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MFV r314911: 7867 ARC space accounting leak
[FreeBSD/FreeBSD.git] / contrib / llvm / include / llvm / ADT / SparseMultiSet.h
1 //===--- llvm/ADT/SparseMultiSet.h - Sparse multiset ------------*- C++ -*-===//
2 //
3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file is distributed under the University of Illinois Open Source
6 // License. See LICENSE.TXT for details.
7 //
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 //
10 // This file defines the SparseMultiSet class, which adds multiset behavior to
11 // the SparseSet.
12 //
13 // A sparse multiset holds a small number of objects identified by integer keys
14 // from a moderately sized universe. The sparse multiset uses more memory than
15 // other containers in order to provide faster operations. Any key can map to
16 // multiple values. A SparseMultiSetNode class is provided, which serves as a
17 // convenient base class for the contents of a SparseMultiSet.
18 //
19 //===----------------------------------------------------------------------===//
20
21 #ifndef LLVM_ADT_SPARSEMULTISET_H
22 #define LLVM_ADT_SPARSEMULTISET_H
23
24 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
25 #include "llvm/ADT/SparseSet.h"
26 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
27 #include <cassert>
28 #include <cstdint>
29 #include <cstdlib>
30 #include <iterator>
31 #include <limits>
32 #include <utility>
33
34 namespace llvm {
35
36 /// Fast multiset implementation for objects that can be identified by small
37 /// unsigned keys.
38 ///
39 /// SparseMultiSet allocates memory proportional to the size of the key
40 /// universe, so it is not recommended for building composite data structures.
41 /// It is useful for algorithms that require a single set with fast operations.
42 ///
43 /// Compared to DenseSet and DenseMap, SparseMultiSet provides constant-time
44 /// fast clear() as fast as a vector.  The find(), insert(), and erase()
45 /// operations are all constant time, and typically faster than a hash table.
46 /// The iteration order doesn't depend on numerical key values, it only depends
47 /// on the order of insert() and erase() operations.  Iteration order is the
48 /// insertion order. Iteration is only provided over elements of equivalent
49 /// keys, but iterators are bidirectional.
50 ///
51 /// Compared to BitVector, SparseMultiSet<unsigned> uses 8x-40x more memory, but
52 /// offers constant-time clear() and size() operations as well as fast iteration
53 /// independent on the size of the universe.
54 ///
55 /// SparseMultiSet contains a dense vector holding all the objects and a sparse
56 /// array holding indexes into the dense vector.  Most of the memory is used by
57 /// the sparse array which is the size of the key universe. The SparseT template
58 /// parameter provides a space/speed tradeoff for sets holding many elements.
59 ///
60 /// When SparseT is uint32_t, find() only touches up to 3 cache lines, but the
61 /// sparse array uses 4 x Universe bytes.
62 ///
63 /// When SparseT is uint8_t (the default), find() touches up to 3+[N/256] cache
64 /// lines, but the sparse array is 4x smaller.  N is the number of elements in
65 /// the set.
66 ///
67 /// For sets that may grow to thousands of elements, SparseT should be set to
68 /// uint16_t or uint32_t.
69 ///
70 /// Multiset behavior is provided by providing doubly linked lists for values
71 /// that are inlined in the dense vector. SparseMultiSet is a good choice when
72 /// one desires a growable number of entries per key, as it will retain the
73 /// SparseSet algorithmic properties despite being growable. Thus, it is often a
74 /// better choice than a SparseSet of growable containers or a vector of
75 /// vectors. SparseMultiSet also keeps iterators valid after erasure (provided
76 /// the iterators don't point to the element erased), allowing for more
77 /// intuitive and fast removal.
78 ///
79 /// @tparam ValueT      The type of objects in the set.
80 /// @tparam KeyFunctorT A functor that computes an unsigned index from KeyT.
81 /// @tparam SparseT     An unsigned integer type. See above.
82 ///
83 template<typename ValueT,
84          typename KeyFunctorT = identity<unsigned>,
85          typename SparseT = uint8_t>
86 class SparseMultiSet {
87   static_assert(std::numeric_limits<SparseT>::is_integer &&
88                 !std::numeric_limits<SparseT>::is_signed,
89                 "SparseT must be an unsigned integer type");
90
91   /// The actual data that's stored, as a doubly-linked list implemented via
92   /// indices into the DenseVector.  The doubly linked list is implemented
93   /// circular in Prev indices, and INVALID-terminated in Next indices. This
94   /// provides efficient access to list tails. These nodes can also be
95   /// tombstones, in which case they are actually nodes in a single-linked
96   /// freelist of recyclable slots.
97   struct SMSNode {
98     static const unsigned INVALID = ~0U;
99
100     ValueT Data;
101     unsigned Prev;
102     unsigned Next;
103
104     SMSNode(ValueT D, unsigned P, unsigned N) : Data(D), Prev(P), Next(N) { }
105
106     /// List tails have invalid Nexts.
107     bool isTail() const {
108       return Next == INVALID;
109     }
110
111     /// Whether this node is a tombstone node, and thus is in our freelist.
112     bool isTombstone() const {
113       return Prev == INVALID;
114     }
115
116     /// Since the list is circular in Prev, all non-tombstone nodes have a valid
117     /// Prev.
118     bool isValid() const { return Prev != INVALID; }
119   };
120
121   typedef typename KeyFunctorT::argument_type KeyT;
122   typedef SmallVector<SMSNode, 8> DenseT;
123   DenseT Dense;
124   SparseT *Sparse = nullptr;
125   unsigned Universe = 0;
126   KeyFunctorT KeyIndexOf;
127   SparseSetValFunctor<KeyT, ValueT, KeyFunctorT> ValIndexOf;
128
129   /// We have a built-in recycler for reusing tombstone slots. This recycler
130   /// puts a singly-linked free list into tombstone slots, allowing us quick
131   /// erasure, iterator preservation, and dense size.
132   unsigned FreelistIdx = SMSNode::INVALID;
133   unsigned NumFree = 0;
134
135   unsigned sparseIndex(const ValueT &Val) const {
136     assert(ValIndexOf(Val) < Universe &&
137            "Invalid key in set. Did object mutate?");
138     return ValIndexOf(Val);
139   }
140   unsigned sparseIndex(const SMSNode &N) const { return sparseIndex(N.Data); }
141
142   /// Whether the given entry is the head of the list. List heads's previous
143   /// pointers are to the tail of the list, allowing for efficient access to the
144   /// list tail. D must be a valid entry node.
145   bool isHead(const SMSNode &D) const {
146     assert(D.isValid() && "Invalid node for head");
147     return Dense[D.Prev].isTail();
148   }
149
150   /// Whether the given entry is a singleton entry, i.e. the only entry with
151   /// that key.
152   bool isSingleton(const SMSNode &N) const {
153     assert(N.isValid() && "Invalid node for singleton");
154     // Is N its own predecessor?
155     return &Dense[N.Prev] == &N;
156   }
157
158   /// Add in the given SMSNode. Uses a free entry in our freelist if
159   /// available. Returns the index of the added node.
160   unsigned addValue(const ValueT& V, unsigned Prev, unsigned Next) {
161     if (NumFree == 0) {
162       Dense.push_back(SMSNode(V, Prev, Next));
163       return Dense.size() - 1;
164     }
165
166     // Peel off a free slot
167     unsigned Idx = FreelistIdx;
168     unsigned NextFree = Dense[Idx].Next;
169     assert(Dense[Idx].isTombstone() && "Non-tombstone free?");
170
171     Dense[Idx] = SMSNode(V, Prev, Next);
172     FreelistIdx = NextFree;
173     --NumFree;
174     return Idx;
175   }
176
177   /// Make the current index a new tombstone. Pushes it onto the freelist.
178   void makeTombstone(unsigned Idx) {
179     Dense[Idx].Prev = SMSNode::INVALID;
180     Dense[Idx].Next = FreelistIdx;
181     FreelistIdx = Idx;
182     ++NumFree;
183   }
184
185 public:
186   typedef ValueT value_type;
187   typedef ValueT &reference;
188   typedef const ValueT &const_reference;
189   typedef ValueT *pointer;
190   typedef const ValueT *const_pointer;
191   typedef unsigned size_type;
192
193   SparseMultiSet() = default;
194   SparseMultiSet(const SparseMultiSet &) = delete;
195   SparseMultiSet &operator=(const SparseMultiSet &) = delete;
196   ~SparseMultiSet() { free(Sparse); }
197
198   /// Set the universe size which determines the largest key the set can hold.
199   /// The universe must be sized before any elements can be added.
200   ///
201   /// @param U Universe size. All object keys must be less than U.
202   ///
203   void setUniverse(unsigned U) {
204     // It's not hard to resize the universe on a non-empty set, but it doesn't
205     // seem like a likely use case, so we can add that code when we need it.
206     assert(empty() && "Can only resize universe on an empty map");
207     // Hysteresis prevents needless reallocations.
208     if (U >= Universe/4 && U <= Universe)
209       return;
210     free(Sparse);
211     // The Sparse array doesn't actually need to be initialized, so malloc
212     // would be enough here, but that will cause tools like valgrind to
213     // complain about branching on uninitialized data.
214     Sparse = reinterpret_cast<SparseT*>(calloc(U, sizeof(SparseT)));
215     Universe = U;
216   }
217
218   /// Our iterators are iterators over the collection of objects that share a
219   /// key.
220   template<typename SMSPtrTy>
221   class iterator_base : public std::iterator<std::bidirectional_iterator_tag,
222                                              ValueT> {
223     friend class SparseMultiSet;
224
225     SMSPtrTy SMS;
226     unsigned Idx;
227     unsigned SparseIdx;
228
229     iterator_base(SMSPtrTy P, unsigned I, unsigned SI)
230       : SMS(P), Idx(I), SparseIdx(SI) { }
231
232     /// Whether our iterator has fallen outside our dense vector.
233     bool isEnd() const {
234       if (Idx == SMSNode::INVALID)
235         return true;
236
237       assert(Idx < SMS->Dense.size() && "Out of range, non-INVALID Idx?");
238       return false;
239     }
240
241     /// Whether our iterator is properly keyed, i.e. the SparseIdx is valid
242     bool isKeyed() const { return SparseIdx < SMS->Universe; }
243
244     unsigned Prev() const { return SMS->Dense[Idx].Prev; }
245     unsigned Next() const { return SMS->Dense[Idx].Next; }
246
247     void setPrev(unsigned P) { SMS->Dense[Idx].Prev = P; }
248     void setNext(unsigned N) { SMS->Dense[Idx].Next = N; }
249
250   public:
251     typedef std::iterator<std::bidirectional_iterator_tag, ValueT> super;
252     typedef typename super::value_type value_type;
253     typedef typename super::difference_type difference_type;
254     typedef typename super::pointer pointer;
255     typedef typename super::reference reference;
256
257     reference operator*() const {
258       assert(isKeyed() && SMS->sparseIndex(SMS->Dense[Idx].Data) == SparseIdx &&
259              "Dereferencing iterator of invalid key or index");
260
261       return SMS->Dense[Idx].Data;
262     }
263     pointer operator->() const { return &operator*(); }
264
265     /// Comparison operators
266     bool operator==(const iterator_base &RHS) const {
267       // end compares equal
268       if (SMS == RHS.SMS && Idx == RHS.Idx) {
269         assert((isEnd() || SparseIdx == RHS.SparseIdx) &&
270                "Same dense entry, but different keys?");
271         return true;
272       }
273
274       return false;
275     }
276
277     bool operator!=(const iterator_base &RHS) const {
278       return !operator==(RHS);
279     }
280
281     /// Increment and decrement operators
282     iterator_base &operator--() { // predecrement - Back up
283       assert(isKeyed() && "Decrementing an invalid iterator");
284       assert((isEnd() || !SMS->isHead(SMS->Dense[Idx])) &&
285              "Decrementing head of list");
286
287       // If we're at the end, then issue a new find()
288       if (isEnd())
289         Idx = SMS->findIndex(SparseIdx).Prev();
290       else
291         Idx = Prev();
292
293       return *this;
294     }
295     iterator_base &operator++() { // preincrement - Advance
296       assert(!isEnd() && isKeyed() && "Incrementing an invalid/end iterator");
297       Idx = Next();
298       return *this;
299     }
300     iterator_base operator--(int) { // postdecrement
301       iterator_base I(*this);
302       --*this;
303       return I;
304     }
305     iterator_base operator++(int) { // postincrement
306       iterator_base I(*this);
307       ++*this;
308       return I;
309     }
310   };
311   typedef iterator_base<SparseMultiSet *> iterator;
312   typedef iterator_base<const SparseMultiSet *> const_iterator;
313
314   // Convenience types
315   typedef std::pair<iterator, iterator> RangePair;
316
317   /// Returns an iterator past this container. Note that such an iterator cannot
318   /// be decremented, but will compare equal to other end iterators.
319   iterator end() { return iterator(this, SMSNode::INVALID, SMSNode::INVALID); }
320   const_iterator end() const {
321     return const_iterator(this, SMSNode::INVALID, SMSNode::INVALID);
322   }
323
324   /// Returns true if the set is empty.
325   ///
326   /// This is not the same as BitVector::empty().
327   ///
328   bool empty() const { return size() == 0; }
329
330   /// Returns the number of elements in the set.
331   ///
332   /// This is not the same as BitVector::size() which returns the size of the
333   /// universe.
334   ///
335   size_type size() const {
336     assert(NumFree <= Dense.size() && "Out-of-bounds free entries");
337     return Dense.size() - NumFree;
338   }
339
340   /// Clears the set.  This is a very fast constant time operation.
341   ///
342   void clear() {
343     // Sparse does not need to be cleared, see find().
344     Dense.clear();
345     NumFree = 0;
346     FreelistIdx = SMSNode::INVALID;
347   }
348
349   /// Find an element by its index.
350   ///
351   /// @param   Idx A valid index to find.
352   /// @returns An iterator to the element identified by key, or end().
353   ///
354   iterator findIndex(unsigned Idx) {
355     assert(Idx < Universe && "Key out of range");
356     const unsigned Stride = std::numeric_limits<SparseT>::max() + 1u;
357     for (unsigned i = Sparse[Idx], e = Dense.size(); i < e; i += Stride) {
358       const unsigned FoundIdx = sparseIndex(Dense[i]);
359       // Check that we're pointing at the correct entry and that it is the head
360       // of a valid list.
361       if (Idx == FoundIdx && Dense[i].isValid() && isHead(Dense[i]))
362         return iterator(this, i, Idx);
363       // Stride is 0 when SparseT >= unsigned.  We don't need to loop.
364       if (!Stride)
365         break;
366     }
367     return end();
368   }
369
370   /// Find an element by its key.
371   ///
372   /// @param   Key A valid key to find.
373   /// @returns An iterator to the element identified by key, or end().
374   ///
375   iterator find(const KeyT &Key) {
376     return findIndex(KeyIndexOf(Key));
377   }
378
379   const_iterator find(const KeyT &Key) const {
380     iterator I = const_cast<SparseMultiSet*>(this)->findIndex(KeyIndexOf(Key));
381     return const_iterator(I.SMS, I.Idx, KeyIndexOf(Key));
382   }
383
384   /// Returns the number of elements identified by Key. This will be linear in
385   /// the number of elements of that key.
386   size_type count(const KeyT &Key) const {
387     unsigned Ret = 0;
388     for (const_iterator It = find(Key); It != end(); ++It)
389       ++Ret;
390
391     return Ret;
392   }
393
394   /// Returns true if this set contains an element identified by Key.
395   bool contains(const KeyT &Key) const {
396     return find(Key) != end();
397   }
398
399   /// Return the head and tail of the subset's list, otherwise returns end().
400   iterator getHead(const KeyT &Key) { return find(Key); }
401   iterator getTail(const KeyT &Key) {
402     iterator I = find(Key);
403     if (I != end())
404       I = iterator(this, I.Prev(), KeyIndexOf(Key));
405     return I;
406   }
407
408   /// The bounds of the range of items sharing Key K. First member is the head
409   /// of the list, and the second member is a decrementable end iterator for
410   /// that key.
411   RangePair equal_range(const KeyT &K) {
412     iterator B = find(K);
413     iterator E = iterator(this, SMSNode::INVALID, B.SparseIdx);
414     return make_pair(B, E);
415   }
416
417   /// Insert a new element at the tail of the subset list. Returns an iterator
418   /// to the newly added entry.
419   iterator insert(const ValueT &Val) {
420     unsigned Idx = sparseIndex(Val);
421     iterator I = findIndex(Idx);
422
423     unsigned NodeIdx = addValue(Val, SMSNode::INVALID, SMSNode::INVALID);
424
425     if (I == end()) {
426       // Make a singleton list
427       Sparse[Idx] = NodeIdx;
428       Dense[NodeIdx].Prev = NodeIdx;
429       return iterator(this, NodeIdx, Idx);
430     }
431
432     // Stick it at the end.
433     unsigned HeadIdx = I.Idx;
434     unsigned TailIdx = I.Prev();
435     Dense[TailIdx].Next = NodeIdx;
436     Dense[HeadIdx].Prev = NodeIdx;
437     Dense[NodeIdx].Prev = TailIdx;
438
439     return iterator(this, NodeIdx, Idx);
440   }
441
442   /// Erases an existing element identified by a valid iterator.
443   ///
444   /// This invalidates iterators pointing at the same entry, but erase() returns
445   /// an iterator pointing to the next element in the subset's list. This makes
446   /// it possible to erase selected elements while iterating over the subset:
447   ///
448   ///   tie(I, E) = Set.equal_range(Key);
449   ///   while (I != E)
450   ///     if (test(*I))
451   ///       I = Set.erase(I);
452   ///     else
453   ///       ++I;
454   ///
455   /// Note that if the last element in the subset list is erased, this will
456   /// return an end iterator which can be decremented to get the new tail (if it
457   /// exists):
458   ///
459   ///  tie(B, I) = Set.equal_range(Key);
460   ///  for (bool isBegin = B == I; !isBegin; /* empty */) {
461   ///    isBegin = (--I) == B;
462   ///    if (test(I))
463   ///      break;
464   ///    I = erase(I);
465   ///  }
466   iterator erase(iterator I) {
467     assert(I.isKeyed() && !I.isEnd() && !Dense[I.Idx].isTombstone() &&
468            "erasing invalid/end/tombstone iterator");
469
470     // First, unlink the node from its list. Then swap the node out with the
471     // dense vector's last entry
472     iterator NextI = unlink(Dense[I.Idx]);
473
474     // Put in a tombstone.
475     makeTombstone(I.Idx);
476
477     return NextI;
478   }
479
480   /// Erase all elements with the given key. This invalidates all
481   /// iterators of that key.
482   void eraseAll(const KeyT &K) {
483     for (iterator I = find(K); I != end(); /* empty */)
484       I = erase(I);
485   }
486
487 private:
488   /// Unlink the node from its list. Returns the next node in the list.
489   iterator unlink(const SMSNode &N) {
490     if (isSingleton(N)) {
491       // Singleton is already unlinked
492       assert(N.Next == SMSNode::INVALID && "Singleton has next?");
493       return iterator(this, SMSNode::INVALID, ValIndexOf(N.Data));
494     }
495
496     if (isHead(N)) {
497       // If we're the head, then update the sparse array and our next.
498       Sparse[sparseIndex(N)] = N.Next;
499       Dense[N.Next].Prev = N.Prev;
500       return iterator(this, N.Next, ValIndexOf(N.Data));
501     }
502
503     if (N.isTail()) {
504       // If we're the tail, then update our head and our previous.
505       findIndex(sparseIndex(N)).setPrev(N.Prev);
506       Dense[N.Prev].Next = N.Next;
507
508       // Give back an end iterator that can be decremented
509       iterator I(this, N.Prev, ValIndexOf(N.Data));
510       return ++I;
511     }
512
513     // Otherwise, just drop us
514     Dense[N.Next].Prev = N.Prev;
515     Dense[N.Prev].Next = N.Next;
516     return iterator(this, N.Next, ValIndexOf(N.Data));
517   }
518 };
519
520 } // end namespace llvm
521
522 #endif // LLVM_ADT_SPARSEMULTISET_H