Move folly::compression::Instructions to a separate file
[folly.git] / folly / experimental / EliasFanoCoding.h
index faf19d74b70fc9b3aa8579326dc505db7e3ea16a..f5fcfe860f3685303fa665ca4234f6d59a3db83f 100644 (file)
 #ifndef FOLLY_EXPERIMENTAL_ELIAS_FANO_CODING_H
 #define FOLLY_EXPERIMENTAL_ELIAS_FANO_CODING_H
 
-#ifndef __GNUC__
-#error EliasFanoCoding.h requires GCC
-#endif
-
-#if !FOLLY_X64
-#error EliasFanoCoding.h requires x86_64
-#endif
-
 #include <cstdlib>
 #include <limits>
 #include <type_traits>
-#include <boost/noncopyable.hpp>
 #include <glog/logging.h>
 
 #include <folly/Bits.h>
 #include <folly/CpuId.h>
 #include <folly/Likely.h>
+#include <folly/Portability.h>
 #include <folly/Range.h>
+#include <folly/experimental/Instructions.h>
 #include <folly/experimental/Select64.h>
+#ifndef __GNUC__
+#error EliasFanoCoding.h requires GCC
+#endif
+
+#if !FOLLY_X64
+#error EliasFanoCoding.h requires x86_64
+#endif
 
 #if __BYTE_ORDER__ != __ORDER_LITTLE_ENDIAN__
 #error EliasFanoCoding.h requires little endianness
@@ -118,9 +118,9 @@ struct EliasFanoEncoderV2 {
 
   // Requires: input range (begin, end) is sorted (encoding
   // crashes if it's not).
-  // WARNING: encode() mallocates lower, upper, skipPointers
-  // and forwardPointers. As EliasFanoCompressedList has
-  // no ownership of them, you need to call free() explicitly.
+  // WARNING: encode() mallocates EliasFanoCompressedList::data. As
+  // EliasFanoCompressedList has no ownership of it, you need to call
+  // free() explicitly.
   template <class RandomAccessIterator>
   static EliasFanoCompressedList encode(RandomAccessIterator begin,
                                         RandomAccessIterator end) {
@@ -142,6 +142,7 @@ struct EliasFanoEncoderV2 {
         forwardPointers_(reinterpret_cast<SkipValueType*>(
                            result.forwardPointers)),
         result_(result) {
+    memset(result.data.data(), 0, result.data.size());
   }
 
   EliasFanoEncoderV2(size_t size, ValueType upperBound)
@@ -308,11 +309,11 @@ struct EliasFanoEncoderV2<Value,
     uint8_t* buf = nullptr;
     // WARNING: Current read/write logic assumes that the 7 bytes
     // following the last byte of lower and upper sequences are
-    // readable (stored value doesn't matter and won't be changed),
-    // so we allocate additional 7B, but do not include them in size
+    // readable (stored value doesn't matter and won't be changed), so
+    // we allocate additional 7 bytes, but do not include them in size
     // of returned value.
     if (size > 0) {
-      buf = static_cast<uint8_t*>(calloc(bytes() + 7, 1));
+      buf = static_cast<uint8_t*>(malloc(bytes() + 7));
     }
     folly::MutableByteRange bufRange(buf, bytes());
     return openList(bufRange);
@@ -328,58 +329,6 @@ struct EliasFanoEncoderV2<Value,
   size_t forwardPointers = 0;
 };
 
-// NOTE: It's recommended to compile EF coding with -msse4.2, starting
-// with Nehalem, Intel CPUs support POPCNT instruction and gcc will emit
-// it for __builtin_popcountll intrinsic.
-// But we provide an alternative way for the client code: it can switch to
-// the appropriate version of EliasFanoReader<> in realtime (client should
-// implement this switching logic itself) by specifying instruction set to
-// use explicitly.
-namespace instructions {
-
-struct Default {
-  static bool supported(const folly::CpuId& cpuId = {}) {
-    return true;
-  }
-  static inline uint64_t popcount(uint64_t value) {
-    return __builtin_popcountll(value);
-  }
-  static inline int ctz(uint64_t value) {
-    DCHECK_GT(value, 0);
-    return __builtin_ctzll(value);
-  }
-  static inline uint64_t blsr(uint64_t value) {
-    return value & (value - 1);
-  }
-};
-
-struct Nehalem : public Default {
-  static bool supported(const folly::CpuId& cpuId = {}) {
-    return cpuId.popcnt();
-  }
-  static inline uint64_t popcount(uint64_t value) {
-    // POPCNT is supported starting with Intel Nehalem, AMD K10.
-    uint64_t result;
-    asm ("popcntq %1, %0" : "=r" (result) : "r" (value));
-    return result;
-  }
-};
-
-struct Haswell : public Nehalem {
-  static bool supported(const folly::CpuId& cpuId = {}) {
-    return Nehalem::supported(cpuId) && cpuId.bmi1();
-  }
-  static inline uint64_t blsr(uint64_t value) {
-    // BMI1 is supported starting with Intel Haswell, AMD Piledriver.
-    // BLSR combines two instuctions into one and reduces register pressure.
-    uint64_t result;
-    asm ("blsrq %1, %0" : "=r" (result) : "r" (value));
-    return result;
-  }
-};
-
-}  // namespace instructions
-
 namespace detail {
 
 template <class Encoder, class Instructions>
@@ -522,6 +471,28 @@ class UpperBitsReader {
     return skipToNext(v);
   }
 
+  ValueType previousValue() const {
+    DCHECK_NE(position(), -1);
+    DCHECK_GT(position(), 0);
+
+    size_t outer = outer_;
+    block_t block = folly::loadUnaligned<block_t>(start_ + outer);
+    block &= (block_t(1) << inner_) - 1;
+
+    while (UNLIKELY(block == 0)) {
+      DCHECK_GE(outer, sizeof(block_t));
+      outer -= sizeof(block_t);
+      block = folly::loadUnaligned<block_t>(start_ + outer);
+    }
+
+    auto inner = 8 * sizeof(block_t) - 1 - Instructions::clz(block);
+    return static_cast<ValueType>(8 * outer + inner - (position_ - 1));
+  }
+
+  void setDone(size_t endPos) {
+    position_ = endPos;
+  }
+
  private:
   ValueType setValue() {
     value_ = static_cast<ValueType>(8 * outer_ + inner_ - position_);
@@ -534,7 +505,7 @@ class UpperBitsReader {
     block_ &= ~((block_t(1) << (dest % 8)) - 1);
   }
 
-  typedef unsigned long long block_t;
+  typedef uint64_t block_t;
   const unsigned char* const forwardPointers_;
   const unsigned char* const skipPointers_;
   const unsigned char* const start_;
@@ -547,60 +518,65 @@ class UpperBitsReader {
 
 }  // namespace detail
 
+// If kUnchecked = true the caller must guarantee that all the
+// operations return valid elements, i.e., they would never return
+// false if checked.
 template <class Encoder,
-          class Instructions = instructions::Default>
-class EliasFanoReader : private boost::noncopyable {
+          class Instructions = instructions::Default,
+          bool kUnchecked = false>
+class EliasFanoReader {
  public:
   typedef Encoder EncoderType;
   typedef typename Encoder::ValueType ValueType;
 
   explicit EliasFanoReader(const EliasFanoCompressedList& list)
-    : list_(list),
-      lowerMask_((ValueType(1) << list_.numLowerBits) - 1),
-      upper_(list_) {
+      : size_(list.size),
+        lower_(list.lower),
+        upper_(list),
+        lowerMask_((ValueType(1) << list.numLowerBits) - 1),
+        numLowerBits_(list.numLowerBits) {
     DCHECK(Instructions::supported());
     // To avoid extra branching during skipTo() while reading
     // upper sequence we need to know the last element.
-    if (UNLIKELY(list_.size == 0)) {
+    // If kUnchecked == true, we do not check that skipTo() is called
+    // within the bounds, so we can avoid initializing lastValue_.
+    if (kUnchecked || UNLIKELY(list.size == 0)) {
       lastValue_ = 0;
       return;
     }
-    ValueType lastUpperValue = 8 * list_.upperSize() - list_.size;
-    auto it = list_.upper + list_.upperSize() - 1;
+    ValueType lastUpperValue = 8 * list.upperSize() - size_;
+    auto it = list.upper + list.upperSize() - 1;
     DCHECK_NE(*it, 0);
     lastUpperValue -= 8 - folly::findLastSet(*it);
-    lastValue_ = readLowerPart(list_.size - 1) |
-                 (lastUpperValue << list_.numLowerBits);
+    lastValue_ = readLowerPart(size_ - 1) | (lastUpperValue << numLowerBits_);
   }
 
   void reset() {
     upper_.reset();
-    progress_ = 0;
     value_ = 0;
   }
 
   bool next() {
-    if (UNLIKELY(progress_ >= list_.size)) {
+    if (!kUnchecked && UNLIKELY(position() + 1 >= size_)) {
       return setDone();
     }
-    value_ = readLowerPart(progress_) |
-             (upper_.next() << list_.numLowerBits);
-    ++progress_;
+    upper_.next();
+    value_ = readLowerPart(upper_.position()) |
+             (upper_.value() << numLowerBits_);
     return true;
   }
 
   bool skip(size_t n) {
     CHECK_GT(n, 0);
 
-    progress_ += n;
-    if (LIKELY(progress_ <= list_.size)) {
+    if (kUnchecked || LIKELY(position() + n < size_)) {
       if (LIKELY(n < kLinearScanThreshold)) {
         for (size_t i = 0; i < n; ++i) upper_.next();
       } else {
         upper_.skip(n);
       }
-      value_ = readLowerPart(progress_ - 1) |
-        (upper_.value() << list_.numLowerBits);
+      value_ = readLowerPart(upper_.position()) |
+        (upper_.value() << numLowerBits_);
       return true;
     }
 
@@ -611,11 +587,11 @@ class EliasFanoReader : private boost::noncopyable {
     DCHECK_GE(value, value_);
     if (value <= value_) {
       return true;
-    } else if (value > lastValue_) {
+    } else if (!kUnchecked && value > lastValue_) {
       return setDone();
     }
 
-    size_t upperValue = (value >> list_.numLowerBits);
+    size_t upperValue = (value >> numLowerBits_);
     size_t upperSkip = upperValue - upper_.value();
     // The average density of ones in upper bits is 1/2.
     // LIKELY here seems to make things worse, even for small skips.
@@ -632,9 +608,8 @@ class EliasFanoReader : private boost::noncopyable {
   }
 
   bool jump(size_t n) {
-    if (LIKELY(n - 1 < list_.size)) {  // n > 0 && n <= list_.size
-      progress_ = n;
-      value_ = readLowerPart(n - 1) | (upper_.jump(n) << list_.numLowerBits);
+    if (LIKELY(n - 1 < size_)) {  // n > 0 && n <= size_
+      value_ = readLowerPart(n - 1) | (upper_.jump(n) << numLowerBits_);
       return true;
     } else if (n == 0) {
       reset();
@@ -647,31 +622,38 @@ class EliasFanoReader : private boost::noncopyable {
     if (value <= 0) {
       reset();
       return true;
-    } else if (value > lastValue_) {
+    } else if (!kUnchecked && value > lastValue_) {
       return setDone();
     }
 
-    upper_.jumpToNext(value >> list_.numLowerBits);
+    upper_.jumpToNext(value >> numLowerBits_);
     iterateTo(value);
     return true;
   }
 
-  size_t size() const { return list_.size; }
+  ValueType previousValue() const {
+    DCHECK_GT(position(), 0);
+    DCHECK_LT(position(), size());
+    return readLowerPart(upper_.position() - 1) |
+      (upper_.previousValue() << numLowerBits_);
+  }
+
+  size_t size() const { return size_; }
 
-  size_t position() const { return progress_ - 1; }
+  size_t position() const { return upper_.position(); }
   ValueType value() const { return value_; }
 
  private:
   bool setDone() {
     value_ = std::numeric_limits<ValueType>::max();
-    progress_ = list_.size + 1;
+    upper_.setDone(size_);
     return false;
   }
 
   ValueType readLowerPart(size_t i) const {
-    DCHECK_LT(i, list_.size);
-    const size_t pos = i * list_.numLowerBits;
-    const unsigned char* ptr = list_.lower + (pos / 8);
+    DCHECK_LT(i, size_);
+    const size_t pos = i * numLowerBits_;
+    const unsigned char* ptr = lower_ + (pos / 8);
     const uint64_t ptrv = folly::loadUnaligned<uint64_t>(ptr);
     return lowerMask_ & (ptrv >> (pos % 8));
   }
@@ -679,21 +661,21 @@ class EliasFanoReader : private boost::noncopyable {
   void iterateTo(ValueType value) {
     while (true) {
       value_ = readLowerPart(upper_.position()) |
-        (upper_.value() << list_.numLowerBits);
+        (upper_.value() << numLowerBits_);
       if (LIKELY(value_ >= value)) break;
       upper_.next();
     }
-    progress_ = upper_.position() + 1;
   }
 
   constexpr static size_t kLinearScanThreshold = 8;
 
-  const EliasFanoCompressedList list_;
-  const ValueType lowerMask_;
+  size_t size_;
+  const uint8_t* lower_;
   detail::UpperBitsReader<Encoder, Instructions> upper_;
-  size_t progress_ = 0;
+  const ValueType lowerMask_;
   ValueType value_ = 0;
   ValueType lastValue_;
+  uint8_t numLowerBits_;
 };
 
 }}  // namespaces