netdev-dpdk: fix mbuf leaks
[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 "coverage.h"
20 #include "bitmap.h"
21 #include "hash.h"
22 #include "ovs-rcu.h"
23 #include "random.h"
24 #include "util.h"
25
26 COVERAGE_DEFINE(cmap_expand);
27 COVERAGE_DEFINE(cmap_shrink);
28
29 /* Optimistic Concurrent Cuckoo Hash
30  * =================================
31  *
32  * A "cuckoo hash" is an open addressing hash table schema, designed such that
33  * a given element can be in one of only a small number of buckets 'd', each of
34  * which holds up to a small number 'k' elements.  Thus, the expected and
35  * worst-case lookup times are O(1) because they require comparing no more than
36  * a fixed number of elements (k * d).  Inserting a new element can require
37  * moving around existing elements, but it is also O(1) amortized expected
38  * time.
39  *
40  * An optimistic concurrent hash table goes one step further, making it
41  * possible for a single writer to execute concurrently with any number of
42  * readers without requiring the readers to take any locks.
43  *
44  * This cuckoo hash implementation uses:
45  *
46  *    - Two hash functions (d=2).  More hash functions allow for a higher load
47  *      factor, but increasing 'k' is easier and the benefits of increasing 'd'
48  *      quickly fall off with the 'k' values used here.  Also, the method of
49  *      generating hashes used in this implementation is hard to reasonably
50  *      extend beyond d=2.  Finally, each additional hash function means that a
51  *      lookup has to look at least one extra cache line.
52  *
53  *    - 5 or 7 elements per bucket (k=5 or k=7), chosen to make buckets
54  *      exactly one cache line in size.
55  *
56  * According to Erlingsson [4], these parameters suggest a maximum load factor
57  * of about 93%.  The current implementation is conservative, expanding the
58  * hash table when it is over 85% full.
59  *
60  * When the load factor is below 20%, the hash table will be shrinked by half.
61  * This is to reduce the memory utilization of the hash table and to avoid
62  * the hash table occupying the top of heap chunk which prevents the trimming
63  * of heap.
64  *
65  * Hash Functions
66  * ==============
67  *
68  * A cuckoo hash requires multiple hash functions.  When reorganizing the hash
69  * becomes too difficult, it also requires the ability to change the hash
70  * functions.  Requiring the client to provide multiple hashes and to be able
71  * to change them to new hashes upon insertion is inconvenient.
72  *
73  * This implementation takes another approach.  The client provides a single,
74  * fixed hash.  The cuckoo hash internally "rehashes" this hash against a
75  * randomly selected basis value (see rehash()).  This rehashed value is one of
76  * the two hashes.  The other hash is computed by 16-bit circular rotation of
77  * the rehashed value.  Updating the basis changes the hash functions.
78  *
79  * To work properly, the hash functions used by a cuckoo hash must be
80  * independent.  If one hash function is a function of the other (e.g. h2(x) =
81  * h1(x) + 1, or h2(x) = hash(h1(x))), then insertion will eventually fail
82  * catastrophically (loop forever) because of collisions.  With this rehashing
83  * technique, the two hashes are completely independent for masks up to 16 bits
84  * wide.  For masks wider than 16 bits, only 32-n bits are independent between
85  * the two hashes.  Thus, it becomes risky to grow a cuckoo hash table beyond
86  * about 2**24 buckets (about 71 million elements with k=5 and maximum load
87  * 85%).  Fortunately, Open vSwitch does not normally deal with hash tables
88  * this large.
89  *
90  *
91  * Handling Duplicates
92  * ===================
93  *
94  * This cuckoo hash table implementation deals with duplicate client-provided
95  * hash values by chaining: the second and subsequent cmap_nodes with a given
96  * hash are chained off the initially inserted node's 'next' member.  The hash
97  * table maintains the invariant that a single client-provided hash value
98  * exists in only a single chain in a single bucket (even though that hash
99  * could be stored in two buckets).
100  *
101  *
102  * References
103  * ==========
104  *
105  * [1] D. Zhou, B. Fan, H. Lim, M. Kaminsky, D. G. Andersen, "Scalable, High
106  *     Performance Ethernet Forwarding with CuckooSwitch".  In Proc. 9th
107  *     CoNEXT, Dec. 2013.
108  *
109  * [2] B. Fan, D. G. Andersen, and M. Kaminsky. "MemC3: Compact and concurrent
110  *     memcache with dumber caching and smarter hashing".  In Proc. 10th USENIX
111  *     NSDI, Apr. 2013
112  *
113  * [3] R. Pagh and F. Rodler. "Cuckoo hashing". Journal of Algorithms, 51(2):
114  *     122-144, May 2004.
115  *
116  * [4] U. Erlingsson, M. Manasse, F. McSherry, "A Cool and Practical
117  *     Alternative to Traditional Hash Tables".  In Proc. 7th Workshop on
118  *     Distributed Data and Structures (WDAS'06), 2006.
119  */
120 /* An entry is an int and a pointer: 8 bytes on 32-bit, 12 bytes on 64-bit. */
121 #define CMAP_ENTRY_SIZE (4 + (UINTPTR_MAX == UINT32_MAX ? 4 : 8))
122
123 /* Number of entries per bucket: 7 on 32-bit, 5 on 64-bit. */
124 #define CMAP_K ((CACHE_LINE_SIZE - 4) / CMAP_ENTRY_SIZE)
125
126 /* Pad to make a bucket a full cache line in size: 4 on 32-bit, 0 on 64-bit. */
127 #define CMAP_PADDING ((CACHE_LINE_SIZE - 4) - (CMAP_K * CMAP_ENTRY_SIZE))
128
129 /* A cuckoo hash bucket.  Designed to be cache-aligned and exactly one cache
130  * line long. */
131 struct cmap_bucket {
132     /* Allows readers to track in-progress changes.  Initially zero, each
133      * writer increments this value just before and just after each change (see
134      * cmap_set_bucket()).  Thus, a reader can ensure that it gets a consistent
135      * snapshot by waiting for the counter to become even (see
136      * read_even_counter()), then checking that its value does not change while
137      * examining the bucket (see cmap_find()). */
138     atomic_uint32_t counter;
139
140     /* (hash, node) slots.  They are parallel arrays instead of an array of
141      * structs to reduce the amount of space lost to padding.
142      *
143      * The slots are in no particular order.  A null pointer indicates that a
144      * pair is unused.  In-use slots are not necessarily in the earliest
145      * slots. */
146     uint32_t hashes[CMAP_K];
147     struct cmap_node nodes[CMAP_K];
148
149     /* Padding to make cmap_bucket exactly one cache line long. */
150 #if CMAP_PADDING > 0
151     uint8_t pad[CMAP_PADDING];
152 #endif
153 };
154 BUILD_ASSERT_DECL(sizeof(struct cmap_bucket) == CACHE_LINE_SIZE);
155
156 /* Default maximum load factor (as a fraction of UINT32_MAX + 1) before
157  * enlarging a cmap.  Reasonable values lie between about 75% and 93%.  Smaller
158  * values waste memory; larger values increase the average insertion time. */
159 #define CMAP_MAX_LOAD ((uint32_t) (UINT32_MAX * .85))
160
161 /* Default minimum load factor (as a fraction of UINT32_MAX + 1) before
162  * shrinking a cmap.  Currently, the value is chosen to be 20%, this
163  * means cmap will have a 40% load factor after shrink. */
164 #define CMAP_MIN_LOAD ((uint32_t) (UINT32_MAX * .20))
165
166 /* The implementation of a concurrent hash map. */
167 struct cmap_impl {
168     unsigned int n;             /* Number of in-use elements. */
169     unsigned int max_n;         /* Max elements before enlarging. */
170     unsigned int min_n;         /* Min elements before shrinking. */
171     uint32_t mask;              /* Number of 'buckets', minus one. */
172     uint32_t basis;             /* Basis for rehashing client's hash values. */
173
174     /* Padding to make cmap_impl exactly one cache line long. */
175     uint8_t pad[CACHE_LINE_SIZE - sizeof(unsigned int) * 5];
176
177     struct cmap_bucket buckets[];
178 };
179 BUILD_ASSERT_DECL(sizeof(struct cmap_impl) == CACHE_LINE_SIZE);
180
181 static struct cmap_impl *cmap_rehash(struct cmap *, uint32_t mask);
182
183 /* Explicit inline keywords in utility functions seem to be necessary
184  * to prevent performance regression on cmap_find(). */
185
186 /* Given a rehashed value 'hash', returns the other hash for that rehashed
187  * value.  This is symmetric: other_hash(other_hash(x)) == x.  (See also "Hash
188  * Functions" at the top of this file.) */
189 static inline uint32_t
190 other_hash(uint32_t hash)
191 {
192     return (hash << 16) | (hash >> 16);
193 }
194
195 /* Returns the rehashed value for 'hash' within 'impl'.  (See also "Hash
196  * Functions" at the top of this file.) */
197 static inline uint32_t
198 rehash(const struct cmap_impl *impl, uint32_t hash)
199 {
200     return hash_finish(impl->basis, hash);
201 }
202
203 /* Not always without the inline keyword. */
204 static inline struct cmap_impl *
205 cmap_get_impl(const struct cmap *cmap)
206 {
207     return ovsrcu_get(struct cmap_impl *, &cmap->impl);
208 }
209
210 static uint32_t
211 calc_max_n(uint32_t mask)
212 {
213     return ((uint64_t) (mask + 1) * CMAP_K * CMAP_MAX_LOAD) >> 32;
214 }
215
216 static uint32_t
217 calc_min_n(uint32_t mask)
218 {
219     return ((uint64_t) (mask + 1) * CMAP_K * CMAP_MIN_LOAD) >> 32;
220 }
221
222 static struct cmap_impl *
223 cmap_impl_create(uint32_t mask)
224 {
225     struct cmap_impl *impl;
226
227     ovs_assert(is_pow2(mask + 1));
228
229     impl = xzalloc_cacheline(sizeof *impl
230                              + (mask + 1) * sizeof *impl->buckets);
231     impl->n = 0;
232     impl->max_n = calc_max_n(mask);
233     impl->min_n = calc_min_n(mask);
234     impl->mask = mask;
235     impl->basis = random_uint32();
236
237     return impl;
238 }
239
240 /* Initializes 'cmap' as an empty concurrent hash map. */
241 void
242 cmap_init(struct cmap *cmap)
243 {
244     ovsrcu_set(&cmap->impl, cmap_impl_create(0));
245 }
246
247 /* Destroys 'cmap'.
248  *
249  * The client is responsible for destroying any data previously held in
250  * 'cmap'. */
251 void
252 cmap_destroy(struct cmap *cmap)
253 {
254     if (cmap) {
255         ovsrcu_postpone(free_cacheline, cmap_get_impl(cmap));
256     }
257 }
258
259 /* Returns the number of elements in 'cmap'. */
260 size_t
261 cmap_count(const struct cmap *cmap)
262 {
263     return cmap_get_impl(cmap)->n;
264 }
265
266 /* Returns true if 'cmap' is empty, false otherwise. */
267 bool
268 cmap_is_empty(const struct cmap *cmap)
269 {
270     return cmap_count(cmap) == 0;
271 }
272
273 static inline uint32_t
274 read_counter(const struct cmap_bucket *bucket_)
275 {
276     struct cmap_bucket *bucket = CONST_CAST(struct cmap_bucket *, bucket_);
277     uint32_t counter;
278
279     atomic_read_explicit(&bucket->counter, &counter, memory_order_acquire);
280
281     return counter;
282 }
283
284 static inline uint32_t
285 read_even_counter(const struct cmap_bucket *bucket)
286 {
287     uint32_t counter;
288
289     do {
290         counter = read_counter(bucket);
291     } while (OVS_UNLIKELY(counter & 1));
292
293     return counter;
294 }
295
296 static inline bool
297 counter_changed(const struct cmap_bucket *b_, uint32_t c)
298 {
299     struct cmap_bucket *b = CONST_CAST(struct cmap_bucket *, b_);
300     uint32_t counter;
301
302     /* Need to make sure the counter read is not moved up, before the hash and
303      * cmap_node_next().  Using atomic_read_explicit with memory_order_acquire
304      * would allow prior reads to be moved after the barrier.
305      * atomic_thread_fence prevents all following memory accesses from moving
306      * prior to preceding loads. */
307     atomic_thread_fence(memory_order_acquire);
308     atomic_read_relaxed(&b->counter, &counter);
309
310     return OVS_UNLIKELY(counter != c);
311 }
312
313 static inline const struct cmap_node *
314 cmap_find_in_bucket(const struct cmap_bucket *bucket, uint32_t hash)
315 {
316     for (int i = 0; i < CMAP_K; i++) {
317         if (bucket->hashes[i] == hash) {
318             return cmap_node_next(&bucket->nodes[i]);
319         }
320     }
321     return NULL;
322 }
323
324 static inline const struct cmap_node *
325 cmap_find__(const struct cmap_bucket *b1, const struct cmap_bucket *b2,
326             uint32_t hash)
327 {
328     uint32_t c1, c2;
329     const struct cmap_node *node;
330
331     do {
332         do {
333             c1 = read_even_counter(b1);
334             node = cmap_find_in_bucket(b1, hash);
335         } while (OVS_UNLIKELY(counter_changed(b1, c1)));
336         if (node) {
337             break;
338         }
339         do {
340             c2 = read_even_counter(b2);
341             node = cmap_find_in_bucket(b2, hash);
342         } while (OVS_UNLIKELY(counter_changed(b2, c2)));
343         if (node) {
344             break;
345         }
346     } while (OVS_UNLIKELY(counter_changed(b1, c1)));
347
348     return node;
349 }
350
351 /* Searches 'cmap' for an element with the specified 'hash'.  If one or more is
352  * found, returns a pointer to the first one, otherwise a null pointer.  All of
353  * the nodes on the returned list are guaranteed to have exactly the given
354  * 'hash'.
355  *
356  * This function works even if 'cmap' is changing concurrently.  If 'cmap' is
357  * not changing, then cmap_find_protected() is slightly faster.
358  *
359  * CMAP_FOR_EACH_WITH_HASH is usually more convenient. */
360 const struct cmap_node *
361 cmap_find(const struct cmap *cmap, uint32_t hash)
362 {
363     const struct cmap_impl *impl = cmap_get_impl(cmap);
364     uint32_t h1 = rehash(impl, hash);
365     uint32_t h2 = other_hash(h1);
366
367     return cmap_find__(&impl->buckets[h1 & impl->mask],
368                        &impl->buckets[h2 & impl->mask],
369                        hash);
370 }
371
372 /* Looks up multiple 'hashes', when the corresponding bit in 'map' is 1,
373  * and sets the corresponding pointer in 'nodes', if the hash value was
374  * found from the 'cmap'.  In other cases the 'nodes' values are not changed,
375  * i.e., no NULL pointers are stored there.
376  * Returns a map where a bit is set to 1 if the corresponding 'nodes' pointer
377  * was stored, 0 otherwise.
378  * Generally, the caller wants to use CMAP_NODE_FOR_EACH to verify for
379  * hash collisions. */
380 unsigned long
381 cmap_find_batch(const struct cmap *cmap, unsigned long map,
382                 uint32_t hashes[], const struct cmap_node *nodes[])
383 {
384     const struct cmap_impl *impl = cmap_get_impl(cmap);
385     unsigned long result = map;
386     int i;
387     uint32_t h1s[sizeof map * CHAR_BIT];
388     const struct cmap_bucket *b1s[sizeof map * CHAR_BIT];
389     const struct cmap_bucket *b2s[sizeof map * CHAR_BIT];
390     uint32_t c1s[sizeof map * CHAR_BIT];
391
392     /* Compute hashes and prefetch 1st buckets. */
393     ULLONG_FOR_EACH_1(i, map) {
394         h1s[i] = rehash(impl, hashes[i]);
395         b1s[i] = &impl->buckets[h1s[i] & impl->mask];
396         OVS_PREFETCH(b1s[i]);
397     }
398     /* Lookups, Round 1. Only look up at the first bucket. */
399     ULLONG_FOR_EACH_1(i, map) {
400         uint32_t c1;
401         const struct cmap_bucket *b1 = b1s[i];
402         const struct cmap_node *node;
403
404         do {
405             c1 = read_even_counter(b1);
406             node = cmap_find_in_bucket(b1, hashes[i]);
407         } while (OVS_UNLIKELY(counter_changed(b1, c1)));
408
409         if (!node) {
410             /* Not found (yet); Prefetch the 2nd bucket. */
411             b2s[i] = &impl->buckets[other_hash(h1s[i]) & impl->mask];
412             OVS_PREFETCH(b2s[i]);
413             c1s[i] = c1; /* We may need to check this after Round 2. */
414             continue;
415         }
416         /* Found. */
417         ULLONG_SET0(map, i); /* Ignore this on round 2. */
418         OVS_PREFETCH(node);
419         nodes[i] = node;
420     }
421     /* Round 2. Look into the 2nd bucket, if needed. */
422     ULLONG_FOR_EACH_1(i, map) {
423         uint32_t c2;
424         const struct cmap_bucket *b2 = b2s[i];
425         const struct cmap_node *node;
426
427         do {
428             c2 = read_even_counter(b2);
429             node = cmap_find_in_bucket(b2, hashes[i]);
430         } while (OVS_UNLIKELY(counter_changed(b2, c2)));
431
432         if (!node) {
433             /* Not found, but the node may have been moved from b2 to b1 right
434              * after we finished with b1 earlier.  We just got a clean reading
435              * of the 2nd bucket, so we check the counter of the 1st bucket
436              * only.  However, we need to check both buckets again, as the
437              * entry may be moved again to the 2nd bucket.  Basically, we
438              * need to loop as long as it takes to get stable readings of
439              * both buckets.  cmap_find__() does that, and now that we have
440              * fetched both buckets we can just use it. */
441             if (OVS_UNLIKELY(counter_changed(b1s[i], c1s[i]))) {
442                 node = cmap_find__(b1s[i], b2s[i], hashes[i]);
443                 if (node) {
444                     goto found;
445                 }
446             }
447             /* Not found. */
448             ULLONG_SET0(result, i); /* Fix the result. */
449             continue;
450         }
451 found:
452         OVS_PREFETCH(node);
453         nodes[i] = node;
454     }
455     return result;
456 }
457
458 static int
459 cmap_find_slot_protected(struct cmap_bucket *b, uint32_t hash)
460 {
461     int i;
462
463     for (i = 0; i < CMAP_K; i++) {
464         if (b->hashes[i] == hash && cmap_node_next_protected(&b->nodes[i])) {
465             return i;
466         }
467     }
468     return -1;
469 }
470
471 static struct cmap_node *
472 cmap_find_bucket_protected(struct cmap_impl *impl, uint32_t hash, uint32_t h)
473 {
474     struct cmap_bucket *b = &impl->buckets[h & impl->mask];
475     int i;
476
477     for (i = 0; i < CMAP_K; i++) {
478         if (b->hashes[i] == hash) {
479             return cmap_node_next_protected(&b->nodes[i]);
480         }
481     }
482     return NULL;
483 }
484
485 /* Like cmap_find(), but only for use if 'cmap' cannot change concurrently.
486  *
487  * CMAP_FOR_EACH_WITH_HASH_PROTECTED is usually more convenient. */
488 struct cmap_node *
489 cmap_find_protected(const struct cmap *cmap, uint32_t hash)
490 {
491     struct cmap_impl *impl = cmap_get_impl(cmap);
492     uint32_t h1 = rehash(impl, hash);
493     uint32_t h2 = other_hash(hash);
494     struct cmap_node *node;
495
496     node = cmap_find_bucket_protected(impl, hash, h1);
497     if (node) {
498         return node;
499     }
500     return cmap_find_bucket_protected(impl, hash, h2);
501 }
502
503 static int
504 cmap_find_empty_slot_protected(const struct cmap_bucket *b)
505 {
506     int i;
507
508     for (i = 0; i < CMAP_K; i++) {
509         if (!cmap_node_next_protected(&b->nodes[i])) {
510             return i;
511         }
512     }
513     return -1;
514 }
515
516 static void
517 cmap_set_bucket(struct cmap_bucket *b, int i,
518                 struct cmap_node *node, uint32_t hash)
519 {
520     uint32_t c;
521
522     atomic_read_explicit(&b->counter, &c, memory_order_acquire);
523     atomic_store_explicit(&b->counter, c + 1, memory_order_release);
524     ovsrcu_set(&b->nodes[i].next, node); /* Also atomic. */
525     b->hashes[i] = hash;
526     atomic_store_explicit(&b->counter, c + 2, memory_order_release);
527 }
528
529 /* Searches 'b' for a node with the given 'hash'.  If it finds one, adds
530  * 'new_node' to the node's linked list and returns true.  If it does not find
531  * one, returns false. */
532 static bool
533 cmap_insert_dup(struct cmap_node *new_node, uint32_t hash,
534                 struct cmap_bucket *b)
535 {
536     int i;
537
538     for (i = 0; i < CMAP_K; i++) {
539         if (b->hashes[i] == hash) {
540             struct cmap_node *node = cmap_node_next_protected(&b->nodes[i]);
541
542             if (node) {
543                 struct cmap_node *p;
544
545                 /* The common case is that 'new_node' is a singleton,
546                  * with a null 'next' pointer.  Rehashing can add a
547                  * longer chain, but due to our invariant of always
548                  * having all nodes with the same (user) hash value at
549                  * a single chain, rehashing will always insert the
550                  * chain to an empty node.  The only way we can end up
551                  * here is by the user inserting a chain of nodes at
552                  * once.  Find the end of the chain starting at
553                  * 'new_node', then splice 'node' to the end of that
554                  * chain. */
555                 p = new_node;
556                 for (;;) {
557                     struct cmap_node *next = cmap_node_next_protected(p);
558
559                     if (!next) {
560                         break;
561                     }
562                     p = next;
563                 }
564                 ovsrcu_set_hidden(&p->next, node);
565             } else {
566                 /* The hash value is there from some previous insertion, but
567                  * the associated node has been removed.  We're not really
568                  * inserting a duplicate, but we can still reuse the slot.
569                  * Carry on. */
570             }
571
572             /* Change the bucket to point to 'new_node'.  This is a degenerate
573              * form of cmap_set_bucket() that doesn't update the counter since
574              * we're only touching one field and in a way that doesn't change
575              * the bucket's meaning for readers. */
576             ovsrcu_set(&b->nodes[i].next, new_node);
577
578             return true;
579         }
580     }
581     return false;
582 }
583
584 /* Searches 'b' for an empty slot.  If successful, stores 'node' and 'hash' in
585  * the slot and returns true.  Otherwise, returns false. */
586 static bool
587 cmap_insert_bucket(struct cmap_node *node, uint32_t hash,
588                    struct cmap_bucket *b)
589 {
590     int i;
591
592     for (i = 0; i < CMAP_K; i++) {
593         if (!cmap_node_next_protected(&b->nodes[i])) {
594             cmap_set_bucket(b, i, node, hash);
595             return true;
596         }
597     }
598     return false;
599 }
600
601 /* Returns the other bucket that b->nodes[slot] could occupy in 'impl'.  (This
602  * might be the same as 'b'.) */
603 static struct cmap_bucket *
604 other_bucket_protected(struct cmap_impl *impl, struct cmap_bucket *b, int slot)
605 {
606     uint32_t h1 = rehash(impl, b->hashes[slot]);
607     uint32_t h2 = other_hash(h1);
608     uint32_t b_idx = b - impl->buckets;
609     uint32_t other_h = (h1 & impl->mask) == b_idx ? h2 : h1;
610
611     return &impl->buckets[other_h & impl->mask];
612 }
613
614 /* 'new_node' is to be inserted into 'impl', but both candidate buckets 'b1'
615  * and 'b2' are full.  This function attempts to rearrange buckets within
616  * 'impl' to make room for 'new_node'.
617  *
618  * The implementation is a general-purpose breadth-first search.  At first
619  * glance, this is more complex than a random walk through 'impl' (suggested by
620  * some references), but random walks have a tendency to loop back through a
621  * single bucket.  We have to move nodes backward along the path that we find,
622  * so that no node actually disappears from the hash table, which means a
623  * random walk would have to be careful to deal with loops.  By contrast, a
624  * successful breadth-first search always finds a *shortest* path through the
625  * hash table, and a shortest path will never contain loops, so it avoids that
626  * problem entirely.
627  */
628 static bool
629 cmap_insert_bfs(struct cmap_impl *impl, struct cmap_node *new_node,
630                 uint32_t hash, struct cmap_bucket *b1, struct cmap_bucket *b2)
631 {
632     enum { MAX_DEPTH = 4 };
633
634     /* A path from 'start' to 'end' via the 'n' steps in 'slots[]'.
635      *
636      * One can follow the path via:
637      *
638      *     struct cmap_bucket *b;
639      *     int i;
640      *
641      *     b = path->start;
642      *     for (i = 0; i < path->n; i++) {
643      *         b = other_bucket_protected(impl, b, path->slots[i]);
644      *     }
645      *     ovs_assert(b == path->end);
646      */
647     struct cmap_path {
648         struct cmap_bucket *start; /* First bucket along the path. */
649         struct cmap_bucket *end;   /* Last bucket on the path. */
650         uint8_t slots[MAX_DEPTH];  /* Slots used for each hop. */
651         int n;                     /* Number of slots[]. */
652     };
653
654     /* We need to limit the amount of work we do trying to find a path.  It
655      * might actually be impossible to rearrange the cmap, and after some time
656      * it is likely to be easier to rehash the entire cmap.
657      *
658      * This value of MAX_QUEUE is an arbitrary limit suggested by one of the
659      * references.  Empirically, it seems to work OK. */
660     enum { MAX_QUEUE = 500 };
661     struct cmap_path queue[MAX_QUEUE];
662     int head = 0;
663     int tail = 0;
664
665     /* Add 'b1' and 'b2' as starting points for the search. */
666     queue[head].start = b1;
667     queue[head].end = b1;
668     queue[head].n = 0;
669     head++;
670     if (b1 != b2) {
671         queue[head].start = b2;
672         queue[head].end = b2;
673         queue[head].n = 0;
674         head++;
675     }
676
677     while (tail < head) {
678         const struct cmap_path *path = &queue[tail++];
679         struct cmap_bucket *this = path->end;
680         int i;
681
682         for (i = 0; i < CMAP_K; i++) {
683             struct cmap_bucket *next = other_bucket_protected(impl, this, i);
684             int j;
685
686             if (this == next) {
687                 continue;
688             }
689
690             j = cmap_find_empty_slot_protected(next);
691             if (j >= 0) {
692                 /* We've found a path along which we can rearrange the hash
693                  * table:  Start at path->start, follow all the slots in
694                  * path->slots[], then follow slot 'i', then the bucket you
695                  * arrive at has slot 'j' empty. */
696                 struct cmap_bucket *buckets[MAX_DEPTH + 2];
697                 int slots[MAX_DEPTH + 2];
698                 int k;
699
700                 /* Figure out the full sequence of slots. */
701                 for (k = 0; k < path->n; k++) {
702                     slots[k] = path->slots[k];
703                 }
704                 slots[path->n] = i;
705                 slots[path->n + 1] = j;
706
707                 /* Figure out the full sequence of buckets. */
708                 buckets[0] = path->start;
709                 for (k = 0; k <= path->n; k++) {
710                     buckets[k + 1] = other_bucket_protected(impl, buckets[k], slots[k]);
711                 }
712
713                 /* Now the path is fully expressed.  One can start from
714                  * buckets[0], go via slots[0] to buckets[1], via slots[1] to
715                  * buckets[2], and so on.
716                  *
717                  * Move all the nodes across the path "backward".  After each
718                  * step some node appears in two buckets.  Thus, every node is
719                  * always visible to a concurrent search. */
720                 for (k = path->n + 1; k > 0; k--) {
721                     int slot = slots[k - 1];
722
723                     cmap_set_bucket(
724                         buckets[k], slots[k],
725                         cmap_node_next_protected(&buckets[k - 1]->nodes[slot]),
726                         buckets[k - 1]->hashes[slot]);
727                 }
728
729                 /* Finally, replace the first node on the path by
730                  * 'new_node'. */
731                 cmap_set_bucket(buckets[0], slots[0], new_node, hash);
732
733                 return true;
734             }
735
736             if (path->n < MAX_DEPTH && head < MAX_QUEUE) {
737                 struct cmap_path *new_path = &queue[head++];
738
739                 *new_path = *path;
740                 new_path->end = next;
741                 new_path->slots[new_path->n++] = i;
742             }
743         }
744     }
745
746     return false;
747 }
748
749 /* Adds 'node', with the given 'hash', to 'impl'.
750  *
751  * 'node' is ordinarily a single node, with a null 'next' pointer.  When
752  * rehashing, however, it may be a longer chain of nodes. */
753 static bool
754 cmap_try_insert(struct cmap_impl *impl, struct cmap_node *node, uint32_t hash)
755 {
756     uint32_t h1 = rehash(impl, hash);
757     uint32_t h2 = other_hash(h1);
758     struct cmap_bucket *b1 = &impl->buckets[h1 & impl->mask];
759     struct cmap_bucket *b2 = &impl->buckets[h2 & impl->mask];
760
761     return (OVS_UNLIKELY(cmap_insert_dup(node, hash, b1) ||
762                          cmap_insert_dup(node, hash, b2)) ||
763             OVS_LIKELY(cmap_insert_bucket(node, hash, b1) ||
764                        cmap_insert_bucket(node, hash, b2)) ||
765             cmap_insert_bfs(impl, node, hash, b1, b2));
766 }
767
768 /* Inserts 'node', with the given 'hash', into 'cmap'.  The caller must ensure
769  * that 'cmap' cannot change concurrently (from another thread).  If duplicates
770  * are undesirable, the caller must have already verified that 'cmap' does not
771  * contain a duplicate of 'node'.
772  *
773  * Returns the current number of nodes in the cmap after the insertion. */
774 size_t
775 cmap_insert(struct cmap *cmap, struct cmap_node *node, uint32_t hash)
776 {
777     struct cmap_impl *impl = cmap_get_impl(cmap);
778
779     ovsrcu_set_hidden(&node->next, NULL);
780
781     if (OVS_UNLIKELY(impl->n >= impl->max_n)) {
782         COVERAGE_INC(cmap_expand);
783         impl = cmap_rehash(cmap, (impl->mask << 1) | 1);
784     }
785
786     while (OVS_UNLIKELY(!cmap_try_insert(impl, node, hash))) {
787         impl = cmap_rehash(cmap, impl->mask);
788     }
789     return ++impl->n;
790 }
791
792 static bool
793 cmap_replace__(struct cmap_impl *impl, struct cmap_node *node,
794                struct cmap_node *replacement, uint32_t hash, uint32_t h)
795 {
796     struct cmap_bucket *b = &impl->buckets[h & impl->mask];
797     int slot;
798
799     slot = cmap_find_slot_protected(b, hash);
800     if (slot < 0) {
801         return false;
802     }
803
804     /* The pointer to 'node' is changed to point to 'replacement',
805      * which is the next node if no replacement node is given. */
806     if (!replacement) {
807         replacement = cmap_node_next_protected(node);
808     } else {
809         /* 'replacement' takes the position of 'node' in the list. */
810         ovsrcu_set_hidden(&replacement->next, cmap_node_next_protected(node));
811     }
812
813     struct cmap_node *iter = &b->nodes[slot];
814     for (;;) {
815         struct cmap_node *next = cmap_node_next_protected(iter);
816
817         if (next == node) {
818             ovsrcu_set(&iter->next, replacement);
819             return true;
820         }
821         iter = next;
822     }
823 }
824
825 /* Replaces 'old_node' in 'cmap' with 'new_node'.  The caller must
826  * ensure that 'cmap' cannot change concurrently (from another thread).
827  *
828  * 'old_node' must not be destroyed or modified or inserted back into 'cmap' or
829  * into any other concurrent hash map while any other thread might be accessing
830  * it.  One correct way to do this is to free it from an RCU callback with
831  * ovsrcu_postpone().
832  *
833  * Returns the current number of nodes in the cmap after the replacement.  The
834  * number of nodes decreases by one if 'new_node' is NULL. */
835 size_t
836 cmap_replace(struct cmap *cmap, struct cmap_node *old_node,
837              struct cmap_node *new_node, uint32_t hash)
838 {
839     struct cmap_impl *impl = cmap_get_impl(cmap);
840     uint32_t h1 = rehash(impl, hash);
841     uint32_t h2 = other_hash(h1);
842     bool ok;
843
844     ok = cmap_replace__(impl, old_node, new_node, hash, h1)
845         || cmap_replace__(impl, old_node, new_node, hash, h2);
846     ovs_assert(ok);
847
848     if (!new_node) {
849         impl->n--;
850         if (OVS_UNLIKELY(impl->n < impl->min_n)) {
851             COVERAGE_INC(cmap_shrink);
852             impl = cmap_rehash(cmap, impl->mask >> 1);
853         }
854     }
855     return impl->n;
856 }
857
858 static bool
859 cmap_try_rehash(const struct cmap_impl *old, struct cmap_impl *new)
860 {
861     const struct cmap_bucket *b;
862
863     for (b = old->buckets; b <= &old->buckets[old->mask]; b++) {
864         int i;
865
866         for (i = 0; i < CMAP_K; i++) {
867             /* possible optimization here because we know the hashes are
868              * unique */
869             struct cmap_node *node = cmap_node_next_protected(&b->nodes[i]);
870
871             if (node && !cmap_try_insert(new, node, b->hashes[i])) {
872                 return false;
873             }
874         }
875     }
876     return true;
877 }
878
879 static struct cmap_impl *
880 cmap_rehash(struct cmap *cmap, uint32_t mask)
881 {
882     struct cmap_impl *old = cmap_get_impl(cmap);
883     struct cmap_impl *new;
884
885     new = cmap_impl_create(mask);
886     ovs_assert(old->n < new->max_n);
887
888     while (!cmap_try_rehash(old, new)) {
889         memset(new->buckets, 0, (mask + 1) * sizeof *new->buckets);
890         new->basis = random_uint32();
891     }
892
893     new->n = old->n;
894     ovsrcu_set(&cmap->impl, new);
895     ovsrcu_postpone(free_cacheline, old);
896
897     return new;
898 }
899
900 struct cmap_cursor
901 cmap_cursor_start(const struct cmap *cmap)
902 {
903     struct cmap_cursor cursor;
904
905     cursor.impl = cmap_get_impl(cmap);
906     cursor.bucket_idx = 0;
907     cursor.entry_idx = 0;
908     cursor.node = NULL;
909     cmap_cursor_advance(&cursor);
910
911     return cursor;
912 }
913
914 void
915 cmap_cursor_advance(struct cmap_cursor *cursor)
916 {
917     const struct cmap_impl *impl = cursor->impl;
918
919     if (cursor->node) {
920         cursor->node = cmap_node_next(cursor->node);
921         if (cursor->node) {
922             return;
923         }
924     }
925
926     while (cursor->bucket_idx <= impl->mask) {
927         const struct cmap_bucket *b = &impl->buckets[cursor->bucket_idx];
928
929         while (cursor->entry_idx < CMAP_K) {
930             cursor->node = cmap_node_next(&b->nodes[cursor->entry_idx++]);
931             if (cursor->node) {
932                 return;
933             }
934         }
935
936         cursor->bucket_idx++;
937         cursor->entry_idx = 0;
938     }
939 }
940
941 /* Returns the next node in 'cmap' in hash order, or NULL if no nodes remain in
942  * 'cmap'.  Uses '*pos' to determine where to begin iteration, and updates
943  * '*pos' to pass on the next iteration into them before returning.
944  *
945  * It's better to use plain CMAP_FOR_EACH and related functions, since they are
946  * faster and better at dealing with cmaps that change during iteration.
947  *
948  * Before beginning iteration, set '*pos' to all zeros. */
949 struct cmap_node *
950 cmap_next_position(const struct cmap *cmap,
951                    struct cmap_position *pos)
952 {
953     struct cmap_impl *impl = cmap_get_impl(cmap);
954     unsigned int bucket = pos->bucket;
955     unsigned int entry = pos->entry;
956     unsigned int offset = pos->offset;
957
958     while (bucket <= impl->mask) {
959         const struct cmap_bucket *b = &impl->buckets[bucket];
960
961         while (entry < CMAP_K) {
962             const struct cmap_node *node = cmap_node_next(&b->nodes[entry]);
963             unsigned int i;
964
965             for (i = 0; node; i++, node = cmap_node_next(node)) {
966                 if (i == offset) {
967                     if (cmap_node_next(node)) {
968                         offset++;
969                     } else {
970                         entry++;
971                         offset = 0;
972                     }
973                     pos->bucket = bucket;
974                     pos->entry = entry;
975                     pos->offset = offset;
976                     return CONST_CAST(struct cmap_node *, node);
977                 }
978             }
979
980             entry++;
981             offset = 0;
982         }
983
984         bucket++;
985         entry = offset = 0;
986     }
987
988     pos->bucket = pos->entry = pos->offset = 0;
989     return NULL;
990 }