lib/cmap: More efficient cmap_find().
[cascardo/ovs.git] / lib / cmap.c
1 /*
2  * Copyright (c) 2014 Nicira, Inc.
3  *
4  * Licensed under the Apache License, Version 2.0 (the "License");
5  * you may not use this file except in compliance with the License.
6  * You may obtain a copy of the License at:
7  *
8  *     http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0
9  *
10  * Unless required by applicable law or agreed to in writing, software
11  * distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS,
12  * WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.
13  * See the License for the specific language governing permissions and
14  * limitations under the License.
15  */
16
17 #include <config.h>
18 #include "cmap.h"
19 #include "hash.h"
20 #include "ovs-rcu.h"
21 #include "random.h"
22 #include "util.h"
23
24 /* Optimistic Concurrent Cuckoo Hash
25  * =================================
26  *
27  * A "cuckoo hash" is an open addressing hash table schema, designed such that
28  * a given element can be in one of only a small number of buckets 'd', each of
29  * which holds up to a small number 'k' elements.  Thus, the expected and
30  * worst-case lookup times are O(1) because they require comparing no more than
31  * a fixed number of elements (k * d).  Inserting a new element can require
32  * moving around existing elements, but it is also O(1) amortized expected
33  * time.
34  *
35  * An optimistic concurrent hash table goes one step further, making it
36  * possible for a single writer to execute concurrently with any number of
37  * readers without requiring the readers to take any locks.
38  *
39  * This cuckoo hash implementation uses:
40  *
41  *    - Two hash functions (d=2).  More hash functions allow for a higher load
42  *      factor, but increasing 'k' is easier and the benefits of increasing 'd'
43  *      quickly fall off with the 'k' values used here.  Also, the method of
44  *      generating hashes used in this implementation is hard to reasonably
45  *      extend beyond d=2.  Finally, each additional hash function means that a
46  *      lookup has to look at least one extra cache line.
47  *
48  *    - 5 or 7 elements per bucket (k=5 or k=7), chosen to make buckets
49  *      exactly one cache line in size.
50  *
51  * According to Erlingsson [4], these parameters suggest a maximum load factor
52  * of about 93%.  The current implementation is conservative, expanding the
53  * hash table when it is over 85% full.
54  *
55  *
56  * Hash Functions
57  * ==============
58  *
59  * A cuckoo hash requires multiple hash functions.  When reorganizing the hash
60  * becomes too difficult, it also requires the ability to change the hash
61  * functions.  Requiring the client to provide multiple hashes and to be able
62  * to change them to new hashes upon insertion is inconvenient.
63  *
64  * This implementation takes another approach.  The client provides a single,
65  * fixed hash.  The cuckoo hash internally "rehashes" this hash against a
66  * randomly selected basis value (see rehash()).  This rehashed value is one of
67  * the two hashes.  The other hash is computed by 16-bit circular rotation of
68  * the rehashed value.  Updating the basis changes the hash functions.
69  *
70  * To work properly, the hash functions used by a cuckoo hash must be
71  * independent.  If one hash function is a function of the other (e.g. h2(x) =
72  * h1(x) + 1, or h2(x) = hash(h1(x))), then insertion will eventually fail
73  * catastrophically (loop forever) because of collisions.  With this rehashing
74  * technique, the two hashes are completely independent for masks up to 16 bits
75  * wide.  For masks wider than 16 bits, only 32-n bits are independent between
76  * the two hashes.  Thus, it becomes risky to grow a cuckoo hash table beyond
77  * about 2**24 buckets (about 71 million elements with k=5 and maximum load
78  * 85%).  Fortunately, Open vSwitch does not normally deal with hash tables
79  * this large.
80  *
81  *
82  * Handling Duplicates
83  * ===================
84  *
85  * This cuckoo hash table implementation deals with duplicate client-provided
86  * hash values by chaining: the second and subsequent cmap_nodes with a given
87  * hash are chained off the initially inserted node's 'next' member.  The hash
88  * table maintains the invariant that a single client-provided hash value
89  * exists in only a single chain in a single bucket (even though that hash
90  * could be stored in two buckets).
91  *
92  *
93  * References
94  * ==========
95  *
96  * [1] D. Zhou, B. Fan, H. Lim, M. Kaminsky, D. G. Andersen, "Scalable, High
97  *     Performance Ethernet Forwarding with CuckooSwitch".  In Proc. 9th
98  *     CoNEXT, Dec. 2013.
99  *
100  * [2] B. Fan, D. G. Andersen, and M. Kaminsky. "MemC3: Compact and concurrent
101  *     memcache with dumber caching and smarter hashing".  In Proc. 10th USENIX
102  *     NSDI, Apr. 2013
103  *
104  * [3] R. Pagh and F. Rodler. "Cuckoo hashing". Journal of Algorithms, 51(2):
105  *     122-144, May 2004.
106  *
107  * [4] U. Erlingsson, M. Manasse, F. McSherry, "A Cool and Practical
108  *     Alternative to Traditional Hash Tables".  In Proc. 7th Workshop on
109  *     Distributed Data and Structures (WDAS'06), 2006.
110  */
111 /* An entry is an int and a pointer: 8 bytes on 32-bit, 12 bytes on 64-bit. */
112 #define CMAP_ENTRY_SIZE (4 + (UINTPTR_MAX == UINT32_MAX ? 4 : 8))
113
114 /* Number of entries per bucket: 7 on 32-bit, 5 on 64-bit. */
115 #define CMAP_K ((CACHE_LINE_SIZE - 4) / CMAP_ENTRY_SIZE)
116
117 /* Pad to make a bucket a full cache line in size: 4 on 32-bit, 0 on 64-bit. */
118 #define CMAP_PADDING ((CACHE_LINE_SIZE - 4) - (CMAP_K * CMAP_ENTRY_SIZE))
119
120 /* A cuckoo hash bucket.  Designed to be cache-aligned and exactly one cache
121  * line long. */
122 struct cmap_bucket {
123     /* Allows readers to track in-progress changes.  Initially zero, each
124      * writer increments this value just before and just after each change (see
125      * cmap_set_bucket()).  Thus, a reader can ensure that it gets a consistent
126      * snapshot by waiting for the counter to become even (see
127      * read_even_counter()), then checking that its value does not change while
128      * examining the bucket (see cmap_find()). */
129     atomic_uint32_t counter;
130
131     /* (hash, node) slots.  They are parallel arrays instead of an array of
132      * structs to reduce the amount of space lost to padding.
133      *
134      * The slots are in no particular order.  A null pointer indicates that a
135      * pair is unused.  In-use slots are not necessarily in the earliest
136      * slots. */
137     atomic_uint32_t hashes[CMAP_K];
138     struct cmap_node nodes[CMAP_K];
139
140     /* Padding to make cmap_bucket exactly one cache line long. */
141 #if CMAP_PADDING > 0
142     uint8_t pad[CMAP_PADDING];
143 #endif
144 };
145 BUILD_ASSERT_DECL(sizeof(struct cmap_bucket) == CACHE_LINE_SIZE);
146
147 /* Default maximum load factor (as a fraction of UINT32_MAX + 1) before
148  * enlarging a cmap.  Reasonable values lie between about 75% and 93%.  Smaller
149  * values waste memory; larger values increase the average insertion time. */
150 #define CMAP_MAX_LOAD ((uint32_t) (UINT32_MAX * .85))
151
152 /* The implementation of a concurrent hash map. */
153 struct cmap_impl {
154     unsigned int n;             /* Number of in-use elements. */
155     unsigned int max_n;         /* Max elements before enlarging. */
156     uint32_t mask;              /* Number of 'buckets', minus one. */
157     uint32_t basis;             /* Basis for rehashing client's hash values. */
158
159     /* Padding to make cmap_impl exactly one cache line long. */
160     uint8_t pad[CACHE_LINE_SIZE - sizeof(unsigned int) * 4];
161
162     struct cmap_bucket buckets[];
163 };
164 BUILD_ASSERT_DECL(sizeof(struct cmap_impl) == CACHE_LINE_SIZE);
165
166 static uint32_t cmap_get_hash__(const atomic_uint32_t *hash,
167                                 memory_order order)
168 {
169     uint32_t hash__;
170
171     atomic_read_explicit(CONST_CAST(ATOMIC(uint32_t) *, hash), &hash__, order);
172     return hash__;
173 }
174
175 #define cmap_get_hash(HASH) \
176     cmap_get_hash__(HASH, memory_order_acquire)
177 #define cmap_get_hash_protected(HASH) \
178     cmap_get_hash__(HASH, memory_order_relaxed)
179
180 static struct cmap_impl *cmap_rehash(struct cmap *, uint32_t mask);
181
182 /* Given a rehashed value 'hash', returns the other hash for that rehashed
183  * value.  This is symmetric: other_hash(other_hash(x)) == x.  (See also "Hash
184  * Functions" at the top of this file.) */
185 static uint32_t
186 other_hash(uint32_t hash)
187 {
188     return (hash << 16) | (hash >> 16);
189 }
190
191 /* Returns the rehashed value for 'hash' within 'impl'.  (See also "Hash
192  * Functions" at the top of this file.) */
193 static uint32_t
194 rehash(const struct cmap_impl *impl, uint32_t hash)
195 {
196     return hash_finish(impl->basis, hash);
197 }
198
199 static struct cmap_impl *
200 cmap_get_impl(const struct cmap *cmap)
201 {
202     return ovsrcu_get(struct cmap_impl *, &cmap->impl);
203 }
204
205 static uint32_t
206 calc_max_n(uint32_t mask)
207 {
208     return ((uint64_t) (mask + 1) * CMAP_K * CMAP_MAX_LOAD) >> 32;
209 }
210
211 static struct cmap_impl *
212 cmap_impl_create(uint32_t mask)
213 {
214     struct cmap_impl *impl;
215
216     ovs_assert(is_pow2(mask + 1));
217
218     impl = xzalloc_cacheline(sizeof *impl
219                              + (mask + 1) * sizeof *impl->buckets);
220     impl->n = 0;
221     impl->max_n = calc_max_n(mask);
222     impl->mask = mask;
223     impl->basis = random_uint32();
224
225     return impl;
226 }
227
228 /* Initializes 'cmap' as an empty concurrent hash map. */
229 void
230 cmap_init(struct cmap *cmap)
231 {
232     ovsrcu_set(&cmap->impl, cmap_impl_create(0));
233 }
234
235 /* Destroys 'cmap'.
236  *
237  * The client is responsible for destroying any data previously held in
238  * 'cmap'. */
239 void
240 cmap_destroy(struct cmap *cmap)
241 {
242     if (cmap) {
243         ovsrcu_postpone(free_cacheline, cmap_get_impl(cmap));
244     }
245 }
246
247 /* Returns the number of elements in 'cmap'. */
248 size_t
249 cmap_count(const struct cmap *cmap)
250 {
251     return cmap_get_impl(cmap)->n;
252 }
253
254 /* Returns true if 'cmap' is empty, false otherwise. */
255 bool
256 cmap_is_empty(const struct cmap *cmap)
257 {
258     return cmap_count(cmap) == 0;
259 }
260
261 static uint32_t
262 read_counter(struct cmap_bucket *bucket)
263 {
264     uint32_t counter;
265
266     atomic_read_explicit(&bucket->counter, &counter, memory_order_acquire);
267     return counter;
268 }
269
270 static uint32_t
271 read_even_counter(struct cmap_bucket *bucket)
272 {
273     uint32_t counter;
274
275     do {
276         counter = read_counter(bucket);
277     } while (OVS_UNLIKELY(counter & 1));
278
279     return counter;
280 }
281
282 static bool
283 counter_changed(struct cmap_bucket *b, uint32_t c)
284 {
285     return OVS_UNLIKELY(read_counter(b) != c);
286 }
287
288 /* Searches 'cmap' for an element with the specified 'hash'.  If one or more is
289  * found, returns a pointer to the first one, otherwise a null pointer.  All of
290  * the nodes on the returned list are guaranteed to have exactly the given
291  * 'hash'.
292  *
293  * This function works even if 'cmap' is changing concurrently.  If 'cmap' is
294  * not changing, then cmap_find_protected() is slightly faster.
295  *
296  * CMAP_FOR_EACH_WITH_HASH is usually more convenient. */
297 struct cmap_node *
298 cmap_find(const struct cmap *cmap, uint32_t hash)
299 {
300     struct cmap_impl *impl = cmap_get_impl(cmap);
301     uint32_t h1 = rehash(impl, hash);
302     uint32_t h2 = other_hash(h1);
303     struct cmap_bucket *b1;
304     struct cmap_bucket *b2;
305     uint32_t c1, c2;
306     int i;
307     struct cmap_node *node;
308
309     b1 = &impl->buckets[h1 & impl->mask];
310     b2 = &impl->buckets[h2 & impl->mask];
311 retry:
312     node = NULL;
313     c1 = read_even_counter(b1);
314     for (i = 0; i < CMAP_K; i++) {
315         if (cmap_get_hash(&b1->hashes[i]) == hash) {
316             node = cmap_node_next(&b1->nodes[i]);
317             break;
318         }
319     }
320     if (OVS_UNLIKELY(counter_changed(b1, c1))) {
321         goto retry;
322     }
323     if (node) {
324         return node;
325     }
326
327 retry2:
328     node = NULL;
329     c2 = read_even_counter(b2);
330     for (i = 0; i < CMAP_K; i++) {
331         if (cmap_get_hash(&b2->hashes[i]) == hash) {
332             node = cmap_node_next(&b2->nodes[i]);
333             break;
334         }
335     }
336     if (OVS_UNLIKELY(counter_changed(b2, c2))) {
337         goto retry2;
338     }
339     if (node) {
340         return node;
341     }
342
343     /* We just got a stable reading on 'b2', but a node could have been moved
344      * to 'b1', so we need to chack the 'c1' again. */
345     if (counter_changed(b1, c1)) {
346         goto retry;
347     }
348     return NULL;
349 }
350
351 static int
352 cmap_find_slot_protected(struct cmap_bucket *b, uint32_t hash)
353 {
354     int i;
355
356     for (i = 0; i < CMAP_K; i++) {
357         struct cmap_node *node = cmap_node_next_protected(&b->nodes[i]);
358
359         if (node && cmap_get_hash_protected(&b->hashes[i]) == hash) {
360             return i;
361         }
362     }
363     return -1;
364 }
365
366 static struct cmap_node *
367 cmap_find_bucket_protected(struct cmap_impl *impl, uint32_t hash, uint32_t h)
368 {
369     struct cmap_bucket *b = &impl->buckets[h & impl->mask];
370     int i;
371
372     for (i = 0; i < CMAP_K; i++) {
373         struct cmap_node *node = cmap_node_next_protected(&b->nodes[i]);
374
375         if (node && cmap_get_hash_protected(&b->hashes[i]) == hash) {
376             return node;
377         }
378     }
379     return NULL;
380 }
381
382 /* Like cmap_find(), but only for use if 'cmap' cannot change concurrently.
383  *
384  * CMAP_FOR_EACH_WITH_HASH_PROTECTED is usually more convenient. */
385 struct cmap_node *
386 cmap_find_protected(const struct cmap *cmap, uint32_t hash)
387 {
388     struct cmap_impl *impl = cmap_get_impl(cmap);
389     uint32_t h1 = rehash(impl, hash);
390     uint32_t h2 = other_hash(hash);
391     struct cmap_node *node;
392
393     node = cmap_find_bucket_protected(impl, hash, h1);
394     if (node) {
395         return node;
396     }
397     return cmap_find_bucket_protected(impl, hash, h2);
398 }
399
400 static int
401 cmap_find_empty_slot_protected(const struct cmap_bucket *b)
402 {
403     int i;
404
405     for (i = 0; i < CMAP_K; i++) {
406         if (!cmap_node_next_protected(&b->nodes[i])) {
407             return i;
408         }
409     }
410     return -1;
411 }
412
413 static void
414 cmap_set_bucket(struct cmap_bucket *b, int i,
415                 struct cmap_node *node, uint32_t hash)
416 {
417     uint32_t c;
418
419     atomic_read_explicit(&b->counter, &c, memory_order_acquire);
420     atomic_store_explicit(&b->counter, c + 1, memory_order_release);
421     ovsrcu_set(&b->nodes[i].next, node); /* Also atomic. */
422     atomic_store_explicit(&b->hashes[i], hash, memory_order_release);
423     atomic_store_explicit(&b->counter, c + 2, memory_order_release);
424 }
425
426 /* Searches 'b' for a node with the given 'hash'.  If it finds one, adds
427  * 'new_node' to the node's linked list and returns true.  If it does not find
428  * one, returns false. */
429 static bool
430 cmap_insert_dup(struct cmap_node *new_node, uint32_t hash,
431                 struct cmap_bucket *b)
432 {
433     int i;
434
435     for (i = 0; i < CMAP_K; i++) {
436         struct cmap_node *node = cmap_node_next_protected(&b->nodes[i]);
437
438         if (cmap_get_hash_protected(&b->hashes[i]) == hash) {
439             if (node) {
440                 struct cmap_node *p;
441
442                 /* The common case is that 'new_node' is a singleton,
443                  * with a null 'next' pointer.  Rehashing can add a
444                  * longer chain, but due to our invariant of always
445                  * having all nodes with the same (user) hash value at
446                  * a single chain, rehashing will always insert the
447                  * chain to an empty node.  The only way we can end up
448                  * here is by the user inserting a chain of nodes at
449                  * once.  Find the end of the chain starting at
450                  * 'new_node', then splice 'node' to the end of that
451                  * chain. */
452                 p = new_node;
453                 for (;;) {
454                     struct cmap_node *next = cmap_node_next_protected(p);
455
456                     if (!next) {
457                         break;
458                     }
459                     p = next;
460                 }
461                 ovsrcu_set_hidden(&p->next, node);
462             } else {
463                 /* The hash value is there from some previous insertion, but
464                  * the associated node has been removed.  We're not really
465                  * inserting a duplicate, but we can still reuse the slot.
466                  * Carry on. */
467             }
468
469             /* Change the bucket to point to 'new_node'.  This is a degenerate
470              * form of cmap_set_bucket() that doesn't update the counter since
471              * we're only touching one field and in a way that doesn't change
472              * the bucket's meaning for readers. */
473             ovsrcu_set(&b->nodes[i].next, new_node);
474
475             return true;
476         }
477     }
478     return false;
479 }
480
481 /* Searches 'b' for an empty slot.  If successful, stores 'node' and 'hash' in
482  * the slot and returns true.  Otherwise, returns false. */
483 static bool
484 cmap_insert_bucket(struct cmap_node *node, uint32_t hash,
485                    struct cmap_bucket *b)
486 {
487     int i;
488
489     for (i = 0; i < CMAP_K; i++) {
490         if (!cmap_node_next_protected(&b->nodes[i])) {
491             cmap_set_bucket(b, i, node, hash);
492             return true;
493         }
494     }
495     return false;
496 }
497
498 /* Returns the other bucket that b->nodes[slot] could occupy in 'impl'.  (This
499  * might be the same as 'b'.) */
500 static struct cmap_bucket *
501 other_bucket_protected(struct cmap_impl *impl, struct cmap_bucket *b, int slot)
502 {
503     uint32_t h1 = rehash(impl, cmap_get_hash_protected(&b->hashes[slot]));
504     uint32_t h2 = other_hash(h1);
505     uint32_t b_idx = b - impl->buckets;
506     uint32_t other_h = (h1 & impl->mask) == b_idx ? h2 : h1;
507
508     return &impl->buckets[other_h & impl->mask];
509 }
510
511 /* 'new_node' is to be inserted into 'impl', but both candidate buckets 'b1'
512  * and 'b2' are full.  This function attempts to rearrange buckets within
513  * 'impl' to make room for 'new_node'.
514  *
515  * The implementation is a general-purpose breadth-first search.  At first
516  * glance, this is more complex than a random walk through 'impl' (suggested by
517  * some references), but random walks have a tendency to loop back through a
518  * single bucket.  We have to move nodes backward along the path that we find,
519  * so that no node actually disappears from the hash table, which means a
520  * random walk would have to be careful to deal with loops.  By contrast, a
521  * successful breadth-first search always finds a *shortest* path through the
522  * hash table, and a shortest path will never contain loops, so it avoids that
523  * problem entirely.
524  */
525 static bool
526 cmap_insert_bfs(struct cmap_impl *impl, struct cmap_node *new_node,
527                 uint32_t hash, struct cmap_bucket *b1, struct cmap_bucket *b2)
528 {
529     enum { MAX_DEPTH = 4 };
530
531     /* A path from 'start' to 'end' via the 'n' steps in 'slots[]'.
532      *
533      * One can follow the path via:
534      *
535      *     struct cmap_bucket *b;
536      *     int i;
537      *
538      *     b = path->start;
539      *     for (i = 0; i < path->n; i++) {
540      *         b = other_bucket_protected(impl, b, path->slots[i]);
541      *     }
542      *     ovs_assert(b == path->end);
543      */
544     struct cmap_path {
545         struct cmap_bucket *start; /* First bucket along the path. */
546         struct cmap_bucket *end;   /* Last bucket on the path. */
547         uint8_t slots[MAX_DEPTH];  /* Slots used for each hop. */
548         int n;                     /* Number of slots[]. */
549     };
550
551     /* We need to limit the amount of work we do trying to find a path.  It
552      * might actually be impossible to rearrange the cmap, and after some time
553      * it is likely to be easier to rehash the entire cmap.
554      *
555      * This value of MAX_QUEUE is an arbitrary limit suggested by one of the
556      * references.  Empirically, it seems to work OK. */
557     enum { MAX_QUEUE = 500 };
558     struct cmap_path queue[MAX_QUEUE];
559     int head = 0;
560     int tail = 0;
561
562     /* Add 'b1' and 'b2' as starting points for the search. */
563     queue[head].start = b1;
564     queue[head].end = b1;
565     queue[head].n = 0;
566     head++;
567     if (b1 != b2) {
568         queue[head].start = b2;
569         queue[head].end = b2;
570         queue[head].n = 0;
571         head++;
572     }
573
574     while (tail < head) {
575         const struct cmap_path *path = &queue[tail++];
576         struct cmap_bucket *this = path->end;
577         int i;
578
579         for (i = 0; i < CMAP_K; i++) {
580             struct cmap_bucket *next = other_bucket_protected(impl, this, i);
581             int j;
582
583             if (this == next) {
584                 continue;
585             }
586
587             j = cmap_find_empty_slot_protected(next);
588             if (j >= 0) {
589                 /* We've found a path along which we can rearrange the hash
590                  * table:  Start at path->start, follow all the slots in
591                  * path->slots[], then follow slot 'i', then the bucket you
592                  * arrive at has slot 'j' empty. */
593                 struct cmap_bucket *buckets[MAX_DEPTH + 2];
594                 int slots[MAX_DEPTH + 2];
595                 int k;
596
597                 /* Figure out the full sequence of slots. */
598                 for (k = 0; k < path->n; k++) {
599                     slots[k] = path->slots[k];
600                 }
601                 slots[path->n] = i;
602                 slots[path->n + 1] = j;
603
604                 /* Figure out the full sequence of buckets. */
605                 buckets[0] = path->start;
606                 for (k = 0; k <= path->n; k++) {
607                     buckets[k + 1] = other_bucket_protected(impl, buckets[k], slots[k]);
608                 }
609
610                 /* Now the path is fully expressed.  One can start from
611                  * buckets[0], go via slots[0] to buckets[1], via slots[1] to
612                  * buckets[2], and so on.
613                  *
614                  * Move all the nodes across the path "backward".  After each
615                  * step some node appears in two buckets.  Thus, every node is
616                  * always visible to a concurrent search. */
617                 for (k = path->n + 1; k > 0; k--) {
618                     int slot = slots[k - 1];
619
620                     cmap_set_bucket(buckets[k], slots[k],
621                                     cmap_node_next_protected(&buckets[k - 1]->nodes[slot]),
622                                     cmap_get_hash_protected(&buckets[k - 1]->hashes[slot]));
623                 }
624
625                 /* Finally, replace the first node on the path by
626                  * 'new_node'. */
627                 cmap_set_bucket(buckets[0], slots[0], new_node, hash);
628
629                 return true;
630             }
631
632             if (path->n < MAX_DEPTH && head < MAX_QUEUE) {
633                 struct cmap_path *new_path = &queue[head++];
634
635                 *new_path = *path;
636                 new_path->end = next;
637                 new_path->slots[new_path->n++] = i;
638             }
639         }
640     }
641
642     return false;
643 }
644
645 /* Adds 'node', with the given 'hash', to 'impl'.
646  *
647  * 'node' is ordinarily a single node, with a null 'next' pointer.  When
648  * rehashing, however, it may be a longer chain of nodes. */
649 static bool
650 cmap_try_insert(struct cmap_impl *impl, struct cmap_node *node, uint32_t hash)
651 {
652     uint32_t h1 = rehash(impl, hash);
653     uint32_t h2 = other_hash(h1);
654     struct cmap_bucket *b1 = &impl->buckets[h1 & impl->mask];
655     struct cmap_bucket *b2 = &impl->buckets[h2 & impl->mask];
656
657     return (OVS_UNLIKELY(cmap_insert_dup(node, hash, b1) ||
658                          cmap_insert_dup(node, hash, b2)) ||
659             OVS_LIKELY(cmap_insert_bucket(node, hash, b1) ||
660                        cmap_insert_bucket(node, hash, b2)) ||
661             cmap_insert_bfs(impl, node, hash, b1, b2));
662 }
663
664 /* Inserts 'node', with the given 'hash', into 'cmap'.  The caller must ensure
665  * that 'cmap' cannot change concurrently (from another thread).  If duplicates
666  * are undesirable, the caller must have already verified that 'cmap' does not
667  * contain a duplicate of 'node'.
668  *
669  * Returns the current number of nodes in the cmap after the insertion. */
670 size_t
671 cmap_insert(struct cmap *cmap, struct cmap_node *node, uint32_t hash)
672 {
673     struct cmap_impl *impl = cmap_get_impl(cmap);
674
675     ovsrcu_set_hidden(&node->next, NULL);
676
677     if (OVS_UNLIKELY(impl->n >= impl->max_n)) {
678         impl = cmap_rehash(cmap, (impl->mask << 1) | 1);
679     }
680
681     while (OVS_UNLIKELY(!cmap_try_insert(impl, node, hash))) {
682         impl = cmap_rehash(cmap, impl->mask);
683     }
684     return ++impl->n;
685 }
686
687 static bool
688 cmap_replace__(struct cmap_impl *impl, struct cmap_node *node,
689                struct cmap_node *replacement, uint32_t hash, uint32_t h)
690 {
691     struct cmap_bucket *b = &impl->buckets[h & impl->mask];
692     int slot;
693
694     slot = cmap_find_slot_protected(b, hash);
695     if (slot < 0) {
696         return false;
697     }
698
699     /* The pointer to 'node' is changed to point to 'replacement',
700      * which is the next node if no replacement node is given. */
701     if (!replacement) {
702         replacement = cmap_node_next_protected(node);
703     } else {
704         /* 'replacement' takes the position of 'node' in the list. */
705         ovsrcu_set_hidden(&replacement->next, cmap_node_next_protected(node));
706     }
707
708     struct cmap_node *iter = &b->nodes[slot];
709     for (;;) {
710         struct cmap_node *next = cmap_node_next_protected(iter);
711
712         if (next == node) {
713             ovsrcu_set(&iter->next, replacement);
714             return true;
715         }
716         iter = next;
717     }
718 }
719
720 /* Replaces 'old_node' in 'cmap' with 'new_node'.  The caller must
721  * ensure that 'cmap' cannot change concurrently (from another thread).
722  *
723  * 'old_node' must not be destroyed or modified or inserted back into 'cmap' or
724  * into any other concurrent hash map while any other thread might be accessing
725  * it.  One correct way to do this is to free it from an RCU callback with
726  * ovsrcu_postpone().
727  *
728  * Returns the current number of nodes in the cmap after the replacement.  The
729  * number of nodes decreases by one if 'new_node' is NULL. */
730 size_t
731 cmap_replace(struct cmap *cmap, struct cmap_node *old_node,
732              struct cmap_node *new_node, uint32_t hash)
733 {
734     struct cmap_impl *impl = cmap_get_impl(cmap);
735     uint32_t h1 = rehash(impl, hash);
736     uint32_t h2 = other_hash(h1);
737     bool ok;
738
739     ok = cmap_replace__(impl, old_node, new_node, hash, h1)
740         || cmap_replace__(impl, old_node, new_node, hash, h2);
741     ovs_assert(ok);
742
743     if (!new_node) {
744         impl->n--;
745     }
746     return impl->n;
747 }
748
749 static bool
750 cmap_try_rehash(const struct cmap_impl *old, struct cmap_impl *new)
751 {
752     const struct cmap_bucket *b;
753
754     for (b = old->buckets; b <= &old->buckets[old->mask]; b++) {
755         int i;
756
757         for (i = 0; i < CMAP_K; i++) {
758             /* possible optimization here because we know the hashes are
759              * unique */
760             struct cmap_node *node = cmap_node_next_protected(&b->nodes[i]);
761
762             if (node &&
763                 !cmap_try_insert(new, node,
764                                  cmap_get_hash_protected(&b->hashes[i]))) {
765                 return false;
766             }
767         }
768     }
769     return true;
770 }
771
772 static struct cmap_impl *
773 cmap_rehash(struct cmap *cmap, uint32_t mask)
774 {
775     struct cmap_impl *old = cmap_get_impl(cmap);
776     struct cmap_impl *new;
777
778     new = cmap_impl_create(mask);
779     ovs_assert(old->n < new->max_n);
780
781     while (!cmap_try_rehash(old, new)) {
782         memset(new->buckets, 0, (mask + 1) * sizeof *new->buckets);
783         new->basis = random_uint32();
784     }
785
786     new->n = old->n;
787     ovsrcu_set(&cmap->impl, new);
788     ovsrcu_postpone(free_cacheline, old);
789
790     return new;
791 }
792
793 struct cmap_cursor
794 cmap_cursor_start(const struct cmap *cmap)
795 {
796     struct cmap_cursor cursor;
797
798     cursor.impl = cmap_get_impl(cmap);
799     cursor.bucket_idx = 0;
800     cursor.entry_idx = 0;
801     cursor.node = NULL;
802     cmap_cursor_advance(&cursor);
803
804     return cursor;
805 }
806
807 void
808 cmap_cursor_advance(struct cmap_cursor *cursor)
809 {
810     const struct cmap_impl *impl = cursor->impl;
811
812     if (cursor->node) {
813         cursor->node = cmap_node_next(cursor->node);
814         if (cursor->node) {
815             return;
816         }
817     }
818
819     while (cursor->bucket_idx <= impl->mask) {
820         const struct cmap_bucket *b = &impl->buckets[cursor->bucket_idx];
821
822         while (cursor->entry_idx < CMAP_K) {
823             cursor->node = cmap_node_next(&b->nodes[cursor->entry_idx++]);
824             if (cursor->node) {
825                 return;
826             }
827         }
828
829         cursor->bucket_idx++;
830         cursor->entry_idx = 0;
831     }
832 }
833
834 /* Returns the next node in 'cmap' in hash order, or NULL if no nodes remain in
835  * 'cmap'.  Uses '*pos' to determine where to begin iteration, and updates
836  * '*pos' to pass on the next iteration into them before returning.
837  *
838  * It's better to use plain CMAP_FOR_EACH and related functions, since they are
839  * faster and better at dealing with cmaps that change during iteration.
840  *
841  * Before beginning iteration, set '*pos' to all zeros. */
842 struct cmap_node *
843 cmap_next_position(const struct cmap *cmap,
844                    struct cmap_position *pos)
845 {
846     struct cmap_impl *impl = cmap_get_impl(cmap);
847     unsigned int bucket = pos->bucket;
848     unsigned int entry = pos->entry;
849     unsigned int offset = pos->offset;
850
851     while (bucket <= impl->mask) {
852         const struct cmap_bucket *b = &impl->buckets[bucket];
853
854         while (entry < CMAP_K) {
855             const struct cmap_node *node = cmap_node_next(&b->nodes[entry]);
856             unsigned int i;
857
858             for (i = 0; node; i++, node = cmap_node_next(node)) {
859                 if (i == offset) {
860                     if (cmap_node_next(node)) {
861                         offset++;
862                     } else {
863                         entry++;
864                         offset = 0;
865                     }
866                     pos->bucket = bucket;
867                     pos->entry = entry;
868                     pos->offset = offset;
869                     return CONST_CAST(struct cmap_node *, node);
870                 }
871             }
872
873             entry++;
874             offset = 0;
875         }
876
877         bucket++;
878         entry = offset = 0;
879     }
880
881     pos->bucket = pos->entry = pos->offset = 0;
882     return NULL;
883 }