]> pd.if.org Git - nbds/blobdiff - struct/skiplist.c
use NULL instead of a sentinal node in skiplist and list
[nbds] / struct / skiplist.c
index 2d81fdd42364be4fd766f1b354dafdc58d6427df..5e9066c280165b078ddc3cbd5a7613d442df4502 100644 (file)
@@ -2,22 +2,29 @@
  * Written by Josh Dybnis and released to the public domain, as explained at
  * http://creativecommons.org/licenses/publicdomain
  *
- * C implementation of the lock-free skiplist data-structure created by Maurice Herlihy, 
- * Yossi Lev, and Nir Shavit. See "The Art of Multiprocessor Programming"
+ * Implementation of the lock-free skiplist data-structure created by Maurice Herlihy, Yossi Lev,
+ * and Nir Shavit. See Herlihy's and Shivit's book "The Art of Multiprocessor Programming".
  * http://www.amazon.com/Art-Multiprocessor-Programming-Maurice-Herlihy/dp/0123705916/
  *
- * See also Kir Fraser's dissertation "Practical Lock Freedom"
+ * See also Kir Fraser's dissertation "Practical Lock Freedom".
  * www.cl.cam.ac.uk/techreports/UCAM-CL-TR-579.pdf
  *
+ * This code is written for the x86 memory-model. The algorithim depends on certain stores and
+ * loads being ordered. Be careful, this code probably won't work correctly on platforms with
+ * weaker memory models if you don't add memory barriers in the right places.
  */
 #include <stdio.h>
 #include <string.h>
 
 #include "common.h"
+#include "runtime.h"
 #include "struct.h"
 #include "mem.h"
+#include "tls.h"
 
-#define MAX_LEVEL 3
+// Setting MAX_LEVEL to 0 essentially makes this data structure the Harris-Michael lock-free list
+// in list.c
+#define MAX_LEVEL 31
 
 typedef struct node {
     uint64_t key;
@@ -28,57 +35,67 @@ typedef struct node {
 
 typedef struct skiplist {
     node_t *head;
-    node_t *last;
-    int top_level;
 } skiplist_t;
 
-static int random_level (int r) {
+static int random_level (void) {
+    unsigned r = nbd_rand();
     if (r&1)
         return 0;
-    int n = __builtin_ctz(r);
-    if (n < MAX_LEVEL)
-        return n;
-    return MAX_LEVEL;
+    int n = __builtin_ctz(r)-1;
+#if MAX_LEVEL < 31
+    if (n > MAX_LEVEL)
+        return MAX_LEVEL;
+#endif
+    assert(n <= MAX_LEVEL);
+    return n;
 }
 
-node_t *node_alloc (int top_level, uint64_t key, uint64_t value) {
-    assert(top_level >= 0 && top_level <= MAX_LEVEL);
-    size_t sz = sizeof(node_t) + (top_level + 1) * sizeof(node_t *);
+node_t *node_alloc (int level, uint64_t key, uint64_t value) {
+    assert(level >= 0 && level <= MAX_LEVEL);
+    size_t sz = sizeof(node_t) + (level + 1) * sizeof(node_t *);
     node_t *item = (node_t *)nbd_malloc(sz);
     memset(item, 0, sz);
     item->key   = key;
     item->value = value;
-    item->top_level = top_level;
+    item->top_level = level;
     return item;
 }
 
-skiplist_t *skiplist_alloc (void) {
+skiplist_t *sl_alloc (void) {
     skiplist_t *skiplist = (skiplist_t *)nbd_malloc(sizeof(skiplist_t));
     skiplist->head = node_alloc(MAX_LEVEL, 0, 0);
-    skiplist->last = node_alloc(MAX_LEVEL, (uint64_t)-1, 0);
-    for (int level = 0; level <= MAX_LEVEL; ++level) {
-        skiplist->head->next[level] = skiplist->last;
-    }
+    memset(skiplist->head->next, 0, (MAX_LEVEL+1) * sizeof(skiplist_t *));
     return skiplist;
 }
 
-static node_t *find_preds (node_t **preds, skiplist_t *skiplist, uint64_t key, int help_remove) {
+static node_t *find_preds (node_t *preds[MAX_LEVEL+1], int n, skiplist_t *skiplist, uint64_t key, int help_remove) {
     node_t *pred = skiplist->head;
     node_t *item = NULL;
     TRACE("s3", "find_preds: searching for key %p in skiplist (head is %p)", key, pred);
-#ifndef NDEBUG
-    int count = 0;
-#endif
+
+    // Optimization for small lists. No need to traverse empty higher levels.
+    assert(MAX_LEVEL > 2);
+    int start_level = 2;
+    while (pred->next[start_level+1] != NULL) {
+        start_level += start_level - 1;
+        if (EXPECT_FALSE(start_level >= MAX_LEVEL)) {
+            start_level = MAX_LEVEL;
+            break;
+        }
+    }
+    if (EXPECT_FALSE(start_level < n)) {
+        start_level = n;
+    }
 
     // Traverse the levels of the skiplist from the top level to the bottom
-    for (int level = MAX_LEVEL; level >= 0; --level) {
+    for (int level = start_level; level >= 0; --level) {
         TRACE("s3", "find_preds: level %llu", level, 0);
         item = pred->next[level];
-        if (IS_TAGGED(item)) {
+        if (EXPECT_FALSE(IS_TAGGED(item))) {
             TRACE("s3", "find_preds: pred %p is marked for removal (item %p); retry", pred, item);
-            return find_preds(preds, skiplist, key, help_remove); // retry
+            return find_preds(preds, n, skiplist, key, help_remove); // retry
         }
-        do {
+        while (item != NULL) {
             node_t *next = item->next[level];
             TRACE("s3", "find_preds: visiting item %p (next %p)", item, next);
             TRACE("s3", "find_preds: key %p", item->key, 0);
@@ -89,6 +106,8 @@ static node_t *find_preds (node_t **preds, skiplist_t *skiplist, uint64_t key, i
                 // Skip over partially removed items.
                 if (!help_remove) {
                     item = (node_t *)STRIP_TAG(item->next);
+                    if (EXPECT_FALSE(item == NULL))
+                        break;
                     next = item->next[level];
                     continue;
                 }
@@ -97,6 +116,8 @@ static node_t *find_preds (node_t **preds, skiplist_t *skiplist, uint64_t key, i
                 node_t *other;
                 if ((other = SYNC_CAS(&pred->next[level], item, STRIP_TAG(next))) == item) {
                     item = (node_t *)STRIP_TAG(next);
+                    if (EXPECT_FALSE(item == NULL))
+                        break;
                     next = item->next[level];
                     TRACE("s3", "find_preds: unlinked item %p from pred %p", item, pred);
                     TRACE("s3", "find_preds: now item is %p next is %p", item, next);
@@ -104,82 +125,98 @@ static node_t *find_preds (node_t **preds, skiplist_t *skiplist, uint64_t key, i
                     // The thread that completes the unlink should free the memory.
                     if (level == 0) { nbd_defer_free(other); }
                 } else {
-                    TRACE("s3", "find_preds: lost race to unlink item from pred %p; its link changed to %p",pred,other);
+                    TRACE("s3", "find_preds: lost race to unlink from pred %p; its link changed to %p", pred, other);
                     if (IS_TAGGED(other))
-                        return find_preds(preds, skiplist, key, help_remove); // retry
+                        return find_preds(preds, n, skiplist, key, help_remove); // retry
                     item = other;
+                    if (EXPECT_FALSE(item == NULL))
+                        break;
                     next = item->next[level];
                 }
             }
 
+            if (EXPECT_FALSE(item == NULL))
+                break;
+
             // If we reached the key (or passed where it should be), we found a pred. Save it and continue down.
             if (item->key >= key) {
                 TRACE("s3", "find_preds: found pred %p item %p", pred, item);
-                if (preds != NULL) {
-                    preds[level] = pred;
-                }
                 break;
             }
 
-            assert(count++ < 18);
             pred = item;
             item = next;
-
-        } while (1);
+        }
+        if (preds != NULL) {
+            preds[level] = pred;
+        }
+    }
+    if (n == -1 && item != NULL) {
+        assert(preds != NULL);
+        for (int level = start_level + 1; level <= item->top_level; ++level) {
+            preds[level] = skiplist->head;
+        }
     }
     return item;
 }
 
 // Fast find that does not help unlink partially removed nodes and does not return the node's predecessors.
-uint64_t skiplist_lookup (skiplist_t *skiplist, uint64_t key) {
-    TRACE("s3", "skiplist_lookup: searching for key %p in skiplist %p", key, skiplist);
-    node_t *item = find_preds(NULL, skiplist, key, FALSE);
+uint64_t sl_lookup (skiplist_t *skiplist, uint64_t key) {
+    TRACE("s3", "sl_lookup: searching for key %p in skiplist %p", key, skiplist);
+    node_t *item = find_preds(NULL, 0, skiplist, key, FALSE);
 
     // If we found an <item> matching the <key> return its value.
-    return (item->key == key) ? item->value : DOES_NOT_EXIST;
+    return (item && item->key == key) ? item->value : DOES_NOT_EXIST;
 }
 
 // Insert the <key> if it doesn't already exist in the <skiplist>
-uint64_t skiplist_add_i (int n, skiplist_t *skiplist, uint64_t key, uint64_t value) {
-    TRACE("s3", "skiplist_add: inserting key %p value %p", key, value);
+uint64_t sl_add (skiplist_t *skiplist, uint64_t key, uint64_t value) {
+    TRACE("s3", "sl_add: inserting key %p value %p", key, value);
     node_t *preds[MAX_LEVEL+1];
     node_t *item = NULL;
     do {
-        node_t *next = find_preds(preds, skiplist, key, TRUE);
+        int n = random_level();
+        node_t *next = find_preds(preds, n, skiplist, key, TRUE);
 
         // If a node matching <key> already exists in the skiplist, return its value.
-        if (next->key == key) {
-            TRACE("s3", "skiplist_add: there is already an item %p (value %p) with the same key", next, next->value);
+        if (next != NULL && next->key == key) {
+            TRACE("s3", "sl_add: there is already an item %p (value %p) with the same key", next, next->value);
             if (EXPECT_FALSE(item != NULL)) { nbd_free(item); }
             return next->value;
         }
 
         // First insert <item> into the bottom level.
-        if (EXPECT_TRUE(item == NULL)) { item = node_alloc(random_level(n), key, value); }
-        TRACE("s3", "skiplist_add: attempting to insert item between %p and %p", preds[0], next);
+        if (EXPECT_TRUE(item == NULL)) { item = node_alloc(n, key, value); }
+        TRACE("s3", "sl_add: attempting to insert item between %p and %p", preds[0], next);
         item->next[0] = next;
         for (int level = 1; level <= item->top_level; ++level) {
-            item->next[level] = preds[level]->next[level];
+            node_t *pred = preds[level];
+            item->next[level] = pred->next[level];
         }
-        node_t *other = SYNC_CAS(&preds[0]->next[0], next, item);
+        node_t *pred = preds[0];
+        node_t *other = SYNC_CAS(&pred->next[0], next, item);
         if (other == next) {
-            TRACE("s3", "skiplist_add: successfully inserted item %p at level 0", item, 0);
+            TRACE("s3", "sl_add: successfully inserted item %p at level 0", item, 0);
             break; // success
         }
-        TRACE("s3", "skiplist_add: failed to change pred's link: expected %p found %p", next, other);
+        TRACE("s3", "sl_add: failed to change pred's link: expected %p found %p", next, other);
 
     } while (1);
 
     // Insert <item> into the skiplist from the bottom level up.
     for (int level = 1; level <= item->top_level; ++level) {
         do {
-            node_t *pred = preds[level];
-            node_t *next = pred->next[level];
-            while (EXPECT_FALSE(IS_TAGGED(next) || next->key < key)) {
-                find_preds(preds, skiplist, key, TRUE);
+            node_t *pred;
+            node_t *next;
+            do {
                 pred = preds[level];
                 next = pred->next[level];
-            }
+                if (next == NULL) // item goes at the end of the list
+                    break;
+                if (!IS_TAGGED(next) && next->key > key) // pred's link changed
+                    break;
+                find_preds(preds, item->top_level, skiplist, key, TRUE);
+            } while (1);
 
             do {
                 // There in no need to continue linking in the item if another thread removed it.
@@ -192,25 +229,25 @@ uint64_t skiplist_add_i (int n, skiplist_t *skiplist, uint64_t key, uint64_t val
                     break;
             } while (1);
 
-            TRACE("s3", "skiplist_add: attempting to insert item between %p and %p", pred, next);
+            TRACE("s3", "sl_add: attempting to insert item between %p and %p", pred, next);
             node_t *other = SYNC_CAS(&pred->next[level], next, item);
             if (other == next) {
-                TRACE("s3", "skiplist_add: successfully inserted item %p at level %llu", item, level);
+                TRACE("s3", "sl_add: successfully inserted item %p at level %llu", item, level);
                 break; // success
             }
-            TRACE("s3", "skiplist_add: failed to change pred's link: expected %p found %p", next, other);
+            TRACE("s3", "sl_add: failed to change pred's link: expected %p found %p", next, other);
 
         } while (1);
     }
     return value;
 }
 
-uint64_t skiplist_remove (skiplist_t *skiplist, uint64_t key) {
-    TRACE("s3", "skiplist_remove: removing item with key %p from skiplist %p", key, skiplist);
+uint64_t sl_remove (skiplist_t *skiplist, uint64_t key) {
+    TRACE("s3", "sl_remove: removing item with key %p from skiplist %p", key, skiplist);
     node_t *preds[MAX_LEVEL+1];
-    node_t *item = find_preds(preds, skiplist, key, TRUE);
-    if (item->key != key) {
-        TRACE("s3", "skiplist_remove: remove failed, an item with a matching key does not exist in the skiplist", 0, 0);
+    node_t *item = find_preds(preds, -1, skiplist, key, TRUE);
+    if (item == NULL || item->key != key) {
+        TRACE("s3", "sl_remove: remove failed, an item with a matching key does not exist in the skiplist", 0, 0);
         return DOES_NOT_EXIST;
     }
 
@@ -219,14 +256,14 @@ uint64_t skiplist_remove (skiplist_t *skiplist, uint64_t key) {
     // them succeeds.
     for (int level = item->top_level; level >= 0; --level) {
         if (EXPECT_FALSE(IS_TAGGED(item->next[level]))) {
-            TRACE("s3", "skiplist_remove: %p is already marked for removal by another thread", item, 0);
+            TRACE("s3", "sl_remove: %p is already marked for removal by another thread", item, 0);
             if (level == 0)
                 return DOES_NOT_EXIST;
             continue;
         }
         node_t *next = SYNC_FETCH_AND_OR(&item->next[level], TAG);
         if (EXPECT_FALSE(IS_TAGGED(next))) {
-            TRACE("s3", "skiplist_remove: lost race -- %p is already marked for removal by another thread", item, 0);
+            TRACE("s3", "sl_remove: lost race -- %p is already marked for removal by another thread", item, 0);
             if (level == 0)
                 return DOES_NOT_EXIST;
             continue;
@@ -240,10 +277,10 @@ uint64_t skiplist_remove (skiplist_t *skiplist, uint64_t key) {
     while (level >= 0) {
         node_t *pred = preds[level];
         node_t *next = item->next[level];
-        TRACE("s3", "skiplist_remove: link item's pred %p to it's successor %p", pred, STRIP_TAG(next));
+        TRACE("s3", "sl_remove: link item's pred %p to it's successor %p", pred, STRIP_TAG(next));
         node_t *other = NULL;
         if ((other = SYNC_CAS(&pred->next[level], item, STRIP_TAG(next))) != item) {
-            TRACE("s3", "skiplist_remove: unlink failed; pred's link changed from %p to %p", item, other);
+            TRACE("s3", "sl_remove: unlink failed; pred's link changed from %p to %p", item, other);
             // By marking the item earlier, we logically removed it. It is safe to leave the item partially
             // unlinked. Another thread will finish physically removing it from the skiplist.
             return value;
@@ -256,29 +293,34 @@ uint64_t skiplist_remove (skiplist_t *skiplist, uint64_t key) {
     return value;
 }
 
-void skiplist_print (skiplist_t *skiplist) {
+void sl_print (skiplist_t *skiplist) {
     for (int level = MAX_LEVEL; level >= 0; --level) {
-        printf("(%d) ", level);
         node_t *item = skiplist->head;
+        if (item->next[level] == NULL)
+            continue;
+        printf("(%d) ", level);
         while (item) {
             node_t *next = item->next[level];
-            printf("%s%p:0x%llx ", IS_TAGGED(next) ? "*" : "", item, item->key);
+            printf("%s%p ", IS_TAGGED(next) ? "*" : "", item);
             item = (node_t *)STRIP_TAG(next);
         }
         printf("\n");
         fflush(stdout);
     }
 
+    printf("\n");
     node_t *item = skiplist->head;
     while (item) {
-        assert(item->top_level <= MAX_LEVEL);
         int is_marked = IS_TAGGED(item->next[0]);
-        printf("%s%p:0x%llx (%d", is_marked ? "*" : "", item, item->key, item->top_level);
-        for (int i = 1; i <= item->top_level; ++i) {
-            node_t *next = (node_t *)STRIP_TAG(item->next[i]);
-            printf(" %p:0x%llx", item->next[i], next ? next->key : 0);
+        printf("%s%p:0x%llx [%d]", is_marked ? "*" : "", item, item->key, item->top_level);
+        for (int level = 1; level <= item->top_level; ++level) {
+            node_t *next = (node_t *)STRIP_TAG(item->next[level]);
+            is_marked = IS_TAGGED(item->next[0]);
+            printf(" %p%s", next, is_marked ? "*" : "");
+            if (item == skiplist->head && item->next[level] == NULL)
+                break;
         }
-        printf(")\n");
+        printf("\n");
         fflush(stdout);
         item = (node_t *)STRIP_TAG(item->next[0]);
     }
@@ -295,24 +337,21 @@ void skiplist_print (skiplist_t *skiplist) {
 
 static volatile int wait_;
 static long num_threads_;
-static skiplist_t *skiplist_;
+static skiplist_t *sl_;
 
 void *worker (void *arg) {
-    int id = (int)(size_t)arg;
-
-    unsigned int rand_seed = id+1;//rdtsc_l();
 
     // Wait for all the worker threads to be ready.
     SYNC_ADD(&wait_, -1);
     do {} while (wait_); 
 
     for (int i = 0; i < NUM_ITERATIONS/num_threads_; ++i) {
-        int n = rand_r(&rand_seed);
-        int key = (n & 0xF) + 1;
-        if (n & (1 << 8)) {
-            skiplist_add_i(n, skiplist_, key, 1);
+        unsigned r = nbd_rand();
+        int key = (r & 0xF) + 1;
+        if (r & (1 << 8)) {
+            sl_add(sl_, key, 1);
         } else {
-            skiplist_remove(skiplist_, key);
+            sl_remove(sl_, key);
         }
 
         rcu_update();
@@ -352,7 +391,7 @@ int main (int argc, char **argv) {
         }
     }
 
-    skiplist_ = skiplist_alloc();
+    sl_ = sl_alloc();
 
     struct timeval tv1, tv2;
     gettimeofday(&tv1, NULL);
@@ -370,9 +409,8 @@ int main (int argc, char **argv) {
 
     gettimeofday(&tv2, NULL);
     int ms = (int)(1000000*(tv2.tv_sec - tv1.tv_sec) + tv2.tv_usec - tv1.tv_usec) / 1000;
+    sl_print(sl_);
     printf("Th:%ld Time:%dms\n", num_threads_, ms);
-    skiplist_print(skiplist_);
-    lwt_dump("lwt.out");
 
     return 0;
 }