]> pd.if.org Git - nbds/blob - map/hashtable.c
work in progress
[nbds] / map / hashtable.c
1 /*
2  * Written by Josh Dybnis and released to the public domain, as explained at
3  * http://creativecommons.org/licenses/publicdomain
4  *
5  * C implementation of Cliff Click's lock-free hash table from
6  * http://www.azulsystems.com/events/javaone_2008/2008_CodingNonBlock.pdf
7  * http://sourceforge.net/projects/high-scale-lib
8  *
9  * Note: This is code uses synchronous atomic operations because that is all that x86 provides.
10  * Every atomic operation is also an implicit full memory barrier. The upshot is that it simplifies
11  * the code a bit, but it won't be as fast as it could be on platforms that provide weaker
12  * operations like unfenced CAS which would still do the job.
13  *
14  * 11FebO9 - Bug fix in ht_iter_next() from Rui Ueyama
15  */
16
17 #include <stdio.h>
18 #include "common.h"
19 #include "murmur.h"
20 #include "mem.h"
21 #include "rcu.h"
22 #include "hashtable.h"
23
24 #ifndef NBD32
25 #define GET_PTR(x) ((void *)((x) & MASK(48))) // low-order 48 bits is a pointer to a nstring_t
26 #else
27 #define GET_PTR(x) ((void *)(x))
28 #endif
29
30 typedef struct entry {
31     map_key_t key;
32     map_val_t val;
33 } entry_t;
34
35 typedef struct hti {
36     volatile entry_t *table;
37     hashtable_t *ht; // parent ht;
38     struct hti *next;
39 #ifdef USE_SYSTEM_MALLOC
40     void *unaligned_table_ptr; // system malloc doesn't guarentee cache-line alignment
41 #endif
42     size_t count; // TODO: make these counters distributed
43     size_t key_count;
44     size_t copy_scan;
45     size_t num_entries_copied;
46     int probe;
47     int ref_count;
48     uint8_t scale;
49 } hti_t;
50
51 struct ht_iter {
52     hti_t *  hti;
53     int64_t  idx;
54 };
55
56 struct ht {
57     hti_t *hti;
58     const datatype_t *key_type;
59     uint32_t hti_copies;
60     double density;
61     int probe;
62 };
63
64 static const map_val_t COPIED_VALUE          = TAG_VALUE(DOES_NOT_EXIST, TAG1);
65 static const map_val_t TOMBSTONE             = STRIP_TAG(-1, TAG1);
66
67 static const unsigned ENTRIES_PER_BUCKET     = CACHE_LINE_SIZE/sizeof(entry_t);
68 static const unsigned ENTRIES_PER_COPY_CHUNK = CACHE_LINE_SIZE/sizeof(entry_t)*2;
69 static const unsigned MIN_SCALE              = 4; // min 16 entries (4 buckets)
70
71 static int hti_copy_entry (hti_t *ht1, volatile entry_t *ent, uint32_t ent_key_hash, hti_t *ht2);
72
73 // Choose the next bucket to probe using the high-order bits of <key_hash>.
74 static inline int get_next_ndx(int old_ndx, uint32_t key_hash, int ht_scale) {
75 #if 1
76     int incr = (key_hash >> (32 - ht_scale));
77     if (incr < ENTRIES_PER_BUCKET) { incr += ENTRIES_PER_BUCKET; }
78     return (old_ndx + incr) & MASK(ht_scale);
79 #else
80     return (old_ndx + ENTRIES_PER_BUCKET) & MASK(ht_scale);
81 #endif
82 }
83
84 // Lookup <key> in <hti>.
85 //
86 // Return the entry that <key> is in, or if <key> isn't in <hti> return the entry that it would be
87 // in if it were inserted into <hti>. If there is no room for <key> in <hti> then return NULL, to
88 // indicate that the caller should look in <hti->next>.
89 //
90 // Record if the entry being returned is empty. Otherwise the caller will have to waste time
91 // re-comparing the keys to confirm that it did not lose a race to fill an empty entry.
92 static volatile entry_t *hti_lookup (hti_t *hti, map_key_t key, uint32_t key_hash, int *is_empty) {
93     TRACE("h2", "hti_lookup(key %p in hti %p)", key, hti);
94     *is_empty = 0;
95
96     // Probe one cache line at a time
97     int ndx = key_hash & MASK(hti->scale); // the first entry to search
98     for (int i = 0; i < hti->probe; ++i) {
99
100         // The start of the bucket is the first entry in the cache line.
101         volatile entry_t *bucket = hti->table + (ndx & ~(ENTRIES_PER_BUCKET-1));
102
103         // Start searching at the indexed entry. Then loop around to the begining of the cache line.
104         for (int j = 0; j < ENTRIES_PER_BUCKET; ++j) {
105             volatile entry_t *ent = bucket + ((ndx + j) & (ENTRIES_PER_BUCKET-1));
106
107             map_key_t ent_key = ent->key;
108             if (ent_key == DOES_NOT_EXIST) {
109                 TRACE("h1", "hti_lookup: entry %p for key %p is empty", ent,
110                             (hti->ht->key_type == NULL) ? (void *)key : GET_PTR(key));
111                 *is_empty = 1; // indicate an empty so the caller avoids an expensive key compare
112                 return ent;
113             }
114
115             // Compare <key> with the key in the entry.
116             if (EXPECT_TRUE(hti->ht->key_type == NULL)) {
117                 // fast path for integer keys
118                 if (ent_key == key) {
119                     TRACE("h1", "hti_lookup: found entry %p with key %p", ent, ent_key);
120                     return ent;
121                 }
122             } else {
123 #ifndef NBD32
124                 // The key in <ent> is made up of two parts. The 48 low-order bits are a pointer. The
125                 // high-order 16 bits are taken from the hash. The bits from the hash are used as a
126                 // quick check to rule out non-equal keys without doing a complete compare.
127                 if ((key_hash >> 16) == (ent_key >> 48)) {
128 #endif
129                     if (hti->ht->key_type->cmp(GET_PTR(ent_key), (void *)key) == 0) {
130                         TRACE("h1", "hti_lookup: found entry %p with key %p", ent, GET_PTR(ent_key));
131                         return ent;
132 #ifndef NBD32
133                     }
134 #endif
135                 }
136             }
137         }
138
139         ndx = get_next_ndx(ndx, key_hash, hti->scale);
140     }
141
142     // maximum number of probes exceeded
143     TRACE("h1", "hti_lookup: maximum number of probes exceeded returning 0x0", 0, 0);
144     return NULL;
145 }
146
147 // Allocate and initialize a hti_t with 2^<scale> entries.
148 static hti_t *hti_alloc (hashtable_t *parent, int scale) {
149     hti_t *hti = (hti_t *)nbd_malloc(sizeof(hti_t));
150     memset(hti, 0, sizeof(hti_t));
151     hti->scale = scale;
152
153     size_t sz = sizeof(entry_t) * (1ULL << scale);
154 #ifdef USE_SYSTEM_MALLOC
155     hti->unaligned_table_ptr = nbd_malloc(sz + CACHE_LINE_SIZE - 1);
156     hti->table = (void *)(((size_t)hti->unaligned_table_ptr + CACHE_LINE_SIZE - 1) & ~(CACHE_LINE_SIZE - 1));
157 #else
158     hti->table = nbd_malloc(sz);
159 #endif
160     memset((void *)hti->table, 0, sz);
161
162     hti->probe = (int)(hti->scale * 1.5) + 2;
163     int quarter = (1ULL << (hti->scale - 2)) / ENTRIES_PER_BUCKET;
164     if (hti->probe > quarter && quarter > 4) {
165         // When searching for a key probe a maximum of 1/4
166         hti->probe = quarter;
167     }
168     ASSERT(hti->probe);
169     hti->ht = parent;
170     hti->ref_count = 1; // one for the parent
171
172     assert(hti->scale >= MIN_SCALE && hti->scale < 63); // size must be a power of 2
173     assert(sizeof(entry_t) * ENTRIES_PER_BUCKET % CACHE_LINE_SIZE == 0); // divisible into cache
174     assert((size_t)hti->table % CACHE_LINE_SIZE == 0); // cache aligned
175
176     return hti;
177 }
178
179 // Called when <hti> runs out of room for new keys.
180 //
181 // Initiates a copy by creating a larger hti_t and installing it in <hti->next>.
182 static void hti_start_copy (hti_t *hti) {
183     TRACE("h0", "hti_start_copy(hti %p scale %llu)", hti, hti->scale);
184
185     // heuristics to determine the size of the new table
186     size_t count = ht_count(hti->ht);
187     unsigned int new_scale = hti->scale;
188     new_scale += (count > (1ULL << (hti->scale - 1))) || (hti->key_count > (1ULL << (hti->scale - 2)) + (1ULL << (hti->scale - 3))); // double size if more than 1/2 full
189
190     // Allocate the new table and attempt to install it.
191     hti_t *next = hti_alloc(hti->ht, new_scale);
192     hti_t *old_next = SYNC_CAS(&hti->next, NULL, next);
193     if (old_next != NULL) {
194         // Another thread beat us to it.
195         TRACE("h0", "hti_start_copy: lost race to install new hti; found %p", old_next, 0);
196 #ifdef USE_SYSTEM_MALLOC
197         nbd_free(next->unaligned_table_ptr);
198 #else
199         nbd_free((void *)next->table);
200 #endif
201         return;
202     }
203     TRACE("h0", "hti_start_copy: new hti %p scale %llu", next, next->scale);
204     SYNC_ADD(&hti->ht->hti_copies, 1);
205     hti->ht->density = (double)hti->key_count / (1ULL << hti->scale) * 100;
206     hti->ht->probe = hti->probe;
207 }
208
209 // Copy the key and value stored in <ht1_ent> (which must be an entry in <ht1>) to <ht2>.
210 //
211 // Return 1 unless <ht1_ent> is already copied (then return 0), so the caller can account for the total
212 // number of entries left to copy.
213 static int hti_copy_entry (hti_t *ht1, volatile entry_t *ht1_ent, uint32_t key_hash, hti_t *ht2) {
214     TRACE("h2", "hti_copy_entry: entry %p to table %p", ht1_ent, ht2);
215     assert(ht1);
216     assert(ht1->next);
217     assert(ht2);
218     assert(ht1_ent >= ht1->table && ht1_ent < ht1->table + (1ULL << ht1->scale));
219 #ifndef NBD32
220     assert(key_hash == 0 || ht1->ht->key_type == NULL || (key_hash >> 16) == (ht1_ent->key >> 48));
221 #endif
222
223     map_val_t ht1_ent_val = ht1_ent->val;
224     if (EXPECT_FALSE(ht1_ent_val == COPIED_VALUE || ht1_ent_val == TAG_VALUE(TOMBSTONE, TAG1))) {
225         TRACE("h1", "hti_copy_entry: entry %p already copied to table %p", ht1_ent, ht2);
226         return FALSE; // already copied
227     }
228
229     // Kill empty entries.
230     if (EXPECT_FALSE(ht1_ent_val == DOES_NOT_EXIST)) {
231         map_val_t ht1_ent_val = SYNC_CAS(&ht1_ent->val, DOES_NOT_EXIST, COPIED_VALUE);
232         if (ht1_ent_val == DOES_NOT_EXIST) {
233             TRACE("h1", "hti_copy_entry: empty entry %p killed", ht1_ent, 0);
234             return TRUE;
235         }
236         TRACE("h0", "hti_copy_entry: lost race to kill empty entry %p; the entry is not empty", ht1_ent, 0);
237     }
238
239     // Tag the value in the old entry to indicate a copy is in progress.
240     ht1_ent_val = SYNC_FETCH_AND_OR(&ht1_ent->val, TAG_VALUE(0, TAG1));
241     TRACE("h2", "hti_copy_entry: tagged the value %p in old entry %p", ht1_ent_val, ht1_ent);
242     if (ht1_ent_val == COPIED_VALUE || ht1_ent_val == TAG_VALUE(TOMBSTONE, TAG1)) {
243         TRACE("h1", "hti_copy_entry: entry %p already copied to table %p", ht1_ent, ht2);
244         return FALSE; // <value> was already copied by another thread.
245     }
246
247     // The old table's dead entries don't need to be copied to the new table
248     if (ht1_ent_val == TOMBSTONE)
249         return TRUE;
250
251     // Install the key in the new table.
252     map_key_t ht1_ent_key = ht1_ent->key;
253     map_key_t key = (ht1->ht->key_type == NULL) ? (map_key_t)ht1_ent_key : (map_key_t)GET_PTR(ht1_ent_key);
254
255     // We use 0 to indicate that <key_hash> is uninitiallized. Occasionally the key's hash will really be 0 and we
256     // waste time recomputing it every time. It is rare enough that it won't hurt performance.
257     if (key_hash == 0) {
258 #ifdef NBD32
259         key_hash = (ht1->ht->key_type == NULL) ? murmur32_4b(ht1_ent_key) : ht1->ht->key_type->hash((void *)key);
260 #else
261         key_hash = (ht1->ht->key_type == NULL) ? murmur32_8b(ht1_ent_key) : ht1->ht->key_type->hash((void *)key);
262 #endif
263     }
264
265     int ht2_ent_is_empty;
266     volatile entry_t *ht2_ent = hti_lookup(ht2, key, key_hash, &ht2_ent_is_empty);
267     TRACE("h0", "hti_copy_entry: copy entry %p to entry %p", ht1_ent, ht2_ent);
268
269     // It is possible that there isn't any room in the new table either.
270     if (EXPECT_FALSE(ht2_ent == NULL)) {
271         TRACE("h0", "hti_copy_entry: no room in table %p copy to next table %p", ht2, ht2->next);
272         if (ht2->next == NULL) {
273             hti_start_copy(ht2); // initiate nested copy, if not already started
274         }
275         return hti_copy_entry(ht1, ht1_ent, key_hash, ht2->next); // recursive tail-call
276     }
277
278     if (ht2_ent_is_empty) {
279         map_key_t old_ht2_ent_key = SYNC_CAS(&ht2_ent->key, DOES_NOT_EXIST, ht1_ent_key);
280         if (old_ht2_ent_key != DOES_NOT_EXIST) {
281             TRACE("h0", "hti_copy_entry: lost race to CAS key %p into new entry; found %p",
282                     ht1_ent_key, old_ht2_ent_key);
283             return hti_copy_entry(ht1, ht1_ent, key_hash, ht2); // recursive tail-call
284         }
285         SYNC_ADD(&ht2->key_count, 1);
286     }
287
288     // Copy the value to the entry in the new table.
289     ht1_ent_val = STRIP_TAG(ht1_ent_val, TAG1);
290     map_val_t old_ht2_ent_val = SYNC_CAS(&ht2_ent->val, DOES_NOT_EXIST, ht1_ent_val);
291
292     // If there is a nested copy in progress, we might have installed the key into a dead entry.
293     if (old_ht2_ent_val == COPIED_VALUE) {
294         TRACE("h0", "hti_copy_entry: nested copy in progress; copy %p to next table %p", ht2_ent, ht2->next);
295         return hti_copy_entry(ht1, ht1_ent, key_hash, ht2->next); // recursive tail-call
296     }
297
298     // Mark the old entry as dead.
299     ht1_ent->val = COPIED_VALUE;
300
301     // Update the count if we were the one that completed the copy.
302     if (old_ht2_ent_val == DOES_NOT_EXIST) {
303         TRACE("h0", "hti_copy_entry: key %p value %p copied to new entry", key, ht1_ent_val);
304         (void)SYNC_ADD(&ht1->count, -1);
305         (void)SYNC_ADD(&ht2->count, 1);
306         return TRUE;
307     }
308
309     TRACE("h0", "hti_copy_entry: lost race to install value %p in new entry; found value %p",
310                 ht1_ent_val, old_ht2_ent_val);
311     return FALSE; // another thread completed the copy
312 }
313
314 // Compare <expected> with the existing value associated with <key>. If the values match then
315 // replace the existing value with <new>. If <new> is DOES_NOT_EXIST, delete the value associated with
316 // the key by replacing it with a TOMBSTONE.
317 //
318 // Return the previous value associated with <key>, or DOES_NOT_EXIST if <key> is not in the table
319 // or associated with a TOMBSTONE. If a copy is in progress and <key> has been copied to the next
320 // table then return COPIED_VALUE.
321 //
322 // NOTE: the returned value matches <expected> iff the set succeeds
323 //
324 // Certain values of <expected> have special meaning. If <expected> is CAS_EXPECT_EXISTS then any
325 // real value matches (i.ent. not a TOMBSTONE or DOES_NOT_EXIST) as long as <key> is in the table. If
326 // <expected> is CAS_EXPECT_WHATEVER then skip the test entirely.
327 //
328 static map_val_t hti_cas (hti_t *hti, map_key_t key, uint32_t key_hash, map_val_t expected, map_val_t new) {
329     TRACE("h1", "hti_cas: hti %p key %p", hti, key);
330     TRACE("h1", "hti_cas: value %p expect %p", new, expected);
331     assert(hti);
332     assert(!IS_TAGGED(new, TAG1));
333     assert(key);
334
335     int is_empty;
336     volatile entry_t *ent = hti_lookup(hti, key, key_hash, &is_empty);
337
338     // There is no room for <key>, grow the table and try again.
339     if (ent == NULL) {
340         if (hti->next == NULL) {
341             hti_start_copy(hti);
342         }
343         return COPIED_VALUE;
344     }
345
346     // Install <key> in the table if it doesn't exist.
347     if (is_empty) {
348         TRACE("h0", "hti_cas: entry %p is empty", ent, 0);
349         if (expected != CAS_EXPECT_WHATEVER && expected != CAS_EXPECT_DOES_NOT_EXIST)
350             return DOES_NOT_EXIST;
351
352         // No need to do anything, <key> is already deleted.
353         if (new == DOES_NOT_EXIST)
354             return DOES_NOT_EXIST;
355
356         // Allocate <new_key>.
357         map_key_t new_key = (hti->ht->key_type == NULL)
358                           ? (map_key_t)key
359                           : (map_key_t)hti->ht->key_type->clone((void *)key);
360 #ifndef NBD32
361         if (EXPECT_FALSE(hti->ht->key_type != NULL)) {
362             // Combine <new_key> pointer with bits from its hash
363             new_key = ((uint64_t)(key_hash >> 16) << 48) | new_key;
364         }
365 #endif
366
367         // CAS the key into the table.
368         map_key_t old_ent_key = SYNC_CAS(&ent->key, DOES_NOT_EXIST, new_key);
369
370         // Retry if another thread stole the entry out from under us.
371         if (old_ent_key != DOES_NOT_EXIST) {
372             TRACE("h0", "hti_cas: lost race to install key %p in entry %p", new_key, ent);
373             TRACE("h0", "hti_cas: found %p instead of NULL",
374                         (hti->ht->key_type == NULL) ? (void *)old_ent_key : GET_PTR(old_ent_key), 0);
375             if (hti->ht->key_type != NULL) {
376                 nbd_free(GET_PTR(new_key));
377             }
378             return hti_cas(hti, key, key_hash, expected, new); // tail-call
379         }
380         TRACE("h2", "hti_cas: installed key %p in entry %p", new_key, ent);
381         SYNC_ADD(&hti->key_count, 1);
382     }
383
384     TRACE("h0", "hti_cas: entry for key %p is %p",
385                 (hti->ht->key_type == NULL) ? (void *)ent->key : GET_PTR(ent->key), ent);
386
387     // If the entry is in the middle of a copy, the copy must be completed first.
388     map_val_t ent_val = ent->val;
389     if (EXPECT_FALSE(IS_TAGGED(ent_val, TAG1))) {
390         if (ent_val != COPIED_VALUE && ent_val != TAG_VALUE(TOMBSTONE, TAG1)) {
391             int did_copy = hti_copy_entry(hti, ent, key_hash, VOLATILE_DEREF(hti).next);
392             if (did_copy) {
393                 (void)SYNC_ADD(&hti->num_entries_copied, 1);
394             }
395             TRACE("h0", "hti_cas: value in the middle of a copy, copy completed by %s",
396                         (did_copy ? "self" : "other"), 0);
397         }
398         TRACE("h0", "hti_cas: value copied to next table, retry on next table", 0, 0);
399         return COPIED_VALUE;
400     }
401
402     // Fail if the old value is not consistent with the caller's expectation.
403     int old_existed = (ent_val != TOMBSTONE && ent_val != DOES_NOT_EXIST);
404     if (EXPECT_FALSE(expected != CAS_EXPECT_WHATEVER && expected != ent_val)) {
405         if (EXPECT_FALSE(expected != (old_existed ? CAS_EXPECT_EXISTS : CAS_EXPECT_DOES_NOT_EXIST))) {
406             TRACE("h1", "hti_cas: value %p expected by caller not found; found value %p",
407                         expected, ent_val);
408             return ent_val;
409         }
410     }
411
412     // No need to update if value is unchanged.
413     if ((new == DOES_NOT_EXIST && !old_existed) || ent_val == new) {
414         TRACE("h1", "hti_cas: old value and new value were the same", 0, 0);
415         return ent_val;
416     }
417
418     // CAS the value into the entry. Retry if it fails.
419     map_val_t v = SYNC_CAS(&ent->val, ent_val, new == DOES_NOT_EXIST ? TOMBSTONE : new);
420     if (EXPECT_FALSE(v != ent_val)) {
421         TRACE("h0", "hti_cas: value CAS failed; expected %p found %p", ent_val, v);
422         return hti_cas(hti, key, key_hash, expected, new); // recursive tail-call
423     }
424
425     // The set succeeded. Adjust the value count.
426     if (old_existed && new == DOES_NOT_EXIST) {
427         (void)SYNC_ADD(&hti->count, -1);
428     } else if (!old_existed && new != DOES_NOT_EXIST) {
429         (void)SYNC_ADD(&hti->count, 1);
430     }
431
432     // Return the previous value.
433     TRACE("h0", "hti_cas: CAS succeeded; old value %p new value %p", ent_val, new);
434     return ent_val;
435 }
436
437 //
438 static map_val_t hti_get (hti_t *hti, map_key_t key, uint32_t key_hash) {
439     int is_empty;
440     volatile entry_t *ent = hti_lookup(hti, key, key_hash, &is_empty);
441
442     // When hti_lookup() returns NULL it means we hit the reprobe limit while
443     // searching the table. In that case, if a copy is in progress the key
444     // might exist in the copy.
445     if (EXPECT_FALSE(ent == NULL)) {
446         if (VOLATILE_DEREF(hti).next != NULL)
447             return hti_get(hti->next, key, key_hash); // recursive tail-call
448         return DOES_NOT_EXIST;
449     }
450
451     if (is_empty)
452         return DOES_NOT_EXIST;
453
454     // If the entry is being copied, finish the copy and retry on the next table.
455     map_val_t ent_val = ent->val;
456     if (EXPECT_FALSE(IS_TAGGED(ent_val, TAG1))) {
457         if (EXPECT_FALSE(ent_val != COPIED_VALUE && ent_val != TAG_VALUE(TOMBSTONE, TAG1))) {
458             int did_copy = hti_copy_entry(hti, ent, key_hash, VOLATILE_DEREF(hti).next);
459             if (did_copy) {
460                 (void)SYNC_ADD(&hti->num_entries_copied, 1);
461             }
462         }
463         return hti_get(VOLATILE_DEREF(hti).next, key, key_hash); // tail-call
464     }
465
466     return (ent_val == TOMBSTONE) ? DOES_NOT_EXIST : ent_val;
467 }
468
469 //
470 map_val_t ht_get (hashtable_t *ht, map_key_t key) {
471 #ifdef NBD32
472     uint32_t hash = (ht->key_type == NULL) ? murmur32_4b((uint64_t)key) : ht->key_type->hash((void *)key);
473 #else
474     uint32_t hash = (ht->key_type == NULL) ? murmur32_8b((uint64_t)key) : ht->key_type->hash((void *)key);
475 #endif
476     return hti_get(ht->hti, key, hash);
477 }
478
479 // returns TRUE if copy is done
480 static int hti_help_copy (hti_t *hti) {
481     volatile entry_t *ent;
482     size_t limit;
483     size_t total_copied = hti->num_entries_copied;
484     size_t num_copied = 0;
485     size_t x = hti->copy_scan;
486
487     TRACE("h1", "ht_cas: help copy. scan is %llu, size is %llu", x, 1<<hti->scale);
488     if (total_copied != (1ULL << hti->scale)) {
489         // Panic if we've been around the array twice and still haven't finished the copy.
490         int panic = (x >= (1ULL << (hti->scale + 1)));
491         if (!panic) {
492             limit = ENTRIES_PER_COPY_CHUNK;
493
494             // Reserve some entries for this thread to copy. There is a race condition here because the
495             // fetch and add isn't atomic, but that is ok.
496             hti->copy_scan = x + ENTRIES_PER_COPY_CHUNK;
497
498             // <copy_scan> might be larger than the size of the table, if some thread stalls while
499             // copying. In that case we just wrap around to the begining and make another pass through
500             // the table.
501             ent = hti->table + (x & MASK(hti->scale));
502         } else {
503             TRACE("h1", "ht_cas: help copy panic", 0, 0);
504             // scan the whole table
505             ent = hti->table;
506             limit = (1ULL << hti->scale);
507         }
508
509         // Copy the entries
510         for (int i = 0; i < limit; ++i) {
511             num_copied += hti_copy_entry(hti, ent++, 0, hti->next);
512             assert(ent <= hti->table + (1ULL << hti->scale));
513         }
514         if (num_copied != 0) {
515             total_copied = SYNC_ADD(&hti->num_entries_copied, num_copied);
516         }
517     }
518
519     return (total_copied == (1ULL << hti->scale));
520 }
521
522 static void hti_defer_free (hti_t *hti) {
523     assert(hti->ref_count == 0);
524
525     for (uint32_t i = 0; i < (1ULL << hti->scale); ++i) {
526         map_key_t key = hti->table[i].key;
527         map_val_t val = hti->table[i].val;
528         if (val == COPIED_VALUE)
529             continue;
530         assert(!IS_TAGGED(val, TAG1) || val == TAG_VALUE(TOMBSTONE, TAG1)); // copy not in progress
531         if (hti->ht->key_type != NULL && key != DOES_NOT_EXIST) {
532             rcu_defer_free(GET_PTR(key));
533         }
534     }
535 #ifdef USE_SYSTEM_MALLOC
536     rcu_defer_free(hti->unaligned_table_ptr);
537 #else
538     rcu_defer_free((void *)hti->table);
539 #endif
540     rcu_defer_free(hti);
541 }
542
543 static void hti_release (hti_t *hti) {
544     assert(hti->ref_count > 0);
545     int ref_count = SYNC_ADD(&hti->ref_count, -1);
546     if (ref_count == 0) {
547         hti_defer_free(hti);
548     }
549 }
550
551 //
552 map_val_t ht_cas (hashtable_t *ht, map_key_t key, map_val_t expected_val, map_val_t new_val) {
553
554     TRACE("h2", "ht_cas: key %p ht %p", key, ht);
555     TRACE("h2", "ht_cas: expected val %p new val %p", expected_val, new_val);
556     assert(key != DOES_NOT_EXIST);
557     assert(!IS_TAGGED(new_val, TAG1) && new_val != DOES_NOT_EXIST && new_val != TOMBSTONE);
558
559     hti_t *hti = ht->hti;
560
561     // Help with an ongoing copy.
562     if (EXPECT_FALSE(hti->next != NULL)) {
563         int done = hti_help_copy(hti);
564
565         // Unlink fully copied tables.
566         if (done) {
567             assert(hti->next);
568             if (SYNC_CAS(&ht->hti, hti, hti->next) == hti) {
569                 hti_release(hti);
570             }
571         }
572     }
573
574     map_val_t old_val;
575 #ifdef NBD32
576     uint32_t key_hash = (ht->key_type == NULL) ? murmur32_4b((uint64_t)key) : ht->key_type->hash((void *)key);
577 #else
578     uint32_t key_hash = (ht->key_type == NULL) ? murmur32_8b((uint64_t)key) : ht->key_type->hash((void *)key);
579 #endif
580     while ((old_val = hti_cas(hti, key, key_hash, expected_val, new_val)) == COPIED_VALUE) {
581         assert(hti->next);
582         hti = hti->next;
583     }
584
585     return old_val == TOMBSTONE ? DOES_NOT_EXIST : old_val;
586 }
587
588 // Remove the value in <ht> associated with <key>. Returns the value removed, or DOES_NOT_EXIST if there was
589 // no value for that key.
590 map_val_t ht_remove (hashtable_t *ht, map_key_t key) {
591     hti_t *hti = ht->hti;
592     map_val_t val;
593 #ifdef NBD32
594     uint32_t key_hash = (ht->key_type == NULL) ? murmur32_4b((uint64_t)key) : ht->key_type->hash((void *)key);
595 #else
596     uint32_t key_hash = (ht->key_type == NULL) ? murmur32_8b((uint64_t)key) : ht->key_type->hash((void *)key);
597 #endif
598     do {
599         val = hti_cas(hti, key, key_hash, CAS_EXPECT_WHATEVER, DOES_NOT_EXIST);
600         if (val != COPIED_VALUE)
601             return val == TOMBSTONE ? DOES_NOT_EXIST : val;
602         assert(hti->next);
603         hti = hti->next;
604         assert(hti);
605     } while (1);
606 }
607
608 // Returns the number of key-values pairs in <ht>
609 size_t ht_count (hashtable_t *ht) {
610     hti_t *hti = ht->hti;
611     size_t count = 0;
612     while (hti) {
613         count += hti->count;
614         hti = hti->next;
615     }
616     return count;
617 }
618
619 // Allocate and initialize a new hash table.
620 hashtable_t *ht_alloc (const datatype_t *key_type) {
621     hashtable_t *ht = nbd_malloc(sizeof(hashtable_t));
622     ht->key_type = key_type;
623     ht->hti = (hti_t *)hti_alloc(ht, MIN_SCALE);
624     ht->hti_copies = 0;
625     ht->density = 0.0;
626     return ht;
627 }
628
629 // Free <ht> and its internal structures.
630 void ht_free (hashtable_t *ht) {
631     hti_t *hti = ht->hti;
632     do {
633         hti_t *next = hti->next;
634         assert(hti->ref_count == 1);
635         hti_release(hti);
636         hti = next;
637     } while (hti);
638     nbd_free(ht);
639 }
640
641 void ht_print (hashtable_t *ht, int verbose) {
642     printf("probe:%-2d density:%.1f%% count:%-8lld ", ht->probe, ht->density, (uint64_t)ht_count(ht));
643     hti_t *hti = ht->hti;
644     while (hti) {
645         if (verbose) {
646             for (int i = 0; i < (1ULL << hti->scale); ++i) {
647                 volatile entry_t *ent = hti->table + i;
648                 printf("[0x%x] 0x%llx:0x%llx\n", i, (uint64_t)ent->key, (uint64_t)ent->val);
649                 if (i > 30) {
650                     printf("...\n");
651                     break;
652                 }
653             }
654         }
655         int scale = hti->scale;
656         printf("hti count:%lld scale:%d key density:%.1f%% value density:%.1f%% probe:%d\n",
657                 (uint64_t)hti->count, scale, (double)hti->key_count / (1ULL << scale) * 100,
658                 (double)hti->count / (1ULL << scale) * 100, hti->probe);
659         hti = hti->next;
660     }
661 }
662
663 ht_iter_t *ht_iter_begin (hashtable_t *ht, map_key_t key) {
664     hti_t *hti;
665     int ref_count;
666     do {
667         hti = ht->hti;
668         while (hti->next != NULL) {
669             do { } while (hti_help_copy(hti) != TRUE);
670             hti = hti->next;
671         }
672         do {
673             ref_count = hti->ref_count;
674             if(ref_count == 0)
675                 break;
676         } while (ref_count != SYNC_CAS(&hti->ref_count, ref_count, ref_count + 1));
677     } while (ref_count == 0);
678
679     ht_iter_t *iter = nbd_malloc(sizeof(ht_iter_t));
680     iter->hti = hti;
681     iter->idx = -1;
682
683     return iter;
684 }
685
686 map_val_t ht_iter_next (ht_iter_t *iter, map_key_t *key_ptr) {
687     volatile entry_t *ent;
688     map_key_t key;
689     map_val_t val;
690     size_t table_size = (1ULL << iter->hti->scale);
691     do {
692         iter->idx++;
693         if (iter->idx == table_size) {
694             return DOES_NOT_EXIST;
695         }
696         ent = &iter->hti->table[iter->idx];
697         key = (iter->hti->ht->key_type == NULL) ? (map_key_t)ent->key : (map_key_t)GET_PTR(ent->key);
698         val = ent->val;
699
700     } while (key == DOES_NOT_EXIST || val == DOES_NOT_EXIST || val == TOMBSTONE);
701
702     if (val == COPIED_VALUE) {
703         const datatype_t *key_type = iter->hti->ht->key_type;
704 #ifdef NBD32
705         uint32_t hash = (key_type == NULL) ? murmur32_4b((uint64_t)key) : key_type->hash((void *)key);
706 #else
707         uint32_t hash = (key_type == NULL) ? murmur32_8b((uint64_t)key) : key_type->hash((void *)key);
708 #endif
709         val = hti_get(iter->hti->next, (map_key_t)ent->key, hash);
710
711         // Go to the next entry if key is already deleted.
712         if (val == DOES_NOT_EXIST)
713             return ht_iter_next(iter, key_ptr); // recursive tail-call
714     }
715
716     if (key_ptr) {
717         *key_ptr = key;
718     }
719     return val;
720 }
721
722 void ht_iter_free (ht_iter_t *iter) {
723     hti_release(iter->hti);
724     nbd_free(iter);
725 }