Linux 4.15.6
[linux/fpc-iii.git] / Documentation / core-api / assoc_array.rst
blob8231b915c939d54a2213248ba95704f8eb714e63
1 ========================================
2 Generic Associative Array Implementation
3 ========================================
5 Overview
6 ========
8 This associative array implementation is an object container with the following
9 properties:
11 1. Objects are opaque pointers.  The implementation does not care where they
12    point (if anywhere) or what they point to (if anything).
14    .. note::
16       Pointers to objects _must_ be zero in the least significant bit.
18 2. Objects do not need to contain linkage blocks for use by the array.  This
19    permits an object to be located in multiple arrays simultaneously.
20    Rather, the array is made up of metadata blocks that point to objects.
22 3. Objects require index keys to locate them within the array.
24 4. Index keys must be unique.  Inserting an object with the same key as one
25    already in the array will replace the old object.
27 5. Index keys can be of any length and can be of different lengths.
29 6. Index keys should encode the length early on, before any variation due to
30    length is seen.
32 7. Index keys can include a hash to scatter objects throughout the array.
34 8. The array can iterated over.  The objects will not necessarily come out in
35    key order.
37 9. The array can be iterated over whilst it is being modified, provided the
38    RCU readlock is being held by the iterator.  Note, however, under these
39    circumstances, some objects may be seen more than once.  If this is a
40    problem, the iterator should lock against modification.  Objects will not
41    be missed, however, unless deleted.
43 10. Objects in the array can be looked up by means of their index key.
45 11. Objects can be looked up whilst the array is being modified, provided the
46     RCU readlock is being held by the thread doing the look up.
48 The implementation uses a tree of 16-pointer nodes internally that are indexed
49 on each level by nibbles from the index key in the same manner as in a radix
50 tree.  To improve memory efficiency, shortcuts can be emplaced to skip over
51 what would otherwise be a series of single-occupancy nodes.  Further, nodes
52 pack leaf object pointers into spare space in the node rather than making an
53 extra branch until as such time an object needs to be added to a full node.
56 The Public API
57 ==============
59 The public API can be found in ``<linux/assoc_array.h>``.  The associative
60 array is rooted on the following structure::
62     struct assoc_array {
63             ...
64     };
66 The code is selected by enabling ``CONFIG_ASSOCIATIVE_ARRAY`` with::
68     ./script/config -e ASSOCIATIVE_ARRAY
71 Edit Script
72 -----------
74 The insertion and deletion functions produce an 'edit script' that can later be
75 applied to effect the changes without risking ``ENOMEM``. This retains the
76 preallocated metadata blocks that will be installed in the internal tree and
77 keeps track of the metadata blocks that will be removed from the tree when the
78 script is applied.
80 This is also used to keep track of dead blocks and dead objects after the
81 script has been applied so that they can be freed later.  The freeing is done
82 after an RCU grace period has passed - thus allowing access functions to
83 proceed under the RCU read lock.
85 The script appears as outside of the API as a pointer of the type::
87     struct assoc_array_edit;
89 There are two functions for dealing with the script:
91 1. Apply an edit script::
93     void assoc_array_apply_edit(struct assoc_array_edit *edit);
95 This will perform the edit functions, interpolating various write barriers
96 to permit accesses under the RCU read lock to continue.  The edit script
97 will then be passed to ``call_rcu()`` to free it and any dead stuff it points
98 to.
100 2. Cancel an edit script::
102     void assoc_array_cancel_edit(struct assoc_array_edit *edit);
104 This frees the edit script and all preallocated memory immediately. If
105 this was for insertion, the new object is _not_ released by this function,
106 but must rather be released by the caller.
108 These functions are guaranteed not to fail.
111 Operations Table
112 ----------------
114 Various functions take a table of operations::
116     struct assoc_array_ops {
117             ...
118     };
120 This points to a number of methods, all of which need to be provided:
122 1. Get a chunk of index key from caller data::
124     unsigned long (*get_key_chunk)(const void *index_key, int level);
126 This should return a chunk of caller-supplied index key starting at the
127 *bit* position given by the level argument.  The level argument will be a
128 multiple of ``ASSOC_ARRAY_KEY_CHUNK_SIZE`` and the function should return
129 ``ASSOC_ARRAY_KEY_CHUNK_SIZE bits``.  No error is possible.
132 2. Get a chunk of an object's index key::
134     unsigned long (*get_object_key_chunk)(const void *object, int level);
136 As the previous function, but gets its data from an object in the array
137 rather than from a caller-supplied index key.
140 3. See if this is the object we're looking for::
142     bool (*compare_object)(const void *object, const void *index_key);
144 Compare the object against an index key and return ``true`` if it matches and
145 ``false`` if it doesn't.
148 4. Diff the index keys of two objects::
150     int (*diff_objects)(const void *object, const void *index_key);
152 Return the bit position at which the index key of the specified object
153 differs from the given index key or -1 if they are the same.
156 5. Free an object::
158     void (*free_object)(void *object);
160 Free the specified object.  Note that this may be called an RCU grace period
161 after ``assoc_array_apply_edit()`` was called, so ``synchronize_rcu()`` may be
162 necessary on module unloading.
165 Manipulation Functions
166 ----------------------
168 There are a number of functions for manipulating an associative array:
170 1. Initialise an associative array::
172     void assoc_array_init(struct assoc_array *array);
174 This initialises the base structure for an associative array.  It can't fail.
177 2. Insert/replace an object in an associative array::
179     struct assoc_array_edit *
180     assoc_array_insert(struct assoc_array *array,
181                        const struct assoc_array_ops *ops,
182                        const void *index_key,
183                        void *object);
185 This inserts the given object into the array.  Note that the least
186 significant bit of the pointer must be zero as it's used to type-mark
187 pointers internally.
189 If an object already exists for that key then it will be replaced with the
190 new object and the old one will be freed automatically.
192 The ``index_key`` argument should hold index key information and is
193 passed to the methods in the ops table when they are called.
195 This function makes no alteration to the array itself, but rather returns
196 an edit script that must be applied.  ``-ENOMEM`` is returned in the case of
197 an out-of-memory error.
199 The caller should lock exclusively against other modifiers of the array.
202 3. Delete an object from an associative array::
204     struct assoc_array_edit *
205     assoc_array_delete(struct assoc_array *array,
206                        const struct assoc_array_ops *ops,
207                        const void *index_key);
209 This deletes an object that matches the specified data from the array.
211 The ``index_key`` argument should hold index key information and is
212 passed to the methods in the ops table when they are called.
214 This function makes no alteration to the array itself, but rather returns
215 an edit script that must be applied.  ``-ENOMEM`` is returned in the case of
216 an out-of-memory error.  ``NULL`` will be returned if the specified object is
217 not found within the array.
219 The caller should lock exclusively against other modifiers of the array.
222 4. Delete all objects from an associative array::
224     struct assoc_array_edit *
225     assoc_array_clear(struct assoc_array *array,
226                       const struct assoc_array_ops *ops);
228 This deletes all the objects from an associative array and leaves it
229 completely empty.
231 This function makes no alteration to the array itself, but rather returns
232 an edit script that must be applied.  ``-ENOMEM`` is returned in the case of
233 an out-of-memory error.
235 The caller should lock exclusively against other modifiers of the array.
238 5. Destroy an associative array, deleting all objects::
240     void assoc_array_destroy(struct assoc_array *array,
241                              const struct assoc_array_ops *ops);
243 This destroys the contents of the associative array and leaves it
244 completely empty.  It is not permitted for another thread to be traversing
245 the array under the RCU read lock at the same time as this function is
246 destroying it as no RCU deferral is performed on memory release -
247 something that would require memory to be allocated.
249 The caller should lock exclusively against other modifiers and accessors
250 of the array.
253 6. Garbage collect an associative array::
255     int assoc_array_gc(struct assoc_array *array,
256                        const struct assoc_array_ops *ops,
257                        bool (*iterator)(void *object, void *iterator_data),
258                        void *iterator_data);
260 This iterates over the objects in an associative array and passes each one to
261 ``iterator()``.  If ``iterator()`` returns ``true``, the object is kept.  If it
262 returns ``false``, the object will be freed.  If the ``iterator()`` function
263 returns ``true``, it must perform any appropriate refcount incrementing on the
264 object before returning.
266 The internal tree will be packed down if possible as part of the iteration
267 to reduce the number of nodes in it.
269 The ``iterator_data`` is passed directly to ``iterator()`` and is otherwise
270 ignored by the function.
272 The function will return ``0`` if successful and ``-ENOMEM`` if there wasn't
273 enough memory.
275 It is possible for other threads to iterate over or search the array under
276 the RCU read lock whilst this function is in progress.  The caller should
277 lock exclusively against other modifiers of the array.
280 Access Functions
281 ----------------
283 There are two functions for accessing an associative array:
285 1. Iterate over all the objects in an associative array::
287     int assoc_array_iterate(const struct assoc_array *array,
288                             int (*iterator)(const void *object,
289                                             void *iterator_data),
290                             void *iterator_data);
292 This passes each object in the array to the iterator callback function.
293 ``iterator_data`` is private data for that function.
295 This may be used on an array at the same time as the array is being
296 modified, provided the RCU read lock is held.  Under such circumstances,
297 it is possible for the iteration function to see some objects twice.  If
298 this is a problem, then modification should be locked against.  The
299 iteration algorithm should not, however, miss any objects.
301 The function will return ``0`` if no objects were in the array or else it will
302 return the result of the last iterator function called.  Iteration stops
303 immediately if any call to the iteration function results in a non-zero
304 return.
307 2. Find an object in an associative array::
309     void *assoc_array_find(const struct assoc_array *array,
310                            const struct assoc_array_ops *ops,
311                            const void *index_key);
313 This walks through the array's internal tree directly to the object
314 specified by the index key..
316 This may be used on an array at the same time as the array is being
317 modified, provided the RCU read lock is held.
319 The function will return the object if found (and set ``*_type`` to the object
320 type) or will return ``NULL`` if the object was not found.
323 Index Key Form
324 --------------
326 The index key can be of any form, but since the algorithms aren't told how long
327 the key is, it is strongly recommended that the index key includes its length
328 very early on before any variation due to the length would have an effect on
329 comparisons.
331 This will cause leaves with different length keys to scatter away from each
332 other - and those with the same length keys to cluster together.
334 It is also recommended that the index key begin with a hash of the rest of the
335 key to maximise scattering throughout keyspace.
337 The better the scattering, the wider and lower the internal tree will be.
339 Poor scattering isn't too much of a problem as there are shortcuts and nodes
340 can contain mixtures of leaves and metadata pointers.
342 The index key is read in chunks of machine word.  Each chunk is subdivided into
343 one nibble (4 bits) per level, so on a 32-bit CPU this is good for 8 levels and
344 on a 64-bit CPU, 16 levels.  Unless the scattering is really poor, it is
345 unlikely that more than one word of any particular index key will have to be
346 used.
349 Internal Workings
350 =================
352 The associative array data structure has an internal tree.  This tree is
353 constructed of two types of metadata blocks: nodes and shortcuts.
355 A node is an array of slots.  Each slot can contain one of four things:
357 * A NULL pointer, indicating that the slot is empty.
358 * A pointer to an object (a leaf).
359 * A pointer to a node at the next level.
360 * A pointer to a shortcut.
363 Basic Internal Tree Layout
364 --------------------------
366 Ignoring shortcuts for the moment, the nodes form a multilevel tree.  The index
367 key space is strictly subdivided by the nodes in the tree and nodes occur on
368 fixed levels.  For example::
370  Level: 0               1               2               3
371         =============== =============== =============== ===============
372                                                         NODE D
373                         NODE B          NODE C  +------>+---+
374                 +------>+---+   +------>+---+   |       | 0 |
375         NODE A  |       | 0 |   |       | 0 |   |       +---+
376         +---+   |       +---+   |       +---+   |       :   :
377         | 0 |   |       :   :   |       :   :   |       +---+
378         +---+   |       +---+   |       +---+   |       | f |
379         | 1 |---+       | 3 |---+       | 7 |---+       +---+
380         +---+           +---+           +---+
381         :   :           :   :           | 8 |---+
382         +---+           +---+           +---+   |       NODE E
383         | e |---+       | f |           :   :   +------>+---+
384         +---+   |       +---+           +---+           | 0 |
385         | f |   |                       | f |           +---+
386         +---+   |                       +---+           :   :
387                 |       NODE F                          +---+
388                 +------>+---+                           | f |
389                         | 0 |           NODE G          +---+
390                         +---+   +------>+---+
391                         :   :   |       | 0 |
392                         +---+   |       +---+
393                         | 6 |---+       :   :
394                         +---+           +---+
395                         :   :           | f |
396                         +---+           +---+
397                         | f |
398                         +---+
400 In the above example, there are 7 nodes (A-G), each with 16 slots (0-f).
401 Assuming no other meta data nodes in the tree, the key space is divided
402 thusly::
404     KEY PREFIX      NODE
405     ==========      ====
406     137*            D
407     138*            E
408     13[0-69-f]*     C
409     1[0-24-f]*      B
410     e6*             G
411     e[0-57-f]*      F
412     [02-df]*        A
414 So, for instance, keys with the following example index keys will be found in
415 the appropriate nodes::
417     INDEX KEY       PREFIX  NODE
418     =============== ======= ====
419     13694892892489  13      C
420     13795289025897  137     D
421     13889dde88793   138     E
422     138bbb89003093  138     E
423     1394879524789   12      C
424     1458952489      1       B
425     9431809de993ba  -       A
426     b4542910809cd   -       A
427     e5284310def98   e       F
428     e68428974237    e6      G
429     e7fffcbd443     e       F
430     f3842239082     -       A
432 To save memory, if a node can hold all the leaves in its portion of keyspace,
433 then the node will have all those leaves in it and will not have any metadata
434 pointers - even if some of those leaves would like to be in the same slot.
436 A node can contain a heterogeneous mix of leaves and metadata pointers.
437 Metadata pointers must be in the slots that match their subdivisions of key
438 space.  The leaves can be in any slot not occupied by a metadata pointer.  It
439 is guaranteed that none of the leaves in a node will match a slot occupied by a
440 metadata pointer.  If the metadata pointer is there, any leaf whose key matches
441 the metadata key prefix must be in the subtree that the metadata pointer points
444 In the above example list of index keys, node A will contain::
446     SLOT    CONTENT         INDEX KEY (PREFIX)
447     ====    =============== ==================
448     1       PTR TO NODE B   1*
449     any     LEAF            9431809de993ba
450     any     LEAF            b4542910809cd
451     e       PTR TO NODE F   e*
452     any     LEAF            f3842239082
454 and node B::
456     3   PTR TO NODE C   13*
457     any LEAF            1458952489
460 Shortcuts
461 ---------
463 Shortcuts are metadata records that jump over a piece of keyspace.  A shortcut
464 is a replacement for a series of single-occupancy nodes ascending through the
465 levels.  Shortcuts exist to save memory and to speed up traversal.
467 It is possible for the root of the tree to be a shortcut - say, for example,
468 the tree contains at least 17 nodes all with key prefix ``1111``.  The
469 insertion algorithm will insert a shortcut to skip over the ``1111`` keyspace
470 in a single bound and get to the fourth level where these actually become
471 different.
474 Splitting And Collapsing Nodes
475 ------------------------------
477 Each node has a maximum capacity of 16 leaves and metadata pointers.  If the
478 insertion algorithm finds that it is trying to insert a 17th object into a
479 node, that node will be split such that at least two leaves that have a common
480 key segment at that level end up in a separate node rooted on that slot for
481 that common key segment.
483 If the leaves in a full node and the leaf that is being inserted are
484 sufficiently similar, then a shortcut will be inserted into the tree.
486 When the number of objects in the subtree rooted at a node falls to 16 or
487 fewer, then the subtree will be collapsed down to a single node - and this will
488 ripple towards the root if possible.
491 Non-Recursive Iteration
492 -----------------------
494 Each node and shortcut contains a back pointer to its parent and the number of
495 slot in that parent that points to it.  None-recursive iteration uses these to
496 proceed rootwards through the tree, going to the parent node, slot N + 1 to
497 make sure progress is made without the need for a stack.
499 The backpointers, however, make simultaneous alteration and iteration tricky.
502 Simultaneous Alteration And Iteration
503 -------------------------------------
505 There are a number of cases to consider:
507 1. Simple insert/replace.  This involves simply replacing a NULL or old
508    matching leaf pointer with the pointer to the new leaf after a barrier.
509    The metadata blocks don't change otherwise.  An old leaf won't be freed
510    until after the RCU grace period.
512 2. Simple delete.  This involves just clearing an old matching leaf.  The
513    metadata blocks don't change otherwise.  The old leaf won't be freed until
514    after the RCU grace period.
516 3. Insertion replacing part of a subtree that we haven't yet entered.  This
517    may involve replacement of part of that subtree - but that won't affect
518    the iteration as we won't have reached the pointer to it yet and the
519    ancestry blocks are not replaced (the layout of those does not change).
521 4. Insertion replacing nodes that we're actively processing.  This isn't a
522    problem as we've passed the anchoring pointer and won't switch onto the
523    new layout until we follow the back pointers - at which point we've
524    already examined the leaves in the replaced node (we iterate over all the
525    leaves in a node before following any of its metadata pointers).
527    We might, however, re-see some leaves that have been split out into a new
528    branch that's in a slot further along than we were at.
530 5. Insertion replacing nodes that we're processing a dependent branch of.
531    This won't affect us until we follow the back pointers.  Similar to (4).
533 6. Deletion collapsing a branch under us.  This doesn't affect us because the
534    back pointers will get us back to the parent of the new node before we
535    could see the new node.  The entire collapsed subtree is thrown away
536    unchanged - and will still be rooted on the same slot, so we shouldn't
537    process it a second time as we'll go back to slot + 1.
539 .. note::
541    Under some circumstances, we need to simultaneously change the parent
542    pointer and the parent slot pointer on a node (say, for example, we
543    inserted another node before it and moved it up a level).  We cannot do
544    this without locking against a read - so we have to replace that node too.
546    However, when we're changing a shortcut into a node this isn't a problem
547    as shortcuts only have one slot and so the parent slot number isn't used
548    when traversing backwards over one.  This means that it's okay to change
549    the slot number first - provided suitable barriers are used to make sure
550    the parent slot number is read after the back pointer.
552 Obsolete blocks and leaves are freed up after an RCU grace period has passed,
553 so as long as anyone doing walking or iteration holds the RCU read lock, the
554 old superstructure should not go away on them.