]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/releng/10.0.git/blob - contrib/llvm/include/llvm/ADT/SparseMultiSet.h
- Copy stable/10 (r259064) to releng/10.0 as part of the
[FreeBSD/releng/10.0.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/SparseSet.h"
25
26 namespace llvm {
27
28 /// Fast multiset implementation for objects that can be identified by small
29 /// unsigned keys.
30 ///
31 /// SparseMultiSet allocates memory proportional to the size of the key
32 /// universe, so it is not recommended for building composite data structures.
33 /// It is useful for algorithms that require a single set with fast operations.
34 ///
35 /// Compared to DenseSet and DenseMap, SparseMultiSet provides constant-time
36 /// fast clear() as fast as a vector.  The find(), insert(), and erase()
37 /// operations are all constant time, and typically faster than a hash table.
38 /// The iteration order doesn't depend on numerical key values, it only depends
39 /// on the order of insert() and erase() operations.  Iteration order is the
40 /// insertion order. Iteration is only provided over elements of equivalent
41 /// keys, but iterators are bidirectional.
42 ///
43 /// Compared to BitVector, SparseMultiSet<unsigned> uses 8x-40x more memory, but
44 /// offers constant-time clear() and size() operations as well as fast iteration
45 /// independent on the size of the universe.
46 ///
47 /// SparseMultiSet contains a dense vector holding all the objects and a sparse
48 /// array holding indexes into the dense vector.  Most of the memory is used by
49 /// the sparse array which is the size of the key universe. The SparseT template
50 /// parameter provides a space/speed tradeoff for sets holding many elements.
51 ///
52 /// When SparseT is uint32_t, find() only touches up to 3 cache lines, but the
53 /// sparse array uses 4 x Universe bytes.
54 ///
55 /// When SparseT is uint8_t (the default), find() touches up to 3+[N/256] cache
56 /// lines, but the sparse array is 4x smaller.  N is the number of elements in
57 /// the set.
58 ///
59 /// For sets that may grow to thousands of elements, SparseT should be set to
60 /// uint16_t or uint32_t.
61 ///
62 /// Multiset behavior is provided by providing doubly linked lists for values
63 /// that are inlined in the dense vector. SparseMultiSet is a good choice when
64 /// one desires a growable number of entries per key, as it will retain the
65 /// SparseSet algorithmic properties despite being growable. Thus, it is often a
66 /// better choice than a SparseSet of growable containers or a vector of
67 /// vectors. SparseMultiSet also keeps iterators valid after erasure (provided
68 /// the iterators don't point to the element erased), allowing for more
69 /// intuitive and fast removal.
70 ///
71 /// @tparam ValueT      The type of objects in the set.
72 /// @tparam KeyFunctorT A functor that computes an unsigned index from KeyT.
73 /// @tparam SparseT     An unsigned integer type. See above.
74 ///
75 template<typename ValueT,
76          typename KeyFunctorT = llvm::identity<unsigned>,
77          typename SparseT = uint8_t>
78 class SparseMultiSet {
79   /// The actual data that's stored, as a doubly-linked list implemented via
80   /// indices into the DenseVector.  The doubly linked list is implemented
81   /// circular in Prev indices, and INVALID-terminated in Next indices. This
82   /// provides efficient access to list tails. These nodes can also be
83   /// tombstones, in which case they are actually nodes in a single-linked
84   /// freelist of recyclable slots.
85   struct SMSNode {
86     static const unsigned INVALID = ~0U;
87
88     ValueT Data;
89     unsigned Prev;
90     unsigned Next;
91
92     SMSNode(ValueT D, unsigned P, unsigned N) : Data(D), Prev(P), Next(N) { }
93
94     /// List tails have invalid Nexts.
95     bool isTail() const {
96       return Next == INVALID;
97     }
98
99     /// Whether this node is a tombstone node, and thus is in our freelist.
100     bool isTombstone() const {
101       return Prev == INVALID;
102     }
103
104     /// Since the list is circular in Prev, all non-tombstone nodes have a valid
105     /// Prev.
106     bool isValid() const { return Prev != INVALID; }
107   };
108
109   typedef typename KeyFunctorT::argument_type KeyT;
110   typedef SmallVector<SMSNode, 8> DenseT;
111   DenseT Dense;
112   SparseT *Sparse;
113   unsigned Universe;
114   KeyFunctorT KeyIndexOf;
115   SparseSetValFunctor<KeyT, ValueT, KeyFunctorT> ValIndexOf;
116
117   /// We have a built-in recycler for reusing tombstone slots. This recycler
118   /// puts a singly-linked free list into tombstone slots, allowing us quick
119   /// erasure, iterator preservation, and dense size.
120   unsigned FreelistIdx;
121   unsigned NumFree;
122
123   unsigned sparseIndex(const ValueT &Val) const {
124     assert(ValIndexOf(Val) < Universe &&
125            "Invalid key in set. Did object mutate?");
126     return ValIndexOf(Val);
127   }
128   unsigned sparseIndex(const SMSNode &N) const { return sparseIndex(N.Data); }
129
130   // Disable copy construction and assignment.
131   // This data structure is not meant to be used that way.
132   SparseMultiSet(const SparseMultiSet&) LLVM_DELETED_FUNCTION;
133   SparseMultiSet &operator=(const SparseMultiSet&) LLVM_DELETED_FUNCTION;
134
135   /// Whether the given entry is the head of the list. List heads's previous
136   /// pointers are to the tail of the list, allowing for efficient access to the
137   /// list tail. D must be a valid entry node.
138   bool isHead(const SMSNode &D) const {
139     assert(D.isValid() && "Invalid node for head");
140     return Dense[D.Prev].isTail();
141   }
142
143   /// Whether the given entry is a singleton entry, i.e. the only entry with
144   /// that key.
145   bool isSingleton(const SMSNode &N) const {
146     assert(N.isValid() && "Invalid node for singleton");
147     // Is N its own predecessor?
148     return &Dense[N.Prev] == &N;
149   }
150
151   /// Add in the given SMSNode. Uses a free entry in our freelist if
152   /// available. Returns the index of the added node.
153   unsigned addValue(const ValueT& V, unsigned Prev, unsigned Next) {
154     if (NumFree == 0) {
155       Dense.push_back(SMSNode(V, Prev, Next));
156       return Dense.size() - 1;
157     }
158
159     // Peel off a free slot
160     unsigned Idx = FreelistIdx;
161     unsigned NextFree = Dense[Idx].Next;
162     assert(Dense[Idx].isTombstone() && "Non-tombstone free?");
163
164     Dense[Idx] = SMSNode(V, Prev, Next);
165     FreelistIdx = NextFree;
166     --NumFree;
167     return Idx;
168   }
169
170   /// Make the current index a new tombstone. Pushes it onto the freelist.
171   void makeTombstone(unsigned Idx) {
172     Dense[Idx].Prev = SMSNode::INVALID;
173     Dense[Idx].Next = FreelistIdx;
174     FreelistIdx = Idx;
175     ++NumFree;
176   }
177
178 public:
179   typedef ValueT value_type;
180   typedef ValueT &reference;
181   typedef const ValueT &const_reference;
182   typedef ValueT *pointer;
183   typedef const ValueT *const_pointer;
184
185   SparseMultiSet()
186     : Sparse(0), Universe(0), FreelistIdx(SMSNode::INVALID), NumFree(0) { }
187
188   ~SparseMultiSet() { free(Sparse); }
189
190   /// Set the universe size which determines the largest key the set can hold.
191   /// The universe must be sized before any elements can be added.
192   ///
193   /// @param U Universe size. All object keys must be less than U.
194   ///
195   void setUniverse(unsigned U) {
196     // It's not hard to resize the universe on a non-empty set, but it doesn't
197     // seem like a likely use case, so we can add that code when we need it.
198     assert(empty() && "Can only resize universe on an empty map");
199     // Hysteresis prevents needless reallocations.
200     if (U >= Universe/4 && U <= Universe)
201       return;
202     free(Sparse);
203     // The Sparse array doesn't actually need to be initialized, so malloc
204     // would be enough here, but that will cause tools like valgrind to
205     // complain about branching on uninitialized data.
206     Sparse = reinterpret_cast<SparseT*>(calloc(U, sizeof(SparseT)));
207     Universe = U;
208   }
209
210   /// Our iterators are iterators over the collection of objects that share a
211   /// key.
212   template<typename SMSPtrTy>
213   class iterator_base : public std::iterator<std::bidirectional_iterator_tag,
214                                              ValueT> {
215     friend class SparseMultiSet;
216     SMSPtrTy SMS;
217     unsigned Idx;
218     unsigned SparseIdx;
219
220     iterator_base(SMSPtrTy P, unsigned I, unsigned SI)
221       : SMS(P), Idx(I), SparseIdx(SI) { }
222
223     /// Whether our iterator has fallen outside our dense vector.
224     bool isEnd() const {
225       if (Idx == SMSNode::INVALID)
226         return true;
227
228       assert(Idx < SMS->Dense.size() && "Out of range, non-INVALID Idx?");
229       return false;
230     }
231
232     /// Whether our iterator is properly keyed, i.e. the SparseIdx is valid
233     bool isKeyed() const { return SparseIdx < SMS->Universe; }
234
235     unsigned Prev() const { return SMS->Dense[Idx].Prev; }
236     unsigned Next() const { return SMS->Dense[Idx].Next; }
237
238     void setPrev(unsigned P) { SMS->Dense[Idx].Prev = P; }
239     void setNext(unsigned N) { SMS->Dense[Idx].Next = N; }
240
241   public:
242     typedef std::iterator<std::bidirectional_iterator_tag, ValueT> super;
243     typedef typename super::value_type value_type;
244     typedef typename super::difference_type difference_type;
245     typedef typename super::pointer pointer;
246     typedef typename super::reference reference;
247
248     iterator_base(const iterator_base &RHS)
249       : SMS(RHS.SMS), Idx(RHS.Idx), SparseIdx(RHS.SparseIdx) { }
250
251     const iterator_base &operator=(const iterator_base &RHS) {
252       SMS = RHS.SMS;
253       Idx = RHS.Idx;
254       SparseIdx = RHS.SparseIdx;
255       return *this;
256     }
257
258     reference operator*() const {
259       assert(isKeyed() && SMS->sparseIndex(SMS->Dense[Idx].Data) == SparseIdx &&
260              "Dereferencing iterator of invalid key or index");
261
262       return SMS->Dense[Idx].Data;
263     }
264     pointer operator->() const { return &operator*(); }
265
266     /// Comparison operators
267     bool operator==(const iterator_base &RHS) const {
268       // end compares equal
269       if (SMS == RHS.SMS && Idx == RHS.Idx) {
270         assert((isEnd() || SparseIdx == RHS.SparseIdx) &&
271                "Same dense entry, but different keys?");
272         return true;
273       }
274
275       return false;
276     }
277
278     bool operator!=(const iterator_base &RHS) const {
279       return !operator==(RHS);
280     }
281
282     /// Increment and decrement operators
283     iterator_base &operator--() { // predecrement - Back up
284       assert(isKeyed() && "Decrementing an invalid iterator");
285       assert((isEnd() || !SMS->isHead(SMS->Dense[Idx])) &&
286              "Decrementing head of list");
287
288       // If we're at the end, then issue a new find()
289       if (isEnd())
290         Idx = SMS->findIndex(SparseIdx).Prev();
291       else
292         Idx = Prev();
293
294       return *this;
295     }
296     iterator_base &operator++() { // preincrement - Advance
297       assert(!isEnd() && isKeyed() && "Incrementing an invalid/end iterator");
298       Idx = Next();
299       return *this;
300     }
301     iterator_base operator--(int) { // postdecrement
302       iterator_base I(*this);
303       --*this;
304       return I;
305     }
306     iterator_base operator++(int) { // postincrement
307       iterator_base I(*this);
308       ++*this;
309       return I;
310     }
311   };
312   typedef iterator_base<SparseMultiSet *> iterator;
313   typedef iterator_base<const SparseMultiSet *> const_iterator;
314
315   // Convenience types
316   typedef std::pair<iterator, iterator> RangePair;
317
318   /// Returns an iterator past this container. Note that such an iterator cannot
319   /// be decremented, but will compare equal to other end iterators.
320   iterator end() { return iterator(this, SMSNode::INVALID, SMSNode::INVALID); }
321   const_iterator end() const {
322     return const_iterator(this, SMSNode::INVALID, SMSNode::INVALID);
323   }
324
325   /// Returns true if the set is empty.
326   ///
327   /// This is not the same as BitVector::empty().
328   ///
329   bool empty() const { return size() == 0; }
330
331   /// Returns the number of elements in the set.
332   ///
333   /// This is not the same as BitVector::size() which returns the size of the
334   /// universe.
335   ///
336   unsigned size() const {
337     assert(NumFree <= Dense.size() && "Out-of-bounds free entries");
338     return Dense.size() - NumFree;
339   }
340
341   /// Clears the set.  This is a very fast constant time operation.
342   ///
343   void clear() {
344     // Sparse does not need to be cleared, see find().
345     Dense.clear();
346     NumFree = 0;
347     FreelistIdx = SMSNode::INVALID;
348   }
349
350   /// Find an element by its index.
351   ///
352   /// @param   Idx A valid index to find.
353   /// @returns An iterator to the element identified by key, or end().
354   ///
355   iterator findIndex(unsigned Idx) {
356     assert(Idx < Universe && "Key out of range");
357     assert(std::numeric_limits<SparseT>::is_integer &&
358            !std::numeric_limits<SparseT>::is_signed &&
359            "SparseT must be an unsigned integer type");
360     const unsigned Stride = std::numeric_limits<SparseT>::max() + 1u;
361     for (unsigned i = Sparse[Idx], e = Dense.size(); i < e; i += Stride) {
362       const unsigned FoundIdx = sparseIndex(Dense[i]);
363       // Check that we're pointing at the correct entry and that it is the head
364       // of a valid list.
365       if (Idx == FoundIdx && Dense[i].isValid() && isHead(Dense[i]))
366         return iterator(this, i, Idx);
367       // Stride is 0 when SparseT >= unsigned.  We don't need to loop.
368       if (!Stride)
369         break;
370     }
371     return end();
372   }
373
374   /// Find an element by its key.
375   ///
376   /// @param   Key A valid key to find.
377   /// @returns An iterator to the element identified by key, or end().
378   ///
379   iterator find(const KeyT &Key) {
380     return findIndex(KeyIndexOf(Key));
381   }
382
383   const_iterator find(const KeyT &Key) const {
384     iterator I = const_cast<SparseMultiSet*>(this)->findIndex(KeyIndexOf(Key));
385     return const_iterator(I.SMS, I.Idx, KeyIndexOf(Key));
386   }
387
388   /// Returns the number of elements identified by Key. This will be linear in
389   /// the number of elements of that key.
390   unsigned count(const KeyT &Key) const {
391     unsigned Ret = 0;
392     for (const_iterator It = find(Key); It != end(); ++It)
393       ++Ret;
394
395     return Ret;
396   }
397
398   /// Returns true if this set contains an element identified by Key.
399   bool contains(const KeyT &Key) const {
400     return find(Key) != end();
401   }
402
403   /// Return the head and tail of the subset's list, otherwise returns end().
404   iterator getHead(const KeyT &Key) { return find(Key); }
405   iterator getTail(const KeyT &Key) {
406     iterator I = find(Key);
407     if (I != end())
408       I = iterator(this, I.Prev(), KeyIndexOf(Key));
409     return I;
410   }
411
412   /// The bounds of the range of items sharing Key K. First member is the head
413   /// of the list, and the second member is a decrementable end iterator for
414   /// that key.
415   RangePair equal_range(const KeyT &K) {
416     iterator B = find(K);
417     iterator E = iterator(this, SMSNode::INVALID, B.SparseIdx);
418     return make_pair(B, E);
419   }
420
421   /// Insert a new element at the tail of the subset list. Returns an iterator
422   /// to the newly added entry.
423   iterator insert(const ValueT &Val) {
424     unsigned Idx = sparseIndex(Val);
425     iterator I = findIndex(Idx);
426
427     unsigned NodeIdx = addValue(Val, SMSNode::INVALID, SMSNode::INVALID);
428
429     if (I == end()) {
430       // Make a singleton list
431       Sparse[Idx] = NodeIdx;
432       Dense[NodeIdx].Prev = NodeIdx;
433       return iterator(this, NodeIdx, Idx);
434     }
435
436     // Stick it at the end.
437     unsigned HeadIdx = I.Idx;
438     unsigned TailIdx = I.Prev();
439     Dense[TailIdx].Next = NodeIdx;
440     Dense[HeadIdx].Prev = NodeIdx;
441     Dense[NodeIdx].Prev = TailIdx;
442
443     return iterator(this, NodeIdx, Idx);
444   }
445
446   /// Erases an existing element identified by a valid iterator.
447   ///
448   /// This invalidates iterators pointing at the same entry, but erase() returns
449   /// an iterator pointing to the next element in the subset's list. This makes
450   /// it possible to erase selected elements while iterating over the subset:
451   ///
452   ///   tie(I, E) = Set.equal_range(Key);
453   ///   while (I != E)
454   ///     if (test(*I))
455   ///       I = Set.erase(I);
456   ///     else
457   ///       ++I;
458   ///
459   /// Note that if the last element in the subset list is erased, this will
460   /// return an end iterator which can be decremented to get the new tail (if it
461   /// exists):
462   ///
463   ///  tie(B, I) = Set.equal_range(Key);
464   ///  for (bool isBegin = B == I; !isBegin; /* empty */) {
465   ///    isBegin = (--I) == B;
466   ///    if (test(I))
467   ///      break;
468   ///    I = erase(I);
469   ///  }
470   iterator erase(iterator I) {
471     assert(I.isKeyed() && !I.isEnd() && !Dense[I.Idx].isTombstone() &&
472            "erasing invalid/end/tombstone iterator");
473
474     // First, unlink the node from its list. Then swap the node out with the
475     // dense vector's last entry
476     iterator NextI = unlink(Dense[I.Idx]);
477
478     // Put in a tombstone.
479     makeTombstone(I.Idx);
480
481     return NextI;
482   }
483
484   /// Erase all elements with the given key. This invalidates all
485   /// iterators of that key.
486   void eraseAll(const KeyT &K) {
487     for (iterator I = find(K); I != end(); /* empty */)
488       I = erase(I);
489   }
490
491 private:
492   /// Unlink the node from its list. Returns the next node in the list.
493   iterator unlink(const SMSNode &N) {
494     if (isSingleton(N)) {
495       // Singleton is already unlinked
496       assert(N.Next == SMSNode::INVALID && "Singleton has next?");
497       return iterator(this, SMSNode::INVALID, ValIndexOf(N.Data));
498     }
499
500     if (isHead(N)) {
501       // If we're the head, then update the sparse array and our next.
502       Sparse[sparseIndex(N)] = N.Next;
503       Dense[N.Next].Prev = N.Prev;
504       return iterator(this, N.Next, ValIndexOf(N.Data));
505     }
506
507     if (N.isTail()) {
508       // If we're the tail, then update our head and our previous.
509       findIndex(sparseIndex(N)).setPrev(N.Prev);
510       Dense[N.Prev].Next = N.Next;
511
512       // Give back an end iterator that can be decremented
513       iterator I(this, N.Prev, ValIndexOf(N.Data));
514       return ++I;
515     }
516
517     // Otherwise, just drop us
518     Dense[N.Next].Prev = N.Prev;
519     Dense[N.Prev].Next = N.Next;
520     return iterator(this, N.Next, ValIndexOf(N.Data));
521   }
522 };
523
524 } // end namespace llvm
525
526 #endif