]> pd.if.org Git - nbds/blobdiff - struct/skiplist.c
separate tests out into their own files
[nbds] / struct / skiplist.c
index 9a26720001474f2858b53a46530b30b3e3c20de2..df8e98a75ea6c2bafe77dec7ec6ddae1c50f16c9 100644 (file)
@@ -2,23 +2,28 @@
  * 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 depends on certain stores and loads being ordered. Be careful on non-x86 platforms
- * with weaker memory-models. This code probably won't work without adding some memory barriers.
+ * 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"
 
+// 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 {
@@ -28,59 +33,71 @@ typedef struct node {
     struct node *next[];
 } node_t;
 
-typedef struct skiplist {
+struct sl {
     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 *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;
-    }
-    return skiplist;
+    skiplist_t *sl = (skiplist_t *)nbd_malloc(sizeof(skiplist_t));
+    sl->head = node_alloc(MAX_LEVEL, 0, 0);
+    memset(sl->head->next, 0, (MAX_LEVEL+1) * sizeof(skiplist_t *));
+    return sl;
 }
 
-static node_t *find_preds (node_t **preds, skiplist_t *skiplist, uint64_t key, int help_remove) {
-    node_t *pred = skiplist->head;
+static node_t *find_preds (node_t *preds[MAX_LEVEL+1], int n, skiplist_t *sl, uint64_t key, int help_remove) {
+    node_t *pred = sl->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;
+    TRACE("s3", "find_preds: searching for key %p in sl (head is %p)", key, pred);
+
+    int start_level = MAX_LEVEL;
+#if MAX_LEVEL > 2
+    // Optimization for small lists. No need to traverse empty higher levels.
+    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;
+    }
 #endif
 
-    // Traverse the levels of the skiplist from the top level to the bottom
-    for (int level = MAX_LEVEL; level >= 0; --level) {
+    // Traverse the levels of <sl> from the top level to the bottom
+    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, sl, 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);
@@ -91,6 +108,8 @@ 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;
                 }
@@ -99,6 +118,8 @@ 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);
@@ -106,64 +127,76 @@ 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, sl, 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] = sl->head;
+        }
     }
     return item;
 }
 
 // Fast find that does not help unlink partially removed nodes and does not return the node's predecessors.
-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, skiplist, key, FALSE);
+uint64_t sl_lookup (skiplist_t *sl, uint64_t key) {
+    TRACE("s3", "sl_lookup: searching for key %p in sl %p", key, sl);
+    node_t *item = find_preds(NULL, 0, sl, 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 sl_add_r (int r, skiplist_t *skiplist, uint64_t key, uint64_t value) {
+// Insert the <key> if it doesn't already exist in <sl>
+uint64_t sl_add (skiplist_t *sl, 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, sl, key, TRUE);
 
-        // If a node matching <key> already exists in the skiplist, return its value.
-        if (next->key == key) {
+        // If a node matching <key> already exists in <sl>, return its 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(r), key, value); }
+        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", "sl_add: successfully inserted item %p at level 0", item, 0);
             break; // success
@@ -172,16 +205,20 @@ uint64_t sl_add_r (int r, skiplist_t *skiplist, uint64_t key, uint64_t value) {
 
     } while (1);
 
-    // Insert <item> into the skiplist from the bottom level up.
+    // Insert <item> into <sl> 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, sl, key, TRUE);
+            } while (1);
 
             do {
                 // There in no need to continue linking in the item if another thread removed it.
@@ -207,16 +244,16 @@ uint64_t sl_add_r (int r, skiplist_t *skiplist, uint64_t key, uint64_t value) {
     return value;
 }
 
-uint64_t sl_remove (skiplist_t *skiplist, uint64_t key) {
-    TRACE("s3", "sl_remove: removing item with key %p from skiplist %p", key, skiplist);
+uint64_t sl_remove (skiplist_t *sl, uint64_t key) {
+    TRACE("s3", "sl_remove: removing item with key %p from sl %p", key, sl);
     node_t *preds[MAX_LEVEL+1];
-    node_t *item = find_preds(preds, skiplist, key, TRUE);
-    if (item->key != key) {
-        TRACE("s3", "sl_remove: remove failed, an item with a matching key does not exist in the skiplist", 0, 0);
+    node_t *item = find_preds(preds, -1, sl, 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 sl", 0, 0);
         return DOES_NOT_EXIST;
     }
 
-    // Mark <item> removed at each level of the skiplist from the top down. This must be atomic. If multiple threads
+    // Mark <item> removed at each level of <sl> from the top down. This must be atomic. If multiple threads
     // try to remove the same item only one of them should succeed. Marking the bottom level establishes which of 
     // them succeeds.
     for (int level = item->top_level; level >= 0; --level) {
@@ -247,7 +284,7 @@ uint64_t sl_remove (skiplist_t *skiplist, uint64_t key) {
         if ((other = SYNC_CAS(&pred->next[level], item, STRIP_TAG(next))) != item) {
             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.
+            // unlinked. Another thread will finish physically removing it from <sl>.
             return value;
         }
         --level; 
@@ -258,15 +295,15 @@ uint64_t sl_remove (skiplist_t *skiplist, uint64_t key) {
     return value;
 }
 
-void sl_print (skiplist_t *skiplist) {
+void sl_print (skiplist_t *sl) {
     for (int level = MAX_LEVEL; level >= 0; --level) {
-        node_t *item = skiplist->head;
-        if (item->next[level] == skiplist->last)
+        node_t *item = sl->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");
@@ -274,115 +311,24 @@ void sl_print (skiplist_t *skiplist) {
     }
 
     printf("\n");
-    node_t *item = skiplist->head;
+    node_t *item = sl->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);
+        printf("%s%p:0x%llx ", is_marked ? "*" : "", item, item->key);
+        if (item != sl->head) {
+            printf("[%d]", item->top_level);
+        } else {
+            printf("[*]");
+        }
         for (int level = 1; level <= item->top_level; ++level) {
             node_t *next = (node_t *)STRIP_TAG(item->next[level]);
-            printf(" %p:0x%llx", item->next[level], next ? next->key : 0);
-            if (item == skiplist->head && item->next[level] == skiplist->last)
-                break;
-            if (item == skiplist->last && item->next[level] == NULL)
+            is_marked = IS_TAGGED(item->next[0]);
+            printf(" %p%s", next, is_marked ? "*" : "");
+            if (item == sl->head && item->next[level] == NULL)
                 break;
         }
-        printf(")\n");
+        printf("\n");
         fflush(stdout);
         item = (node_t *)STRIP_TAG(item->next[0]);
     }
 }
-
-#ifdef MAKE_skiplist_test
-#include <errno.h>
-#include <pthread.h>
-#include <sys/time.h>
-
-#include "runtime.h"
-
-#define NUM_ITERATIONS 10000000
-
-static volatile int wait_;
-static long num_threads_;
-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)) {
-            sl_add_r(n, sl_, key, 1);
-        } else {
-            sl_remove(sl_, key);
-        }
-
-        rcu_update();
-    }
-
-    return NULL;
-}
-
-int main (int argc, char **argv) {
-    nbd_init();
-    lwt_set_trace_level("s3");
-
-    char* program_name = argv[0];
-    pthread_t thread[MAX_NUM_THREADS];
-
-    if (argc > 2) {
-        fprintf(stderr, "Usage: %s num_threads\n", program_name);
-        return -1;
-    }
-
-    num_threads_ = 2;
-    if (argc == 2)
-    {
-        errno = 0;
-        num_threads_ = strtol(argv[1], NULL, 10);
-        if (errno) {
-            fprintf(stderr, "%s: Invalid argument for number of threads\n", program_name);
-            return -1;
-        }
-        if (num_threads_ <= 0) {
-            fprintf(stderr, "%s: Number of threads must be at least 1\n", program_name);
-            return -1;
-        }
-        if (num_threads_ > MAX_NUM_THREADS) {
-            fprintf(stderr, "%s: Number of threads cannot be more than %d\n", program_name, MAX_NUM_THREADS);
-            return -1;
-        }
-    }
-
-    sl_ = sl_alloc();
-
-    struct timeval tv1, tv2;
-    gettimeofday(&tv1, NULL);
-
-    wait_ = num_threads_;
-
-    for (int i = 0; i < num_threads_; ++i) {
-        int rc = nbd_thread_create(thread + i, i, worker, (void*)(size_t)i);
-        if (rc != 0) { perror("pthread_create"); return rc; }
-    }
-
-    for (int i = 0; i < num_threads_; ++i) {
-        pthread_join(thread[i], NULL);
-    }
-
-    gettimeofday(&tv2, NULL);
-    int ms = (int)(1000000*(tv2.tv_sec - tv1.tv_sec) + tv2.tv_usec - tv1.tv_usec) / 1000;
-    printf("Th:%ld Time:%dms\n", num_threads_, ms);
-    sl_print(sl_);
-    lwt_dump("lwt.out");
-
-    return 0;
-}
-#endif//skiplist_test