Rename class cds::gc::PTB to cds::gc::DHP
[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 cds::gc::guarded_ptr< gc, 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             return base_class::erase_with( key, cds::details::predicate_wrapper< leaf_node, Less, typename maker::key_accessor >());
282         }
283
284         /// Delete \p key from the map
285         /** \anchor cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_erase_func
286
287             The function searches an item with key \p key, calls \p f functor
288             and deletes the item. If \p key is not found, the functor is not called.
289
290             The functor \p Func interface:
291             \code
292             struct extractor {
293                 void operator()(value_type& item) { ... }
294             };
295             \endcode
296
297             Return \p true if key is found and deleted, \p false otherwise
298         */
299         template <typename K, typename Func>
300         bool erase( K const& key, Func f )
301         {
302             return base_class::erase( key, [&f]( leaf_node& node) { f( node.m_Value ); } );
303         }
304
305         /// Deletes the item from the map using \p pred predicate for searching
306         /**
307             The function is an analog of \ref cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_erase_func "erase(K const&, Func)"
308             but \p pred is used for key comparing.
309             \p Less functor has the interface like \p std::less.
310             \p Less must imply the same element order as the comparator used for building the map.
311         */
312         template <typename K, typename Less, typename Func>
313         bool erase_with( K const& key, Less pred, Func f )
314         {
315             return base_class::erase_with( key, cds::details::predicate_wrapper< leaf_node, Less, typename maker::key_accessor >(),
316                 [&f]( leaf_node& node) { f( node.m_Value ); } );
317         }
318
319         /// Extracts an item with minimal key from the map
320         /**
321             If the map is not empty, the function returns \p true, \p result contains a pointer to minimum value.
322             If the map is empty, the function returns \p false, \p result is left unchanged.
323
324             @note Due the concurrent nature of the map, the function extracts <i>nearly</i> minimum key.
325             It means that the function gets leftmost leaf of the tree and tries to unlink it.
326             During unlinking, a concurrent thread may insert an item with key less than leftmost item's key.
327             So, the function returns the item with minimum key at the moment of tree traversing.
328
329             The guarded pointer \p result prevents deallocation of returned item,
330             see cds::gc::guarded_ptr for explanation.
331             @note Each \p guarded_ptr object uses the GC's guard that can be limited resource.
332         */
333         bool extract_min( guarded_ptr& result )
334         {
335             return base_class::extract_min_( result.guard() );
336         }
337
338         /// Extracts an item with maximal key from the map
339         /**
340             If the map is not empty, the function returns \p true, \p result contains a pointer to maximal value.
341             If the map is empty, the function returns \p false, \p result is left unchanged.
342
343             @note Due the concurrent nature of the map, the function extracts <i>nearly</i> maximal key.
344             It means that the function gets rightmost leaf of the tree and tries to unlink it.
345             During unlinking, a concurrent thread may insert an item with key great than leftmost item's key.
346             So, the function returns the item with maximum key at the moment of tree traversing.
347
348             The guarded pointer \p result prevents deallocation of returned item,
349             see cds::gc::guarded_ptr for explanation.
350             @note Each \p guarded_ptr object uses the GC's guard that can be limited resource.
351         */
352         bool extract_max( guarded_ptr& result )
353         {
354             return base_class::extract_max_( result.guard() );
355         }
356
357         /// Extracts an item from the tree
358         /** \anchor cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_extract
359             The function searches an item with key equal to \p key in the tree,
360             unlinks it, and returns pointer to an item found in \p result parameter.
361             If the item  is not found the function returns \p false.
362
363             The guarded pointer \p result prevents deallocation of returned item,
364             see cds::gc::guarded_ptr for explanation.
365             @note Each \p guarded_ptr object uses the GC's guard that can be limited resource.
366         */
367         template <typename Q>
368         bool extract( guarded_ptr& result, Q const& key )
369         {
370             return base_class::extract_( result.guard(), key );
371         }
372
373         /// Extracts an item from the map using \p pred for searching
374         /**
375             The function is an analog of \ref cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_extract "extract(guarded_ptr&, Q const&)"
376             but \p pred is used for key compare.
377             \p Less has the interface like \p std::less.
378             \p pred must imply the same element order as the comparator used for building the map.
379         */
380         template <typename Q, typename Less>
381         bool extract_with( guarded_ptr& result, Q const& key, Less pred )
382         {
383             return base_class::extract_with_( result.guard(), key,
384                 cds::details::predicate_wrapper< leaf_node, Less, typename maker::key_accessor >());
385         }
386
387         /// Find the key \p key
388         /** \anchor cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_find_cfunc
389
390             The function searches the item with key equal to \p key and calls the functor \p f for item found.
391             The interface of \p Func functor is:
392             \code
393             struct functor {
394                 void operator()( value_type& item );
395             };
396             \endcode
397             where \p item is the item found.
398
399             The functor may change \p item.second.
400
401             The function returns \p true if \p key is found, \p false otherwise.
402         */
403         template <typename K, typename Func>
404         bool find( K const& key, Func f )
405         {
406             return base_class::find( key, [&f](leaf_node& item, K const& ) { f( item.m_Value );});
407         }
408
409         /// Finds the key \p val using \p pred predicate for searching
410         /**
411             The function is an analog of \ref cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_find_cfunc "find(K const&, Func)"
412             but \p pred is used for key comparing.
413             \p Less functor has the interface like \p std::less.
414             \p Less must imply the same element order as the comparator used for building the map.
415         */
416         template <typename K, typename Less, typename Func>
417         bool find_with( K const& key, Less pred, Func f )
418         {
419             return base_class::find_with( key, cds::details::predicate_wrapper< leaf_node, Less, typename maker::key_accessor >(),
420                 [&f](leaf_node& item, K const& ) { f( item.m_Value );});
421         }
422
423         /// Find the key \p key
424         /** \anchor cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_find_val
425
426             The function searches the item with key equal to \p key
427             and returns \p true if it is found, and \p false otherwise.
428         */
429         template <typename K>
430         bool find( K const& key )
431         {
432             return base_class::find( key );
433         }
434
435         /// Finds the key \p val using \p pred predicate for searching
436         /**
437             The function is an analog of \ref cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_find_val "find(K const&)"
438             but \p pred is used for key comparing.
439             \p Less functor has the interface like \p std::less.
440             \p Less must imply the same element order as the comparator used for building the map.
441         */
442         template <typename K, typename Less>
443         bool find_with( K const& key, Less pred )
444         {
445             return base_class::find_with( key, cds::details::predicate_wrapper< leaf_node, Less, typename maker::key_accessor >() );
446         }
447
448         /// Finds \p key and returns the item found
449         /** @anchor cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_get
450             The function searches the item with key equal to \p key and returns the item found in \p result parameter.
451             The function returns \p true if \p key is found, \p false otherwise.
452
453             The guarded pointer \p result prevents deallocation of returned item,
454             see cds::gc::guarded_ptr for explanation.
455             @note Each \p guarded_ptr object uses the GC's guard that can be limited resource.
456         */
457         template <typename Q>
458         bool get( guarded_ptr& result, Q const& key )
459         {
460             return base_class::get_( result.guard(), key );
461         }
462
463         /// Finds \p key with predicate \p pred and returns the item found
464         /**
465             The function is an analog of \ref cds_nonintrusive_EllenBinTreeMap_get "get(guarded_ptr&, Q const&)"
466             but \p pred is used for key comparing.
467             \p Less functor has the interface like \p std::less.
468             \p pred must imply the same element order as the comparator used for building the map.
469         */
470         template <typename Q, typename Less>
471         bool get_with( guarded_ptr& result, Q const& key, Less pred )
472         {
473             return base_class::get_with_( result.guard(), key,
474                 cds::details::predicate_wrapper< leaf_node, Less, typename maker::key_accessor >() );
475         }
476
477         /// Clears the map (not atomic)
478         void clear()
479         {
480             base_class::clear();
481         }
482
483         /// Checks if the map is empty
484         /**
485             Emptiness is checked by item counting: if item count is zero then the map is empty.
486         */
487         bool empty() const
488         {
489             return base_class::empty();
490         }
491
492         /// Returns item count in the set
493         /**
494             Only leaf nodes containing user data are counted.
495
496             The value returned depends on item counter type provided by \p Traits template parameter.
497             If it is \p atomicity::empty_item_counter this function always returns 0.
498
499             The function is not suitable for checking the tree emptiness, use \p empty()
500             member function for this purpose.
501         */
502         size_t size() const
503         {
504             return base_class::size();
505         }
506
507         /// Returns const reference to internal statistics
508         stat const& statistics() const
509         {
510             return base_class::statistics();
511         }
512
513         /// Checks internal consistency (not atomic, not thread-safe)
514         /**
515             The debugging function to check internal consistency of the tree.
516         */
517         bool check_consistency() const
518         {
519             return base_class::check_consistency();
520         }
521
522     };
523 }} // namespace cds::container
524
525 #endif //#ifndef __CDS_CONTAINER_IMPL_ELLEN_BINTREE_MAP_H