ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE
21     IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE ARE
22     DISCLAIMED. IN NO EVENT SHALL THE COPYRIGHT HOLDER OR CONTRIBUTORS BE LIABLE
23     FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL
24     DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS OR
25     SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION) HOWEVER
26     CAUSED AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT LIABILITY,
27     OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY OUT OF THE USE
28     OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF SUCH DAMAGE.     
29 */
30
31 #ifndef CDSLIB_CONTAINER_IMPL_FELDMAN_HASHSET_H
32 #define CDSLIB_CONTAINER_IMPL_FELDMAN_HASHSET_H
33
34 #include <cds/intrusive/impl/feldman_hashset.h>
35 #include <cds/container/details/feldman_hashset_base.h>
36
37 namespace cds { namespace container {
38
39     /// Hash set based on multi-level array
40     /** @ingroup cds_nonintrusive_set
41         @anchor cds_container_FeldmanHashSet_hp
42
43         Source:
44         - [2013] Steven Feldman, Pierre LaBorde, Damian Dechev "Concurrent Multi-level Arrays:
45                  Wait-free Extensible Hash Maps"
46
47         [From the paper] The hardest problem encountered while developing a parallel hash map is how to perform
48         a global resize, the process of redistributing the elements in a hash map that occurs when adding new
49         buckets. The negative impact of blocking synchronization is multiplied during a global resize, because all
50         threads will be forced to wait on the thread that is performing the involved process of resizing the hash map
51         and redistributing the elements. \p %FeldmanHashSet implementation avoids global resizes through new array
52         allocation. By allowing concurrent expansion this structure is free from the overhead of an explicit resize,
53         which facilitates concurrent operations.
54
55         The presented design includes dynamic hashing, the use of sub-arrays within the hash map data structure;
56         which, in combination with <b>perfect hashing</b>, means that each element has a unique final, as well as current, position.
57         It is important to note that the perfect hash function required by our hash map is trivial to realize as
58         any hash function that permutes the bits of the key is suitable. This is possible because of our approach
59         to the hash function; we require that it produces hash values that are equal in size to that of the key.
60         We know that if we expand the hash map a fixed number of times there can be no collision as duplicate keys
61         are not provided for in the standard semantics of a hash map.
62
63         \p %FeldmanHashSet is a multi-level array which has an internal structure similar to a tree:
64         @image html feldman_hashset.png
65         The multi-level array differs from a tree in that each position on the tree could hold an array of nodes or a single node.
66         A position that holds a single node is a \p dataNode which holds the hash value of a key and the value that is associated
67         with that key; it is a simple struct holding two variables. A \p dataNode in the multi-level array could be marked.
68         A \p markedDataNode refers to a pointer to a \p dataNode that has been bitmarked at the least significant bit (LSB)
69         of the pointer to the node. This signifies that this \p dataNode is contended. An expansion must occur at this node;
70         any thread that sees this \p markedDataNode will try to replace it with an \p arrayNode; which is a position that holds
71         an array of nodes. The pointer to an \p arrayNode is differentiated from that of a pointer to a \p dataNode by a bitmark
72         on the second-least significant bit.
73
74         \p %FeldmanHashSet multi-level array is similar to a tree in that we keep a pointer to the root, which is a memory array
75         called \p head. The length of the \p head memory array is unique, whereas every other \p arrayNode has a uniform length;
76         a normal \p arrayNode has a fixed power-of-two length equal to the binary logarithm of a variable called \p arrayLength.
77         The maximum depth of the tree, \p maxDepth, is the maximum number of pointers that must be followed to reach any node.
78         We define \p currentDepth as the number of memory arrays that we need to traverse to reach the \p arrayNode on which
79         we need to operate; this is initially one, because of \p head.
80
81         That approach to the structure of the hash set uses an extensible hashing scheme; <b> the hash value is treated as a bit
82         string</b> and rehash incrementally.
83
84         @note Two important things you should keep in mind when you're using \p %FeldmanHashSet:
85         - all keys must be fixed-size. It means that you cannot use \p std::string as a key for \p %FeldmanHashSet.
86           Instead, for the strings you should use well-known hashing algorithms like <a href="https://en.wikipedia.org/wiki/Secure_Hash_Algorithm">SHA1, SHA2</a>,
87           <a href="https://en.wikipedia.org/wiki/MurmurHash">MurmurHash</a>, <a href="https://en.wikipedia.org/wiki/CityHash">CityHash</a>
88           or its successor <a href="https://code.google.com/p/farmhash/">FarmHash</a> and so on, which
89           converts variable-length strings to fixed-length bit-strings, and use that hash as a key in \p %FeldmanHashSet.
90         - \p %FeldmanHashSet uses a perfect hashing. It means that if two different keys, for example, of type \p std::string,
91           have identical hash then you cannot insert both that keys in the set. \p %FeldmanHashSet does not maintain the key,
92           it maintains its fixed-size hash value.
93
94         The set supports @ref cds_container_FeldmanHashSet_iterators "bidirectional thread-safe iterators".
95
96         Template parameters:
97         - \p GC - safe memory reclamation schema. Can be \p gc::HP, \p gc::DHP or one of \ref cds_urcu_type "RCU type"
98         - \p T - a value type to be stored in the set
99         - \p Traits - type traits, the structure based on \p feldman_hashset::traits or result of \p feldman_hashset::make_traits metafunction.
100             \p Traits is the mandatory argument because it has one mandatory type - an @ref feldman_hashset::traits::hash_accessor "accessor"
101             to hash value of \p T. The set algorithm does not calculate that hash value.
102
103         There are several specializations of \p %FeldmanHashSet for each \p GC. You should include:
104         - <tt><cds/container/feldman_hashset_hp.h></tt> for \p gc::HP garbage collector
105         - <tt><cds/container/feldman_hashset_dhp.h></tt> for \p gc::DHP garbage collector
106         - <tt><cds/container/feldman_hashset_rcu.h></tt> for \ref cds_intrusive_FeldmanHashSet_rcu "RCU type". RCU specialization
107             has a slightly different interface.
108     */
109     template <
110         class GC
111         , typename T
112 #ifdef CDS_DOXYGEN_INVOKED
113         , class Traits = feldman_hashset::traits
114 #else
115         , class Traits
116 #endif
117     >
118     class FeldmanHashSet
119 #ifdef CDS_DOXYGEN_INVOKED
120         : protected cds::intrusive::FeldmanHashSet< GC, T, Traits >
121 #else
122         : protected cds::container::details::make_feldman_hashset< GC, T, Traits >::type
123 #endif
124     {
125         //@cond
126         typedef cds::container::details::make_feldman_hashset< GC, T, Traits > maker;
127         typedef typename maker::type base_class;
128         //@endcond
129
130     public:
131         typedef GC      gc;         ///< Garbage collector
132         typedef T       value_type; ///< type of value stored in the set
133         typedef Traits  traits;     ///< Traits template parameter, see \p feldman_hashset::traits
134
135         typedef typename base_class::hash_accessor hash_accessor; ///< Hash accessor functor
136         typedef typename base_class::hash_type hash_type; ///< Hash type deduced from \p hash_accessor return type
137         typedef typename base_class::hash_comparator hash_comparator; ///< hash compare functor based on \p opt::compare and \p opt::less option setter
138
139         typedef typename traits::item_counter   item_counter;   ///< Item counter type
140         typedef typename traits::allocator      allocator;      ///< Element allocator
141         typedef typename traits::node_allocator node_allocator; ///< Array node allocator
142         typedef typename traits::memory_model   memory_model;   ///< Memory model
143         typedef typename traits::back_off       back_off;       ///< Backoff strategy
144         typedef typename traits::stat           stat;           ///< Internal statistics type
145
146         typedef typename gc::template guarded_ptr< value_type > guarded_ptr; ///< Guarded pointer
147
148         /// Count of hazard pointers required
149         static CDS_CONSTEXPR size_t const c_nHazardPtrCount = base_class::c_nHazardPtrCount;
150
151         /// Level statistics
152         typedef feldman_hashset::level_statistics level_statistics;
153
154     protected:
155         //@cond
156         typedef typename maker::cxx_node_allocator cxx_node_allocator;
157         typedef std::unique_ptr< value_type, typename maker::node_disposer > scoped_node_ptr;
158         //@endcond
159
160     public:
161     ///@name Thread-safe iterators
162     ///@{
163         /// Bidirectional iterator
164         /** @anchor cds_container_FeldmanHashSet_iterators
165             The set supports thread-safe iterators: you may iterate over the set in multi-threaded environment.
166             It is guaranteed that the iterators will remain valid even if another thread deletes the node the iterator points to:
167             Hazard Pointer embedded into the iterator object protects the node from physical reclamation.
168
169             @note Since the iterator object contains hazard pointer that is a thread-local resource,
170             the iterator should not be passed to another thread.
171
172             Each iterator object supports the following interface:
173             - dereference operators:
174                 @code
175                 value_type [const] * operator ->() noexcept
176                 value_type [const] & operator *() noexcept
177                 @endcode
178             - pre-increment and pre-decrement. Post-operators is not supported
179             - equality operators <tt>==</tt> and <tt>!=</tt>.
180                 Iterators are equal iff they point to the same cell of the same array node.
181                 Note that for two iterators \p it1 and \p it2, the conditon <tt> it1 == it2 </tt>
182                 does not entail <tt> &(*it1) == &(*it2) </tt>
183             - helper member function \p release() that clears internal hazard pointer.
184                 After \p release() the iterator points to \p nullptr but it still remain valid: further iterating is possible.
185
186             During iteration you may safely erase any item from the set;
187             @ref erase_at() function call doesn't invalidate any iterator.
188             If some iterator points to the item to be erased, that item is not deleted immediately
189             but only after that iterator will be advanced forward or backward.
190
191             @note It is possible the item can be iterated more that once, for example, if an iterator points to the item
192             in array node that is being splitted.
193         */
194         typedef typename base_class::iterator               iterator;
195         typedef typename base_class::const_iterator         const_iterator; ///< @ref cds_container_FeldmanHashSet_iterators "bidirectional const iterator" type
196         typedef typename base_class::reverse_iterator       reverse_iterator;       ///< @ref cds_container_FeldmanHashSet_iterators "bidirectional reverse iterator" type
197         typedef typename base_class::const_reverse_iterator const_reverse_iterator; ///< @ref cds_container_FeldmanHashSet_iterators "bidirectional reverse const iterator" type
198
199         /// Returns an iterator to the beginning of the set
200         iterator begin()
201         {
202             return base_class::begin();
203         }
204
205         /// Returns an const iterator to the beginning of the set
206         const_iterator begin() const
207         {
208             return base_class::begin();
209         }
210
211         /// Returns an const iterator to the beginning of the set
212         const_iterator cbegin()
213         {
214             return base_class::cbegin();
215         }
216
217         /// Returns an iterator to the element following the last element of the set. This element acts as a placeholder; attempting to access it results in undefined behavior.
218         iterator end()
219         {
220             return base_class::end();
221         }
222
223         /// Returns a const iterator to the element following the last element of the set. This element acts as a placeholder; attempting to access it results in undefined behavior.
224         const_iterator end() const
225         {
226             return base_class::end();
227         }
228
229         /// Returns a const iterator to the element following the last element of the set. This element acts as a placeholder; attempting to access it results in undefined behavior.
230         const_iterator cend()
231         {
232             return base_class::cend();
233         }
234
235         /// Returns a reverse iterator to the first element of the reversed set
236         reverse_iterator rbegin()
237         {
238             return base_class::rbegin();
239         }
240
241         /// Returns a const reverse iterator to the first element of the reversed set
242         const_reverse_iterator rbegin() const
243         {
244             return base_class::rbegin();
245         }
246
247         /// Returns a const reverse iterator to the first element of the reversed set
248         const_reverse_iterator crbegin()
249         {
250             return base_class::crbegin();
251         }
252
253         /// Returns a reverse iterator to the element following the last element of the reversed set
254         /**
255             It corresponds to the element preceding the first element of the non-reversed container.
256             This element acts as a placeholder, attempting to access it results in undefined behavior.
257         */
258         reverse_iterator rend()
259         {
260             return base_class::rend();
261         }
262
263         /// Returns a const reverse iterator to the element following the last element of the reversed set
264         /**
265             It corresponds to the element preceding the first element of the non-reversed container.
266             This element acts as a placeholder, attempting to access it results in undefined behavior.
267         */
268         const_reverse_iterator rend() const
269         {
270             return base_class::rend();
271         }
272
273         /// Returns a const reverse iterator to the element following the last element of the reversed set
274         /**
275             It corresponds to the element preceding the first element of the non-reversed container.
276             This element acts as a placeholder, attempting to access it results in undefined behavior.
277         */
278         const_reverse_iterator crend()
279         {
280             return base_class::crend();
281         }
282     ///@}
283
284     public:
285         /// Creates empty set
286         /**
287             @param head_bits: 2<sup>head_bits</sup> specifies the size of head array, minimum is 4.
288             @param array_bits: 2<sup>array_bits</sup> specifies the size of array node, minimum is 2.
289
290             Equation for \p head_bits and \p array_bits:
291             \code
292             sizeof(hash_type) * 8 == head_bits + N * array_bits
293             \endcode
294             where \p N is multi-level array depth.
295         */
296         FeldmanHashSet( size_t head_bits = 8, size_t array_bits = 4 )
297             : base_class( head_bits, array_bits )
298         {}
299
300         /// Destructs the set and frees all data
301         ~FeldmanHashSet()
302         {}
303
304         /// Inserts new element
305         /**
306             The function creates an element with copy of \p val value and then inserts it into the set.
307
308             The type \p Q should contain as minimum the complete hash for the element.
309             The object of \ref value_type should be constructible from a value of type \p Q.
310             In trivial case, \p Q is equal to \ref value_type.
311
312             Returns \p true if \p val is inserted into the set, \p false otherwise.
313         */
314         template <typename Q>
315         bool insert( Q const& val )
316         {
317             scoped_node_ptr sp( cxx_node_allocator().New( val ));
318             if ( base_class::insert( *sp )) {
319                 sp.release();
320                 return true;
321             }
322             return false;
323         }
324
325         /// Inserts new element
326         /**
327             The function allows to split creating of new item into two part:
328             - create item with key only
329             - insert new item into the set
330             - if inserting is success, calls \p f functor to initialize value-fields of \p val.
331
332             The functor signature is:
333             \code
334                 void func( value_type& val );
335             \endcode
336             where \p val is the item inserted. User-defined functor \p f should guarantee that during changing
337             \p val no any other changes could be made on this set's item by concurrent threads.
338             The user-defined functor is called only if the inserting is success.
339         */
340         template <typename Q, typename Func>
341         bool insert( Q const& val, Func f )
342         {
343             scoped_node_ptr sp( cxx_node_allocator().New( val ));
344             if ( base_class::insert( *sp, f )) {
345                 sp.release();
346                 return true;
347             }
348             return false;
349         }
350
351         /// Updates the element
352         /**
353             The operation performs inserting or replacing with lock-free manner.
354
355             If the \p val key not found in the set, then the new item created from \p val
356             will be inserted into the set iff \p bInsert is \p true.
357             Otherwise, if \p val is found, it is replaced with new item created from \p val
358             and previous item is disposed.
359             In both cases \p func functor is called.
360
361             The functor \p Func signature:
362             \code
363                 struct my_functor {
364                     void operator()( value_type& cur, value_type * prev );
365                 };
366             \endcode
367             where:
368             - \p cur - current element
369             - \p prev - pointer to previous element with such hash. \p prev is \p nullptr
370                  if \p cur was just inserted.
371
372             The functor may change non-key fields of the \p item; however, \p func must guarantee
373             that during changing no any other modifications could be made on this item by concurrent threads.
374
375             Returns <tt> std::pair<bool, bool> </tt> where \p first is \p true if operation is successful,
376             i.e. the item has been inserted or updated,
377             \p second is \p true if the new item has been added or \p false if the item with key equal to \p val
378             already exists.
379         */
380         template <typename Q, typename Func>
381         std::pair<bool, bool> update( Q const& val, Func func, bool bInsert = true )
382         {
383             scoped_node_ptr sp( cxx_node_allocator().New( val ));
384             std::pair<bool, bool> bRes = base_class::do_update( *sp, func, bInsert );
385             if ( bRes.first )
386                 sp.release();
387             return bRes;
388         }
389
390         /// Inserts data of type \p value_type created in-place from <tt>std::forward<Args>(args)...</tt>
391         /**
392             Returns \p true if inserting successful, \p false otherwise.
393         */
394         template <typename... Args>
395         bool emplace( Args&&... args )
396         {
397             scoped_node_ptr sp( cxx_node_allocator().MoveNew( std::forward<Args>(args)... ));
398             if ( base_class::insert( *sp )) {
399                 sp.release();
400                 return true;
401             }
402             return false;
403         }
404
405         /// Deletes the item from the set
406         /**
407             The function searches \p hash in the set,
408             deletes the item found, and returns \p true.
409             If that item is not found the function returns \p false.
410         */
411         bool erase( hash_type const& hash )
412         {
413             return base_class::erase( hash );
414         }
415
416         /// Deletes the item from the set
417         /**
418             The function searches \p hash in the set,
419             call \p f functor with item found, and deltes the element from the set.
420
421             The \p Func interface is
422             \code
423             struct functor {
424                 void operator()( value_type& item );
425             };
426             \endcode
427
428             If \p hash is not found the function returns \p false.
429         */
430         template <typename Func>
431         bool erase( hash_type const& hash, Func f )
432         {
433             return base_class::erase( hash, f );
434         }
435
436         /// Deletes the item pointed by iterator \p iter
437         /**
438             Returns \p true if the operation is successful, \p false otherwise.
439
440             The function does not invalidate the iterator, it remains valid and can be used for further traversing.
441         */
442         bool erase_at( iterator const& iter )
443         {
444             return base_class::erase_at( iter );
445         }
446         //@cond
447         bool erase_at( reverse_iterator const& iter )
448         {
449             return base_class::erase_at( iter );
450         }
451         //@endcond
452
453         /// Extracts the item with specified \p hash
454         /**
455             The function searches \p hash in the set,
456             unlinks it from the set, and returns a guarded pointer to the item extracted.
457             If \p hash is not found the function returns an empty guarded pointer.
458
459             The item returned is reclaimed by garbage collector \p GC
460             when returned \ref guarded_ptr object to be destroyed or released.
461             @note Each \p guarded_ptr object uses the GC's guard that can be limited resource.
462
463             Usage:
464             \code
465             typedef cds::container::FeldmanHashSet< your_template_args > my_set;
466             my_set theSet;
467             // ...
468             {
469                 my_set::guarded_ptr gp( theSet.extract( 5 ));
470                 if ( gp ) {
471                     // Deal with gp
472                     // ...
473                 }
474                 // Destructor of gp releases internal HP guard
475             }
476             \endcode
477         */
478         guarded_ptr extract( hash_type const& hash )
479         {
480             return base_class::extract( hash );
481         }
482
483         /// Finds an item by it's \p hash
484         /**
485             The function searches the item by \p hash and calls the functor \p f for item found.
486             The interface of \p Func functor is:
487             \code
488             struct functor {
489                 void operator()( value_type& item );
490             };
491             \endcode
492             where \p item is the item found.
493
494             The functor may change non-key fields of \p item. Note that the functor is only guarantee
495             that \p item cannot be disposed during the functor is executing.
496             The functor does not serialize simultaneous access to the set's \p item. If such access is
497             possible you must provide your own synchronization schema on item level to prevent unsafe item modifications.
498
499             The function returns \p true if \p hash is found, \p false otherwise.
500         */
501         template <typename Func>
502         bool find( hash_type const& hash, Func f )
503         {
504             return base_class::find( hash, f );
505         }
506
507         /// Checks whether the set contains \p hash
508         /**
509             The function searches the item by its \p hash
510             and returns \p true if it is found, or \p false otherwise.
511         */
512         bool contains( hash_type const& hash )
513         {
514             return base_class::contains( hash );
515         }
516
517         /// Finds an item by it's \p hash and returns the item found
518         /**
519             The function searches the item by its \p hash
520             and returns the guarded pointer to the item found.
521             If \p hash is not found the function returns an empty \p guarded_ptr.
522
523             @note Each \p guarded_ptr object uses one GC's guard which can be limited resource.
524
525             Usage:
526             \code
527             typedef cds::container::FeldmanHashSet< your_template_params >  my_set;
528             my_set theSet;
529             // ...
530             {
531                 my_set::guarded_ptr gp( theSet.get( 5 ));
532                 if ( theSet.get( 5 )) {
533                     // Deal with gp
534                     //...
535                 }
536                 // Destructor of guarded_ptr releases internal HP guard
537             }
538             \endcode
539         */
540         guarded_ptr get( hash_type const& hash )
541         {
542             return base_class::get( hash );
543         }
544
545         /// Clears the set (non-atomic)
546         /**
547             The function unlink all data node from the set.
548             The function is not atomic but is thread-safe.
549             After \p %clear() the set may not be empty because another threads may insert items.
550         */
551         void clear()
552         {
553             base_class::clear();
554         }
555
556         /// Checks if the set is empty
557         /**
558             Emptiness is checked by item counting: if item count is zero then the set is empty.
559             Thus, the correct item counting feature is an important part of the set implementation.
560         */
561         bool empty() const
562         {
563             return base_class::empty();
564         }
565
566         /// Returns item count in the set
567         size_t size() const
568         {
569             return base_class::size();
570         }
571
572         /// Returns const reference to internal statistics
573         stat const& statistics() const
574         {
575             return base_class::statistics();
576         }
577
578         /// Returns the size of head node
579         size_t head_size() const
580         {
581             return base_class::head_size();
582         }
583
584         /// Returns the size of the array node
585         size_t array_node_size() const
586         {
587             return base_class::array_node_size();
588         }
589
590         /// Collects tree level statistics into \p stat
591         /**
592             The function traverses the set and collects statistics for each level of the tree
593             into \p feldman_hashset::level_statistics struct. The element of \p stat[i]
594             represents statistics for level \p i, level 0 is head array.
595             The function is thread-safe and may be called in multi-threaded environment.
596
597             Result can be useful for estimating efficiency of hash functor you use.
598         */
599         void get_level_statistics(std::vector< feldman_hashset::level_statistics>& stat) const
600         {
601             base_class::get_level_statistics(stat);
602         }
603     };
604
605 }} // namespace cds::container
606
607 #endif // #ifndef CDSLIB_CONTAINER_IMPL_FELDMAN_HASHSET_H