EllenBinTreeMap, EllenBinTreeSet:
[libcds.git] / cds / container / ellen_bintree_map_rcu.h
1 //$$CDS-header$$
2
3 #ifndef CDSLIB_CONTAINER_ELLEN_BINTREE_MAP_RCU_H
4 #define CDSLIB_CONTAINER_ELLEN_BINTREE_MAP_RCU_H
5
6 #include <cds/container/details/ellen_bintree_base.h>
7 #include <cds/intrusive/ellen_bintree_rcu.h>
8
9 namespace cds { namespace container {
10
11     /// Map based on Ellen's et al binary search tree (RCU specialization)
12     /** @ingroup cds_nonintrusive_map
13         @ingroup cds_nonintrusive_tree
14         @anchor cds_container_EllenBinTreeMap_rcu
15
16         Source:
17             - [2010] F.Ellen, P.Fatourou, E.Ruppert, F.van Breugel "Non-blocking Binary Search Tree"
18
19         %EllenBinTreeMap is an unbalanced leaf-oriented binary search tree that implements the <i>map</i>
20         abstract data type. Nodes maintains child pointers but not parent pointers.
21         Every internal node has exactly two children, and all data of type <tt>std::pair<Key const, T></tt>
22         currently in the tree are stored in the leaves. Internal nodes of the tree are used to direct \p find
23         operation along the path to the correct leaf. The keys (of \p Key type) stored in internal nodes
24         may or may not be in the map.
25         Unlike \ref cds_container_EllenBinTreeSet_rcu "EllenBinTreeSet" keys are not a part of \p T type.
26         The map can be represented as a set containing <tt>std::pair< Key const, T> </tt> values.
27
28         Due to \p extract_min and \p extract_max member functions the \p %EllenBinTreeMap can act as
29         a <i>priority queue</i>. In this case you should provide unique compound key, for example,
30         the priority value plus some uniformly distributed random value.
31
32         @warning Recall the tree is <b>unbalanced</b>. The complexity of operations is <tt>O(log N)</tt>
33         for uniformly distributed random keys, but in worst case the complexity is <tt>O(N)</tt>.
34
35         @note In the current implementation we do not use helping technique described in original paper.
36         So, the current implementation is near to fine-grained lock-based tree.
37         Helping will be implemented in future release
38
39         <b>Template arguments</b> :
40         - \p RCU - one of \ref cds_urcu_gc "RCU type"
41         - \p Key - key type
42         - \p T - value type to be stored in tree's leaf nodes.
43         - \p Traits - map traits, default is \p ellen_bintree::traits.
44             It is possible to declare option-based tree with \p ellen_bintree::make_map_traits metafunction
45             instead of \p Traits template argument.
46
47         @note Before including <tt><cds/container/ellen_bintree_map_rcu.h></tt> you should include appropriate RCU header file,
48         see \ref cds_urcu_gc "RCU type" for list of existing RCU class and corresponding header files.
49     */
50     template <
51         class RCU,
52         typename Key,
53         typename T,
54 #ifdef CDS_DOXYGEN_INVOKED
55         class Traits = ellen_bintree::traits
56 #else
57         class Traits
58 #endif
59     >
60     class EllenBinTreeMap< cds::urcu::gc<RCU>, Key, T, Traits >
61 #ifdef CDS_DOXYGEN_INVOKED
62         : public cds::intrusive::EllenBinTree< cds::urcu::gc<RCU>, Key, T, Traits >
63 #else
64         : public ellen_bintree::details::make_ellen_bintree_map< cds::urcu::gc<RCU>, Key, T, Traits >::type
65 #endif
66     {
67         //@cond
68         typedef ellen_bintree::details::make_ellen_bintree_map< cds::urcu::gc<RCU>, Key, T, Traits > maker;
69         typedef typename maker::type base_class;
70         //@endcond
71     public:
72         typedef cds::urcu::gc<RCU>  gc;   ///< RCU Garbage collector
73         typedef Key     key_type;    ///< type of a key stored in the map
74         typedef T       mapped_type; ///< type of value stored in the map
75         typedef std::pair< key_type const, mapped_type >    value_type;   ///< Key-value pair stored in leaf node of the mp
76         typedef Traits  traits;      ///< Traits template parameter
77
78 #   ifdef CDS_DOXYGEN_INVOKED
79         typedef implementation_defined key_comparator  ;    ///< key compare functor based on \p Traits::compare and \p Traits::less
80 #   else
81         typedef typename maker::intrusive_traits::compare   key_comparator;
82 #   endif
83         typedef typename base_class::item_counter           item_counter;       ///< Item counting policy
84         typedef typename base_class::memory_model           memory_model;       ///< Memory ordering, see \p cds::opt::memory_model option
85         typedef typename base_class::node_allocator         node_allocator_type; ///< allocator for maintaining internal node
86         typedef typename base_class::stat                   stat;               ///< internal statistics
87         typedef typename base_class::rcu_check_deadlock     rcu_check_deadlock; ///< Deadlock checking policy
88         typedef typename traits::copy_policy                copy_policy;        ///< key copy policy
89         typedef typename traits::back_off                   back_off;           ///< Back-off strategy
90
91         typedef typename traits::allocator                  allocator_type;        ///< Allocator for leaf nodes
92         typedef typename base_class::node_allocator         node_allocator;        ///< Internal node allocator
93         typedef typename base_class::update_desc_allocator  update_desc_allocator; ///< Update descriptor allocator
94
95         static CDS_CONSTEXPR const bool c_bExtractLockExternal = base_class::c_bExtractLockExternal; ///< Group of \p extract_xxx functions do not require external locking
96
97         //@cond
98         typedef cds::container::ellen_bintree::implementation_tag implementation_tag;
99         //@endcond
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         typedef typename gc::scoped_lock    rcu_lock ;  ///< RCU scoped lock
114
115         /// pointer to extracted node
116         using exempt_ptr = cds::urcu::exempt_ptr < gc, leaf_node, value_type, typename maker::intrusive_traits::disposer,
117             cds::urcu::details::conventional_exempt_member_cast < leaf_node, value_type >
118         >;
119
120     public:
121         /// Default constructor
122         EllenBinTreeMap()
123             : base_class()
124         {}
125
126         /// Clears the map
127         ~EllenBinTreeMap()
128         {}
129
130         /// Inserts new node with key and default value
131         /**
132             The function creates a node with \p key and default value, and then inserts the node created into the map.
133
134             Preconditions:
135             - The \p key_type should be constructible from a value of type \p K.
136             - The \p mapped_type should be default-constructible.
137
138             RCU \p synchronize() can be called. RCU should not be locked.
139
140             Returns \p true if inserting successful, \p false otherwise.
141         */
142         template <typename K>
143         bool insert( K const& key )
144         {
145             return insert_with( key, [](value_type&){} );
146         }
147
148         /// Inserts new node
149         /**
150             The function creates a node with copy of \p val value
151             and then inserts the node created into the map.
152
153             Preconditions:
154             - The \p key_type should be constructible from \p key of type \p K.
155             - The \p value_type should be constructible from \p val of type \p V.
156
157             RCU \p synchronize() method can be called. RCU should not be locked.
158
159             Returns \p true if \p val is inserted into the map, \p false otherwise.
160         */
161         template <typename K, typename V>
162         bool insert( K const& key, V const& val )
163         {
164             scoped_node_ptr pNode( cxx_leaf_node_allocator().New( key, val ));
165             if ( base_class::insert( *pNode ))
166             {
167                 pNode.release();
168                 return true;
169             }
170             return false;
171         }
172
173         /// Inserts new node and initialize it by a functor
174         /**
175             This function inserts new node with key \p key and if inserting is successful then it calls
176             \p func functor with signature
177             \code
178                 struct functor {
179                     void operator()( value_type& item );
180                 };
181             \endcode
182
183             The argument \p item of user-defined functor \p func is the reference
184             to the map's item inserted:
185                 - <tt>item.first</tt> is a const reference to item's key that cannot be changed.
186                 - <tt>item.second</tt> is a reference to item's value that may be changed.
187
188             The key_type should be constructible from value of type \p K.
189
190             The function allows to split creating of new item into two part:
191             - create item from \p key;
192             - insert new item into the map;
193             - if inserting is successful, initialize the value of item by calling \p func functor
194
195             This can be useful if complete initialization of object of \p value_type is heavyweight and
196             it is preferable that the initialization should be completed only if inserting is successful.
197
198             RCU \p synchronize() method can be called. RCU should not be locked.
199         */
200         template <typename K, typename Func>
201         bool insert_with( K const& key, Func func )
202         {
203             scoped_node_ptr pNode( cxx_leaf_node_allocator().New( key ));
204             if ( base_class::insert( *pNode, [&func]( leaf_node& item ) { func( item.m_Value ); } )) {
205                 pNode.release();
206                 return true;
207             }
208             return false;
209         }
210
211         /// For key \p key inserts data of type \p value_type created in-place from \p args
212         /**
213             Returns \p true if inserting successful, \p false otherwise.
214
215             RCU \p synchronize() method can be called. RCU should not be locked.
216         */
217         template <typename K, typename... Args>
218         bool emplace( K&& key, Args&&... args )
219         {
220             scoped_node_ptr pNode( cxx_leaf_node_allocator().New( std::forward<K>(key), std::forward<Args>(args)... ));
221             if ( base_class::insert( *pNode )) {
222                 pNode.release();
223                 return true;
224             }
225             return false;
226         }
227
228         /// Updates the node
229         /**
230             The operation performs inserting or changing data with lock-free manner.
231
232             If the item \p val is not found in the map, then \p val is inserted iff \p bAllowInsert is \p true.
233             Otherwise, the functor \p func is called with item found.
234             The functor \p func signature is:
235             \code
236                 struct my_functor {
237                     void operator()( bool bNew, value_type& item );
238                 };
239             \endcode
240
241             with arguments:
242             - \p bNew - \p true if the item has been inserted, \p false otherwise
243             - \p item - item of the map
244
245             The functor may change any fields of the \p item.second that is \p mapped_type;
246             however, \p func must guarantee that during changing no any other modifications
247             could be made on this item by concurrent threads.
248
249             RCU \p synchronize() method can be called. RCU should not be locked.
250
251             Returns std::pair<bool, bool> where \p first is \p true if operation is successfull,
252             i.e. the node has been inserted or updated,
253             \p second is \p true if new item has been added or \p false if the item with \p key
254             already exists.
255
256             @warning See \ref cds_intrusive_item_creating "insert item troubleshooting"
257         */
258         template <typename K, typename Func>
259         std::pair<bool, bool> update( K const& key, Func func, bool bAllowInsert = true )
260         {
261             scoped_node_ptr pNode( cxx_leaf_node_allocator().New( key ));
262             std::pair<bool, bool> res = base_class::update( *pNode,
263                 [&func](bool bNew, leaf_node& item, leaf_node const& ){ func( bNew, item.m_Value ); },
264                 bAllowInsert
265             );
266             if ( res.first && res.second )
267                 pNode.release();
268             return res;
269         }
270         //@cond
271         // Deprecated, use update()
272         template <typename K, typename Func>
273         std::pair<bool, bool> ensure( K const& key, Func func )
274         {
275             return update( key, func, true );
276         }
277         //@endcond
278
279         /// Delete \p key from the map
280         /**\anchor cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_rcu_erase_val
281
282             RCU \p synchronize() method can be called. RCU should not be locked.
283
284             Return \p true if \p key is found and deleted, \p false otherwise
285         */
286         template <typename K>
287         bool erase( K const& key )
288         {
289             return base_class::erase(key);
290         }
291
292         /// Deletes the item from the map using \p pred predicate for searching
293         /**
294             The function is an analog of \ref cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_rcu_erase_val "erase(K const&)"
295             but \p pred is used for key comparing.
296             \p Less functor has the interface like \p std::less.
297             \p Less must imply the same element order as the comparator used for building the map.
298         */
299         template <typename K, typename Less>
300         bool erase_with( K const& key, Less pred )
301         {
302             CDS_UNUSED( pred );
303             return base_class::erase_with( key, cds::details::predicate_wrapper< leaf_node, Less, typename maker::key_accessor >());
304         }
305
306         /// Delete \p key from the map
307         /** \anchor cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_rcu_erase_func
308
309             The function searches an item with key \p key, calls \p f functor
310             and deletes the item. If \p key is not found, the functor is not called.
311
312             The functor \p Func interface:
313             \code
314             struct extractor {
315                 void operator()(value_type& item) { ... }
316             };
317             \endcode
318
319             RCU \p synchronize method can be called. RCU should not be locked.
320
321             Return \p true if key is found and deleted, \p false otherwise
322         */
323         template <typename K, typename Func>
324         bool erase( K const& key, Func f )
325         {
326             return base_class::erase( key, [&f]( leaf_node& node) { f( node.m_Value ); } );
327         }
328
329         /// Deletes the item from the map using \p pred predicate for searching
330         /**
331             The function is an analog of \ref cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_rcu_erase_func "erase(K const&, Func)"
332             but \p pred is used for key comparing.
333             \p Less functor has the interface like \p std::less.
334             \p Less must imply the same element order as the comparator used for building the map.
335         */
336         template <typename K, typename Less, typename Func>
337         bool erase_with( K const& key, Less pred, Func f )
338         {
339             CDS_UNUSED( pred );
340             return base_class::erase_with( key, cds::details::predicate_wrapper< leaf_node, Less, typename maker::key_accessor >(),
341                 [&f]( leaf_node& node) { f( node.m_Value ); } );
342         }
343
344         /// Extracts an item with minimal key from the map
345         /**
346             Returns \ref cds::urcu::exempt_ptr "exempt_ptr" pointer to the leftmost item.
347             If the set is empty, returns empty \p exempt_ptr.
348
349             @note Due the concurrent nature of the map, the function extracts <i>nearly</i> minimum key.
350             It means that the function gets leftmost leaf of the tree and tries to unlink it.
351             During unlinking, a concurrent thread may insert an item with key less than leftmost item's key.
352             So, the function returns the item with minimum key at the moment of tree traversing.
353
354             RCU \p synchronize method can be called. RCU should NOT be locked.
355             The function does not free the item.
356             The deallocator will be implicitly invoked when the returned object is destroyed or when
357             its \p release() member function is called.
358         */
359         exempt_ptr extract_min()
360         {
361             return exempt_ptr( base_class::extract_min_());
362         }
363
364         /// Extracts an item with maximal key from the map
365         /**
366             Returns \ref cds::urcu::exempt_ptr "exempt_ptr" pointer to the rightmost item.
367             If the set is empty, returns empty \p exempt_ptr.
368
369             @note Due the concurrent nature of the map, the function extracts <i>nearly</i> maximal key.
370             It means that the function gets rightmost leaf of the tree and tries to unlink it.
371             During unlinking, a concurrent thread may insert an item with key great than leftmost item's key.
372             So, the function returns the item with maximum key at the moment of tree traversing.
373
374             RCU \p synchronize method can be called. RCU should NOT be locked.
375             The function does not free the item.
376             The deallocator will be implicitly invoked when the returned object is destroyed or when
377             its \p release() is called.
378             @note Before reusing \p result object you should call its \p release() method.
379         */
380         exempt_ptr extract_max()
381         {
382             return exempt_ptr( base_class::extract_max_());
383         }
384
385         /// Extracts an item from the map
386         /** \anchor cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_rcu_extract
387             The function searches an item with key equal to \p key in the tree,
388             unlinks it, and returns \ref cds::urcu::exempt_ptr "exempt_ptr" pointer to an item found.
389             If \p key is not found the function returns an empty \p exempt_ptr.
390
391             RCU \p synchronize method can be called. RCU should NOT be locked.
392             The function does not destroy the item found.
393             The dealloctor will be implicitly invoked when the returned object is destroyed or when
394             its \p release() member function is called.
395         */
396         template <typename Q>
397         exempt_ptr extract( Q const& key )
398         {
399             return exempt_ptr( base_class::extract_( key, typename base_class::node_compare()));
400         }
401
402         /// Extracts an item from the map using \p pred for searching
403         /**
404             The function is an analog of \p extract(Q const&)
405             but \p pred is used for key compare.
406             \p Less has the interface like \p std::less and should meet \ref cds_container_EllenBinTreeSet_rcu_less
407             "predicate requirements".
408             \p pred must imply the same element order as the comparator used for building the map.
409         */
410         template <typename Q, typename Less>
411         exempt_ptr extract_with( Q const& key, Less pred )
412         {
413             CDS_UNUSED( pred );
414             return exempt_ptr( base_class::extract_with_( key,
415                 cds::details::predicate_wrapper< leaf_node, Less, typename maker::key_accessor >() ));
416         }
417
418         /// Find the key \p key
419         /** \anchor cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_rcu_find_cfunc
420
421             The function searches the item with key equal to \p key and calls the functor \p f for item found.
422             The interface of \p Func functor is:
423             \code
424             struct functor {
425                 void operator()( value_type& item );
426             };
427             \endcode
428             where \p item is the item found.
429
430             The functor may change \p item.second.
431
432             The function applies RCU lock internally.
433
434             The function returns \p true if \p key is found, \p false otherwise.
435         */
436         template <typename K, typename Func>
437         bool find( K const& key, Func f )
438         {
439             return base_class::find( key, [&f](leaf_node& item, K const& ) { f( item.m_Value );});
440         }
441
442         /// Finds the key \p val using \p pred predicate for searching
443         /**
444             The function is an analog of \ref cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_rcu_find_cfunc "find(K const&, Func)"
445             but \p pred is used for key comparing.
446             \p Less functor has the interface like \p std::less.
447             \p Less must imply the same element order as the comparator used for building the map.
448         */
449         template <typename K, typename Less, typename Func>
450         bool find_with( K const& key, Less pred, Func f )
451         {
452             CDS_UNUSED( pred );
453             return base_class::find_with( key, cds::details::predicate_wrapper< leaf_node, Less, typename maker::key_accessor >(),
454                 [&f](leaf_node& item, K const& ) { f( item.m_Value );});
455         }
456
457         /// Checks whether the map contains \p key
458         /**
459             The function searches the item with key equal to \p key
460             and returns \p true if it is found, and \p false otherwise.
461
462             The function applies RCU lock internally.
463         */
464         template <typename K>
465         bool contains( K const& key )
466         {
467             return base_class::contains( key );
468         }
469         //@cond
470         // Deprecated, use contains()
471         template <typename K>
472         bool find( K const& key )
473         {
474             return contains( key );
475         }
476         //@endcond
477
478         /// Checks whether the map contains \p key using \p pred predicate for searching
479         /**
480             The function is similar to <tt>contains( key )</tt> but \p pred is used for key comparing.
481             \p Less functor has the interface like \p std::less and should meet \ref cds_intrusive_EllenBinTree_rcu_less
482             "Predicate requirements".
483             \p Less must imply the same element order as the comparator used for building the set.
484         */
485         template <typename K, typename Less>
486         bool contains( K const& key, Less pred )
487         {
488             CDS_UNUSED( pred );
489             return base_class::contains( key, cds::details::predicate_wrapper< leaf_node, Less, typename maker::key_accessor >() );
490         }
491         //@cond
492         // Deprecated, use contains()
493         template <typename K, typename Less>
494         bool find_with( K const& key, Less pred )
495         {
496             return contains( key, pred );
497         }
498         //@endcond
499
500         /// Finds \p key and return the item found
501         /** \anchor cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_rcu_get
502             The function searches the item with key equal to \p key and returns the pointer to item found.
503             If \p key is not found it returns \p nullptr.
504
505             RCU should be locked before call the function.
506             Returned pointer is valid while RCU is locked.
507         */
508         template <typename Q>
509         value_type * get( Q const& key ) const
510         {
511             leaf_node * pNode = base_class::get( key );
512             return pNode ? &pNode->m_Value : nullptr;
513         }
514
515         /// Finds \p key with \p pred predicate and return the item found
516         /**
517             The function is an analog of \ref cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_rcu_get "get(Q const&)"
518             but \p pred is used for comparing the keys.
519
520             \p Less functor has the semantics like \p std::less but should take arguments of type \p key_type
521             and \p Q in any order.
522             \p pred must imply the same element order as the comparator used for building the map.
523         */
524         template <typename Q, typename Less>
525         value_type * get_with( Q const& key, Less pred ) const
526         {
527             CDS_UNUSED( pred );
528             leaf_node * pNode = base_class::get_with( key,
529                 cds::details::predicate_wrapper< leaf_node, Less, typename maker::key_accessor >());
530             return pNode ? &pNode->m_Value : nullptr;
531         }
532
533         /// Clears the map
534         void clear()
535         {
536             base_class::clear();
537         }
538
539         /// Checks if the map is empty
540         bool empty() const
541         {
542             return base_class::empty();
543         }
544
545         /// Returns item count in the map
546         /**
547             Only leaf nodes containing user data are counted.
548
549             The value returned depends on item counter type provided by \p Traits template parameter.
550             If it is \p atomicity::empty_item_counter this function always returns 0.
551
552             The function is not suitable for checking the tree emptiness, use \p empty()
553             member function for this purpose.
554         */
555         size_t size() const
556         {
557             return base_class::size();
558         }
559
560         /// Returns const reference to internal statistics
561         stat const& statistics() const
562         {
563             return base_class::statistics();
564         }
565
566         /// Checks internal consistency (not atomic, not thread-safe)
567         /**
568             The debugging function to check internal consistency of the tree.
569         */
570         bool check_consistency() const
571         {
572             return base_class::check_consistency();
573         }
574     };
575 }} // namespace cds::container
576
577 #endif //#ifndef CDSLIB_CONTAINER_ELLEN_BINTREE_MAP_RCU_H