[SkipList] Added random-lvel generators for max height 32/24/16
[libcds.git] / cds / intrusive / details / skip_list_base.h
index 00ddad257df6a99cdcbffe64497f0cd10fccecba..c902c770f5a473bf82043e88a4d106e624eaf732 100644 (file)
@@ -1,7 +1,7 @@
 /*
     This file is a part of libcds - Concurrent Data Structures library
 
-    (C) Copyright Maxim Khizhinsky (libcds.dev@gmail.com) 2006-2016
+    (C) Copyright Maxim Khizhinsky (libcds.dev@gmail.com) 2006-2017
 
     Source code repo: http://github.com/khizmax/libcds/
     Download: http://sourceforge.net/projects/libcds/files/
@@ -62,32 +62,38 @@ namespace cds { namespace intrusive {
             typedef typename gc::template atomic_marked_ptr< marked_ptr>  atomic_marked_ptr; ///< atomic marked pointer specific for GC
             //@cond
             typedef atomic_marked_ptr tower_item_type;
+
             //@endcond
 
         protected:
-            atomic_marked_ptr       m_pNext;   ///< Next item in bottom-list (list at level 0)
-            unsigned int            m_nHeight; ///< Node height (size of m_arrNext array). For node at level 0 the height is 1.
-            atomic_marked_ptr *     m_arrNext; ///< Array of next items for levels 1 .. m_nHeight - 1. For node at level 0 \p m_arrNext is \p nullptr
+            //@cond
+            atomic_marked_ptr           m_pNext;     ///< Next item in bottom-list (list at level 0)
+            unsigned int                m_nHeight;   ///< Node height (size of \p m_arrNext array). For node at level 0 the height is 1.
+            atomic_marked_ptr *         m_arrNext;   ///< Array of next items for levels 1 .. m_nHeight - 1. For node at level 0 \p m_arrNext is \p nullptr
+            atomics::atomic<unsigned int> m_nUnlink; ///< Unlink helper
+            //@endcond
 
         public:
-            /// Constructs a node of height 1 (a bottom-list node)
             node()
                 : m_pNext( nullptr )
-                , m_nHeight(1)
+                , m_nHeight( 1 )
                 , m_arrNext( nullptr )
-            {}
+            {
+                m_nUnlink.store( 1, atomics::memory_order_release );
+            }
 
-            /// Constructs a node of height \p nHeight
+
+            /// Constructs a node's tower of height \p nHeight
             void make_tower( unsigned int nHeight, atomic_marked_ptr * nextTower )
             {
                 assert( nHeight > 0 );
-                assert( (nHeight == 1 && nextTower == nullptr)  // bottom-list node
-                        || (nHeight > 1 && nextTower != nullptr)   // node at level of more than 0
+                assert( (nHeight == 1 && nextTower == nullptr)      // bottom-list node
+                        || (nHeight > 1 && nextTower != nullptr)    // node at level of more than 0
                 );
 
                 m_arrNext = nextTower;
                 m_nHeight = nHeight;
-                atomics::atomic_thread_fence( atomics::memory_order_release );
+                m_nUnlink.store( nHeight, atomics::memory_order_release );
             }
 
             //@cond
@@ -116,7 +122,13 @@ namespace cds { namespace intrusive {
                 assert( nLevel < height());
                 assert( nLevel == 0 || (nLevel > 0 && m_arrNext != nullptr));
 
-                return nLevel ? m_arrNext[ nLevel - 1] : m_pNext;
+                if ( nLevel ) {
+                    // TSan: data race between m_arrNext[ nLevel - 1 ] and make_tower()
+                    // In fact, m_arrNext is a const array that is never changed
+                    CDS_TSAN_ANNOTATE_HAPPENS_BEFORE( &m_arrNext[ nLevel - 1 ] );
+                    return m_arrNext[nLevel - 1];
+                }
+                return m_pNext;
             }
 
             /// Access to element of next pointer array (const version)
@@ -125,7 +137,11 @@ namespace cds { namespace intrusive {
                 assert( nLevel < height());
                 assert( nLevel == 0 || nLevel > 0 && m_arrNext != nullptr );
 
-                return nLevel ? m_arrNext[ nLevel - 1] : m_pNext;
+                if ( nLevel ) {
+                    CDS_TSAN_ANNOTATE_HAPPENS_BEFORE( &m_arrNext[nLevel - 1] );
+                    return m_arrNext[nLevel - 1];
+                }
+                return m_pNext;
             }
 
             /// Access to element of next pointer array (synonym for \p next() function)
@@ -160,6 +176,16 @@ namespace cds { namespace intrusive {
                     && m_arrNext == nullptr
                     && m_nHeight <= 1;
             }
+
+            bool level_unlinked( unsigned nCount = 1 )
+            {
+                return m_nUnlink.fetch_sub( nCount, atomics::memory_order_relaxed ) == 1;
+            }
+
+            bool is_upper_level( unsigned nLevel ) const
+            {
+                return m_nUnlink.load( atomics::memory_order_relaxed ) == nLevel + 1;
+            }
             //@endcond
         };
 
@@ -249,13 +275,14 @@ namespace cds { namespace intrusive {
                 The generator produces a number from range <tt>[0 .. c_nUpperBound)</tt> (upper bound excluded).
                 \p c_nUpperBound must be no more than 32.
             - <tt>random_generator()</tt> - the constructor of generator object initialises the generator instance (its internal state).
-            - <tt>unsigned int operator()()</tt> - the main generating function. Returns random level from range 0..31.
+            - <tt>unsigned int operator()()</tt> - the main generating function. Returns random level from range <tt>[0 .. c_nUpperBound - 1]</tt>
+               
 
             Stateful generators are supported.
 
             Available \p Type implementations:
-            - \p skip_list::xorshift
-            - \p skip_list::turbo_pascal
+            - \p skip_list::xor_shift
+            - \p skip_list::turbo
         */
         template <typename Type>
         struct random_level_generator {
@@ -270,24 +297,29 @@ namespace cds { namespace intrusive {
 
         /// Xor-shift random level generator
         /**
-            The simplest of the generators described in George
-            Marsaglia's "Xorshift RNGs" paper.  This is not a high-quality
-            generator but is acceptable for skip-list.
+            The simplest of the generators described in George Marsaglia's "Xorshift RNGs" paper.
+            This is not a high-quality generator but is acceptable for skip-list.
 
-            The random generator should return numbers from range [0..31].
+            The random generator should return numbers from range [0 .. MaxHeight - 1].
 
             From Doug Lea's ConcurrentSkipListMap.java.
         */
-        class xorshift {
+        template <unsigned MaxHeight>
+        class xor_shift {
             //@cond
             atomics::atomic<unsigned int>    m_nSeed;
+
+            static_assert( MaxHeight > 1, "MaxHeight" );
+            static_assert( MaxHeight <= c_nHeightLimit, "MaxHeight is too large" );
+            static unsigned int const c_nBitMask = (1u << ( MaxHeight - 1 )) - 1;
             //@endcond
+
         public:
             /// The upper bound of generator's return value. The generator produces random number in range <tt>[0..c_nUpperBound)</tt>
-            static unsigned int const c_nUpperBound = c_nHeightLimit;
+            static unsigned int const c_nUpperBound = MaxHeight;
 
             /// Initializes the generator instance
-            xorshift()
+            xor_shift()
             {
                 m_nSeed.store( (unsigned int) cds::OS::Timer::random_seed(), atomics::memory_order_relaxed );
             }
@@ -313,12 +345,27 @@ namespace cds { namespace intrusive {
                 x ^= x >> 17;
                 x ^= x << 5;
                 m_nSeed.store( x, atomics::memory_order_relaxed );
-                unsigned int nLevel = ((x & 0x00000001) != 0) ? 0 : cds::bitop::LSB( (~(x >> 1)) & 0x7FFFFFFF );
+                unsigned int nLevel = ((x & 0x00000001) != 0) ? 0 : cds::bitop::LSB( (~(x >> 1)) & c_nBitMask );
+
                 assert( nLevel < c_nUpperBound );
                 return nLevel;
             }
         };
 
+        /// Xor-shift random level generator, max height 32
+        typedef xor_shift<c_nHeightLimit> xorshift32;
+
+        //@cond
+        // For backward compatibility
+        typedef xorshift32 xorshift;
+        //@endcond
+
+        /// \ref xor_shift generator, max height 24
+        typedef xor_shift< 24 > xorshift24;
+
+        /// \ref xor_shift generator, max height = 16
+        typedef xor_shift< 16 > xorshift16;
+
         /// Turbo-pascal random level generator
         /**
             This uses a cheap pseudo-random function that was used in Turbo Pascal.
@@ -327,17 +374,22 @@ namespace cds { namespace intrusive {
 
             From Doug Lea's ConcurrentSkipListMap.java.
         */
-        class turbo_pascal
+        template <unsigned MaxHeight>
+        class turbo
         {
             //@cond
             atomics::atomic<unsigned int>    m_nSeed;
+
+            static_assert( MaxHeight > 1, "MaxHeight" );
+            static_assert( MaxHeight <= c_nHeightLimit, "MaxHeight is too large" );
+            static unsigned int const c_nBitMask = (1u << ( MaxHeight - 1 )) - 1;
             //@endcond
         public:
             /// The upper bound of generator's return value. The generator produces random number in range <tt>[0..c_nUpperBound)</tt>
-            static unsigned int const c_nUpperBound = c_nHeightLimit;
+            static unsigned int const c_nUpperBound = MaxHeight;
 
             /// Initializes the generator instance
-            turbo_pascal()
+            turbo()
             {
                 m_nSeed.store( (unsigned int) cds::OS::Timer::random_seed(), atomics::memory_order_relaxed );
             }
@@ -364,12 +416,27 @@ namespace cds { namespace intrusive {
                 */
                 unsigned int x = m_nSeed.load( atomics::memory_order_relaxed ) * 134775813 + 1;
                 m_nSeed.store( x, atomics::memory_order_relaxed );
-                unsigned int nLevel = ( x & 0x80000000 ) ? (31 - cds::bitop::MSBnz( (x & 0x7FFFFFFF) | 1 )) : 0;
+                unsigned int nLevel = ( x & 0x80000000 ) ? ( c_nUpperBound - 1 - cds::bitop::MSBnz( (x & c_nBitMask ) | 1 )) : 0;
+
                 assert( nLevel < c_nUpperBound );
                 return nLevel;
             }
         };
 
+        /// Turbo-Pascal random level generator, max height 32
+        typedef turbo<c_nHeightLimit> turbo32;
+
+        //@cond
+        // For backward compatibility
+        typedef turbo32 turbo_pascal;
+        //@endcond
+
+        /// Turbo-Pascal generator, max height 24
+        typedef turbo< 24 > turbo24;
+
+        /// Turbo-Pascal generator, max height 16
+        typedef turbo< 16 > turbo16;
+
         /// \p SkipListSet internal statistics
         template <typename EventCounter = cds::atomicity::event_counter>
         struct stat {
@@ -392,8 +459,8 @@ namespace cds { namespace intrusive {
             event_counter   m_nFindSlowSuccess      ; ///< Count of successful call of \p find and all derivatives (via slow-path)
             event_counter   m_nFindSlowFailed       ; ///< Count of failed call of \p find and all derivatives (via slow-path)
             event_counter   m_nRenewInsertPosition  ; ///< Count of renewing position events while inserting
-            event_counter   m_nLogicDeleteWhileInsert   ;   ///< Count of events "The node has been logically deleted while inserting"
-            event_counter   m_nNotFoundWhileInsert  ; ///< Count of events "Inserting node is not found"
+            event_counter   m_nLogicDeleteWhileInsert; ///< Count of events "The node has been logically deleted while inserting"
+            event_counter   m_nRemoveWhileInsert    ; ///< Count of evnts "The node is removing while inserting"
             event_counter   m_nFastErase            ; ///< Fast erase event counter
             event_counter   m_nFastExtract          ; ///< Fast extract event counter
             event_counter   m_nSlowErase            ; ///< Slow erase event counter
@@ -409,6 +476,8 @@ namespace cds { namespace intrusive {
             event_counter   m_nExtractMaxRetries    ; ///< Count of retries of \p extract_max call
             event_counter   m_nEraseWhileFind       ; ///< Count of erased item while searching
             event_counter   m_nExtractWhileFind     ; ///< Count of extracted item while searching (RCU only)
+            event_counter   m_nMarkFailed           ; ///< Count of failed node marking (logical deletion mark)
+            event_counter   m_nEraseContention      ; ///< Count of key erasing contention encountered
 
             //@cond
             void onAddNode( unsigned int nHeight )
@@ -440,7 +509,7 @@ namespace cds { namespace intrusive {
             void onExtractWhileFind()       { ++m_nExtractWhileFind ; }
             void onRenewInsertPosition()    { ++m_nRenewInsertPosition; }
             void onLogicDeleteWhileInsert() { ++m_nLogicDeleteWhileInsert; }
-            void onNotFoundWhileInsert()    { ++m_nNotFoundWhileInsert; }
+            void onRemoveWhileInsert()      { ++m_nRemoveWhileInsert; }
             void onFastErase()              { ++m_nFastErase;         }
             void onFastExtract()            { ++m_nFastExtract;       }
             void onSlowErase()              { ++m_nSlowErase;         }
@@ -454,7 +523,8 @@ namespace cds { namespace intrusive {
             void onExtractMaxSuccess()      { ++m_nExtractMaxSuccess; }
             void onExtractMaxFailed()       { ++m_nExtractMaxFailed;  }
             void onExtractMaxRetry()        { ++m_nExtractMaxRetries; }
-
+            void onMarkFailed()             { ++m_nMarkFailed;        }
+            void onEraseContention()        { ++m_nEraseContention;   }
             //@endcond
         };
 
@@ -481,7 +551,7 @@ namespace cds { namespace intrusive {
             void onExtractWhileFind()       const {}
             void onRenewInsertPosition()    const {}
             void onLogicDeleteWhileInsert() const {}
-            void onNotFoundWhileInsert()    const {}
+            void onRemoveWhileInsert()      const {}
             void onFastErase()              const {}
             void onFastExtract()            const {}
             void onSlowErase()              const {}
@@ -495,7 +565,8 @@ namespace cds { namespace intrusive {
             void onExtractMaxSuccess()      const {}
             void onExtractMaxFailed()       const {}
             void onExtractMaxRetry()        const {}
-
+            void onMarkFailed()             const {}
+            void onEraseContention()        const {}
             //@endcond
         };
 
@@ -561,7 +632,7 @@ namespace cds { namespace intrusive {
 
                 See \p skip_list::random_level_generator option setter.
             */
-            typedef turbo_pascal                    random_level_generator;
+            typedef turbo32 random_level_generator;
 
             /// Allocator
             /**
@@ -612,9 +683,9 @@ namespace cds { namespace intrusive {
                 To enable it use \p atomicity::item_counter
             - \p opt::memory_model - C++ memory ordering model. Can be \p opt::v::relaxed_ordering (relaxed memory model, the default)
                 or \p opt::v::sequential_consistent (sequentially consisnent memory model).
-            - \p skip_list::random_level_generator - random level generator. Can be \p skip_list::xorshift,
-                \p skip_list::turbo_pascal (the default) or
-                user-provided one. See \p skip_list::random_level_generator option description for explanation.
+            - \p skip_list::random_level_generator - random level generator. Can be \p skip_list::xor_shift,
+                \p skip_list::turbo32 (the default) or user-provided one. 
+                See \p skip_list::random_level_generator option description for explanation.
             - \p opt::allocator - although the skip-list is an intrusive container,
                 an allocator should be provided to maintain variable randomly-calculated height of the node
                 since the node can contain up to 32 next pointers. The allocator option is used to allocate an array of next pointers