Merge remote-tracking branches 'spi/topic/rockchip', 'spi/topic/rspi', 'spi/topic...
[sfrench/cifs-2.6.git] / Documentation / core-api / assoc_array.rst
1 ========================================
2 Generic Associative Array Implementation
3 ========================================
4
5 Overview
6 ========
7
8 This associative array implementation is an object container with the following
9 properties:
10
11 1. Objects are opaque pointers.  The implementation does not care where they
12    point (if anywhere) or what they point to (if anything).
13 .. note:: Pointers to objects _must_ be zero in the least significant bit.
14
15 2. Objects do not need to contain linkage blocks for use by the array.  This
16    permits an object to be located in multiple arrays simultaneously.
17    Rather, the array is made up of metadata blocks that point to objects.
18
19 3. Objects require index keys to locate them within the array.
20
21 4. Index keys must be unique.  Inserting an object with the same key as one
22    already in the array will replace the old object.
23
24 5. Index keys can be of any length and can be of different lengths.
25
26 6. Index keys should encode the length early on, before any variation due to
27    length is seen.
28
29 7. Index keys can include a hash to scatter objects throughout the array.
30
31 8. The array can iterated over.  The objects will not necessarily come out in
32    key order.
33
34 9. The array can be iterated over whilst it is being modified, provided the
35    RCU readlock is being held by the iterator.  Note, however, under these
36    circumstances, some objects may be seen more than once.  If this is a
37    problem, the iterator should lock against modification.  Objects will not
38    be missed, however, unless deleted.
39
40 10. Objects in the array can be looked up by means of their index key.
41
42 11. Objects can be looked up whilst the array is being modified, provided the
43     RCU readlock is being held by the thread doing the look up.
44
45 The implementation uses a tree of 16-pointer nodes internally that are indexed
46 on each level by nibbles from the index key in the same manner as in a radix
47 tree.  To improve memory efficiency, shortcuts can be emplaced to skip over
48 what would otherwise be a series of single-occupancy nodes.  Further, nodes
49 pack leaf object pointers into spare space in the node rather than making an
50 extra branch until as such time an object needs to be added to a full node.
51
52
53 The Public API
54 ==============
55
56 The public API can be found in ``<linux/assoc_array.h>``.  The associative
57 array is rooted on the following structure::
58
59     struct assoc_array {
60             ...
61     };
62
63 The code is selected by enabling ``CONFIG_ASSOCIATIVE_ARRAY`` with::
64
65     ./script/config -e ASSOCIATIVE_ARRAY
66
67
68 Edit Script
69 -----------
70
71 The insertion and deletion functions produce an 'edit script' that can later be
72 applied to effect the changes without risking ``ENOMEM``. This retains the
73 preallocated metadata blocks that will be installed in the internal tree and
74 keeps track of the metadata blocks that will be removed from the tree when the
75 script is applied.
76
77 This is also used to keep track of dead blocks and dead objects after the
78 script has been applied so that they can be freed later.  The freeing is done
79 after an RCU grace period has passed - thus allowing access functions to
80 proceed under the RCU read lock.
81
82 The script appears as outside of the API as a pointer of the type::
83
84     struct assoc_array_edit;
85
86 There are two functions for dealing with the script:
87
88 1. Apply an edit script::
89
90     void assoc_array_apply_edit(struct assoc_array_edit *edit);
91
92 This will perform the edit functions, interpolating various write barriers
93 to permit accesses under the RCU read lock to continue.  The edit script
94 will then be passed to ``call_rcu()`` to free it and any dead stuff it points
95 to.
96
97 2. Cancel an edit script::
98
99     void assoc_array_cancel_edit(struct assoc_array_edit *edit);
100
101 This frees the edit script and all preallocated memory immediately. If
102 this was for insertion, the new object is _not_ released by this function,
103 but must rather be released by the caller.
104
105 These functions are guaranteed not to fail.
106
107
108 Operations Table
109 ----------------
110
111 Various functions take a table of operations::
112
113     struct assoc_array_ops {
114             ...
115     };
116
117 This points to a number of methods, all of which need to be provided:
118
119 1. Get a chunk of index key from caller data::
120
121     unsigned long (*get_key_chunk)(const void *index_key, int level);
122
123 This should return a chunk of caller-supplied index key starting at the
124 *bit* position given by the level argument.  The level argument will be a
125 multiple of ``ASSOC_ARRAY_KEY_CHUNK_SIZE`` and the function should return
126 ``ASSOC_ARRAY_KEY_CHUNK_SIZE bits``.  No error is possible.
127
128
129 2. Get a chunk of an object's index key::
130
131     unsigned long (*get_object_key_chunk)(const void *object, int level);
132
133 As the previous function, but gets its data from an object in the array
134 rather than from a caller-supplied index key.
135
136
137 3. See if this is the object we're looking for::
138
139     bool (*compare_object)(const void *object, const void *index_key);
140
141 Compare the object against an index key and return ``true`` if it matches and
142 ``false`` if it doesn't.
143
144
145 4. Diff the index keys of two objects::
146
147     int (*diff_objects)(const void *object, const void *index_key);
148
149 Return the bit position at which the index key of the specified object
150 differs from the given index key or -1 if they are the same.
151
152
153 5. Free an object::
154
155     void (*free_object)(void *object);
156
157 Free the specified object.  Note that this may be called an RCU grace period
158 after ``assoc_array_apply_edit()`` was called, so ``synchronize_rcu()`` may be
159 necessary on module unloading.
160
161
162 Manipulation Functions
163 ----------------------
164
165 There are a number of functions for manipulating an associative array:
166
167 1. Initialise an associative array::
168
169     void assoc_array_init(struct assoc_array *array);
170
171 This initialises the base structure for an associative array.  It can't fail.
172
173
174 2. Insert/replace an object in an associative array::
175
176     struct assoc_array_edit *
177     assoc_array_insert(struct assoc_array *array,
178                        const struct assoc_array_ops *ops,
179                        const void *index_key,
180                        void *object);
181
182 This inserts the given object into the array.  Note that the least
183 significant bit of the pointer must be zero as it's used to type-mark
184 pointers internally.
185
186 If an object already exists for that key then it will be replaced with the
187 new object and the old one will be freed automatically.
188
189 The ``index_key`` argument should hold index key information and is
190 passed to the methods in the ops table when they are called.
191
192 This function makes no alteration to the array itself, but rather returns
193 an edit script that must be applied.  ``-ENOMEM`` is returned in the case of
194 an out-of-memory error.
195
196 The caller should lock exclusively against other modifiers of the array.
197
198
199 3. Delete an object from an associative array::
200
201     struct assoc_array_edit *
202     assoc_array_delete(struct assoc_array *array,
203                        const struct assoc_array_ops *ops,
204                        const void *index_key);
205
206 This deletes an object that matches the specified data from the array.
207
208 The ``index_key`` argument should hold index key information and is
209 passed to the methods in the ops table when they are called.
210
211 This function makes no alteration to the array itself, but rather returns
212 an edit script that must be applied.  ``-ENOMEM`` is returned in the case of
213 an out-of-memory error.  ``NULL`` will be returned if the specified object is
214 not found within the array.
215
216 The caller should lock exclusively against other modifiers of the array.
217
218
219 4. Delete all objects from an associative array::
220
221     struct assoc_array_edit *
222     assoc_array_clear(struct assoc_array *array,
223                       const struct assoc_array_ops *ops);
224
225 This deletes all the objects from an associative array and leaves it
226 completely empty.
227
228 This function makes no alteration to the array itself, but rather returns
229 an edit script that must be applied.  ``-ENOMEM`` is returned in the case of
230 an out-of-memory error.
231
232 The caller should lock exclusively against other modifiers of the array.
233
234
235 5. Destroy an associative array, deleting all objects::
236
237     void assoc_array_destroy(struct assoc_array *array,
238                              const struct assoc_array_ops *ops);
239
240 This destroys the contents of the associative array and leaves it
241 completely empty.  It is not permitted for another thread to be traversing
242 the array under the RCU read lock at the same time as this function is
243 destroying it as no RCU deferral is performed on memory release -
244 something that would require memory to be allocated.
245
246 The caller should lock exclusively against other modifiers and accessors
247 of the array.
248
249
250 6. Garbage collect an associative array::
251
252     int assoc_array_gc(struct assoc_array *array,
253                        const struct assoc_array_ops *ops,
254                        bool (*iterator)(void *object, void *iterator_data),
255                        void *iterator_data);
256
257 This iterates over the objects in an associative array and passes each one to
258 ``iterator()``.  If ``iterator()`` returns ``true``, the object is kept.  If it
259 returns ``false``, the object will be freed.  If the ``iterator()`` function
260 returns ``true``, it must perform any appropriate refcount incrementing on the
261 object before returning.
262
263 The internal tree will be packed down if possible as part of the iteration
264 to reduce the number of nodes in it.
265
266 The ``iterator_data`` is passed directly to ``iterator()`` and is otherwise
267 ignored by the function.
268
269 The function will return ``0`` if successful and ``-ENOMEM`` if there wasn't
270 enough memory.
271
272 It is possible for other threads to iterate over or search the array under
273 the RCU read lock whilst this function is in progress.  The caller should
274 lock exclusively against other modifiers of the array.
275
276
277 Access Functions
278 ----------------
279
280 There are two functions for accessing an associative array:
281
282 1. Iterate over all the objects in an associative array::
283
284     int assoc_array_iterate(const struct assoc_array *array,
285                             int (*iterator)(const void *object,
286                                             void *iterator_data),
287                             void *iterator_data);
288
289 This passes each object in the array to the iterator callback function.
290 ``iterator_data`` is private data for that function.
291
292 This may be used on an array at the same time as the array is being
293 modified, provided the RCU read lock is held.  Under such circumstances,
294 it is possible for the iteration function to see some objects twice.  If
295 this is a problem, then modification should be locked against.  The
296 iteration algorithm should not, however, miss any objects.
297
298 The function will return ``0`` if no objects were in the array or else it will
299 return the result of the last iterator function called.  Iteration stops
300 immediately if any call to the iteration function results in a non-zero
301 return.
302
303
304 2. Find an object in an associative array::
305
306     void *assoc_array_find(const struct assoc_array *array,
307                            const struct assoc_array_ops *ops,
308                            const void *index_key);
309
310 This walks through the array's internal tree directly to the object
311 specified by the index key..
312
313 This may be used on an array at the same time as the array is being
314 modified, provided the RCU read lock is held.
315
316 The function will return the object if found (and set ``*_type`` to the object
317 type) or will return ``NULL`` if the object was not found.
318
319
320 Index Key Form
321 --------------
322
323 The index key can be of any form, but since the algorithms aren't told how long
324 the key is, it is strongly recommended that the index key includes its length
325 very early on before any variation due to the length would have an effect on
326 comparisons.
327
328 This will cause leaves with different length keys to scatter away from each
329 other - and those with the same length keys to cluster together.
330
331 It is also recommended that the index key begin with a hash of the rest of the
332 key to maximise scattering throughout keyspace.
333
334 The better the scattering, the wider and lower the internal tree will be.
335
336 Poor scattering isn't too much of a problem as there are shortcuts and nodes
337 can contain mixtures of leaves and metadata pointers.
338
339 The index key is read in chunks of machine word.  Each chunk is subdivided into
340 one nibble (4 bits) per level, so on a 32-bit CPU this is good for 8 levels and
341 on a 64-bit CPU, 16 levels.  Unless the scattering is really poor, it is
342 unlikely that more than one word of any particular index key will have to be
343 used.
344
345
346 Internal Workings
347 =================
348
349 The associative array data structure has an internal tree.  This tree is
350 constructed of two types of metadata blocks: nodes and shortcuts.
351
352 A node is an array of slots.  Each slot can contain one of four things:
353
354 * A NULL pointer, indicating that the slot is empty.
355 * A pointer to an object (a leaf).
356 * A pointer to a node at the next level.
357 * A pointer to a shortcut.
358
359
360 Basic Internal Tree Layout
361 --------------------------
362
363 Ignoring shortcuts for the moment, the nodes form a multilevel tree.  The index
364 key space is strictly subdivided by the nodes in the tree and nodes occur on
365 fixed levels.  For example::
366
367  Level: 0               1               2               3
368         =============== =============== =============== ===============
369                                                         NODE D
370                         NODE B          NODE C  +------>+---+
371                 +------>+---+   +------>+---+   |       | 0 |
372         NODE A  |       | 0 |   |       | 0 |   |       +---+
373         +---+   |       +---+   |       +---+   |       :   :
374         | 0 |   |       :   :   |       :   :   |       +---+
375         +---+   |       +---+   |       +---+   |       | f |
376         | 1 |---+       | 3 |---+       | 7 |---+       +---+
377         +---+           +---+           +---+
378         :   :           :   :           | 8 |---+
379         +---+           +---+           +---+   |       NODE E
380         | e |---+       | f |           :   :   +------>+---+
381         +---+   |       +---+           +---+           | 0 |
382         | f |   |                       | f |           +---+
383         +---+   |                       +---+           :   :
384                 |       NODE F                          +---+
385                 +------>+---+                           | f |
386                         | 0 |           NODE G          +---+
387                         +---+   +------>+---+
388                         :   :   |       | 0 |
389                         +---+   |       +---+
390                         | 6 |---+       :   :
391                         +---+           +---+
392                         :   :           | f |
393                         +---+           +---+
394                         | f |
395                         +---+
396
397 In the above example, there are 7 nodes (A-G), each with 16 slots (0-f).
398 Assuming no other meta data nodes in the tree, the key space is divided
399 thusly::
400
401     KEY PREFIX      NODE
402     ==========      ====
403     137*            D
404     138*            E
405     13[0-69-f]*     C
406     1[0-24-f]*      B
407     e6*             G
408     e[0-57-f]*      F
409     [02-df]*        A
410
411 So, for instance, keys with the following example index keys will be found in
412 the appropriate nodes::
413
414     INDEX KEY       PREFIX  NODE
415     =============== ======= ====
416     13694892892489  13      C
417     13795289025897  137     D
418     13889dde88793   138     E
419     138bbb89003093  138     E
420     1394879524789   12      C
421     1458952489      1       B
422     9431809de993ba  -       A
423     b4542910809cd   -       A
424     e5284310def98   e       F
425     e68428974237    e6      G
426     e7fffcbd443     e       F
427     f3842239082     -       A
428
429 To save memory, if a node can hold all the leaves in its portion of keyspace,
430 then the node will have all those leaves in it and will not have any metadata
431 pointers - even if some of those leaves would like to be in the same slot.
432
433 A node can contain a heterogeneous mix of leaves and metadata pointers.
434 Metadata pointers must be in the slots that match their subdivisions of key
435 space.  The leaves can be in any slot not occupied by a metadata pointer.  It
436 is guaranteed that none of the leaves in a node will match a slot occupied by a
437 metadata pointer.  If the metadata pointer is there, any leaf whose key matches
438 the metadata key prefix must be in the subtree that the metadata pointer points
439 to.
440
441 In the above example list of index keys, node A will contain::
442
443     SLOT    CONTENT         INDEX KEY (PREFIX)
444     ====    =============== ==================
445     1       PTR TO NODE B   1*
446     any     LEAF            9431809de993ba
447     any     LEAF            b4542910809cd
448     e       PTR TO NODE F   e*
449     any     LEAF            f3842239082
450
451 and node B::
452
453     3   PTR TO NODE C   13*
454     any LEAF            1458952489
455
456
457 Shortcuts
458 ---------
459
460 Shortcuts are metadata records that jump over a piece of keyspace.  A shortcut
461 is a replacement for a series of single-occupancy nodes ascending through the
462 levels.  Shortcuts exist to save memory and to speed up traversal.
463
464 It is possible for the root of the tree to be a shortcut - say, for example,
465 the tree contains at least 17 nodes all with key prefix ``1111``.  The
466 insertion algorithm will insert a shortcut to skip over the ``1111`` keyspace
467 in a single bound and get to the fourth level where these actually become
468 different.
469
470
471 Splitting And Collapsing Nodes
472 ------------------------------
473
474 Each node has a maximum capacity of 16 leaves and metadata pointers.  If the
475 insertion algorithm finds that it is trying to insert a 17th object into a
476 node, that node will be split such that at least two leaves that have a common
477 key segment at that level end up in a separate node rooted on that slot for
478 that common key segment.
479
480 If the leaves in a full node and the leaf that is being inserted are
481 sufficiently similar, then a shortcut will be inserted into the tree.
482
483 When the number of objects in the subtree rooted at a node falls to 16 or
484 fewer, then the subtree will be collapsed down to a single node - and this will
485 ripple towards the root if possible.
486
487
488 Non-Recursive Iteration
489 -----------------------
490
491 Each node and shortcut contains a back pointer to its parent and the number of
492 slot in that parent that points to it.  None-recursive iteration uses these to
493 proceed rootwards through the tree, going to the parent node, slot N + 1 to
494 make sure progress is made without the need for a stack.
495
496 The backpointers, however, make simultaneous alteration and iteration tricky.
497
498
499 Simultaneous Alteration And Iteration
500 -------------------------------------
501
502 There are a number of cases to consider:
503
504 1. Simple insert/replace.  This involves simply replacing a NULL or old
505    matching leaf pointer with the pointer to the new leaf after a barrier.
506    The metadata blocks don't change otherwise.  An old leaf won't be freed
507    until after the RCU grace period.
508
509 2. Simple delete.  This involves just clearing an old matching leaf.  The
510    metadata blocks don't change otherwise.  The old leaf won't be freed until
511    after the RCU grace period.
512
513 3. Insertion replacing part of a subtree that we haven't yet entered.  This
514    may involve replacement of part of that subtree - but that won't affect
515    the iteration as we won't have reached the pointer to it yet and the
516    ancestry blocks are not replaced (the layout of those does not change).
517
518 4. Insertion replacing nodes that we're actively processing.  This isn't a
519    problem as we've passed the anchoring pointer and won't switch onto the
520    new layout until we follow the back pointers - at which point we've
521    already examined the leaves in the replaced node (we iterate over all the
522    leaves in a node before following any of its metadata pointers).
523
524    We might, however, re-see some leaves that have been split out into a new
525    branch that's in a slot further along than we were at.
526
527 5. Insertion replacing nodes that we're processing a dependent branch of.
528    This won't affect us until we follow the back pointers.  Similar to (4).
529
530 6. Deletion collapsing a branch under us.  This doesn't affect us because the
531    back pointers will get us back to the parent of the new node before we
532    could see the new node.  The entire collapsed subtree is thrown away
533    unchanged - and will still be rooted on the same slot, so we shouldn't
534    process it a second time as we'll go back to slot + 1.
535
536 .. note::
537
538    Under some circumstances, we need to simultaneously change the parent
539    pointer and the parent slot pointer on a node (say, for example, we
540    inserted another node before it and moved it up a level).  We cannot do
541    this without locking against a read - so we have to replace that node too.
542
543    However, when we're changing a shortcut into a node this isn't a problem
544    as shortcuts only have one slot and so the parent slot number isn't used
545    when traversing backwards over one.  This means that it's okay to change
546    the slot number first - provided suitable barriers are used to make sure
547    the parent slot number is read after the back pointer.
548
549 Obsolete blocks and leaves are freed up after an RCU grace period has passed,
550 so as long as anyone doing walking or iteration holds the RCU read lock, the
551 old superstructure should not go away on them.