修改矩阵后，通过内存指针（memptr）直接访问犰狳矩阵的条目不起作用

Posted 2023-02-16

【中文标题】修改矩阵后，通过内存指针（memptr）直接访问犰狳矩阵的条目不起作用

【英文标题】：Directly accessing entries of armadillo-matrix by memory-pointer (memptr) does not work after matrix is modified

【发布时间】：2021-04-21 11:39:01

【问题描述】：

我有一个问题，我想通过结构（或类）中的指针访问犰狳矩阵“M”的某些条目。在初始化 M 之后，我在结构中设置了指针。通过取消引用指针，我可以看到它具有正确的值（M 的第一个条目 - 或 M(0,0)）。

然后我将 M 更改为 M * M。但是现在取消引用指针不再给我正确的值了。奇怪的是：如果我有一个小矩阵，即 3x3 或 4x4（请参阅我的代码中的“matrixSize”），则不会发生错误。对于小矩阵，取消引用指针会给出 RIGHT 值。 更大的矩阵虽然会导致错误的值（5x5 类似于“2.76282e-320”，这可能是内存中的某个随机位置）。

我在这里做错了什么？我该如何解决这个问题？

如果有帮助，我想解释一下我想要实现的目标： 我有一个延迟耦合节点网络，每个节点都有某种动态行为。 （想想延迟耦合微分方程 DDE - 延迟耦合振荡器）。由于它们是延迟耦合的，我需要存储它们过去的状态（它们的历史数组）。每个振荡器也有一些 LOCAL 动态与不影响其他节点的动态变量，这意味着我不必存储它们的历史。 该矩阵用于保存节点的某些变量的过去状态。我想把它们放在一个矩阵中，因为我想对它们使用向量运算（矩阵的一个索引代表时间，而另一个是节点索引）。但我也想单独访问它们以计算每个节点（振荡器）的一些局部动态。所以我想更新单个节点，还要更新全局状态。 这就是为什么同时拥有两种表示会有所帮助的原因：对于局部动态，我通过指向矩阵的指针访问延迟状态。对于全局动力学，我通过矩阵中用作历史数组的行来访问耦合变量。

#include <iostream>
#include <armadillo>

struct someStruct 
    const double *currentStateInMatrix;
    void printvalue() std::cout << "*currentState (pointer to first enty of matrix) = " << *currentStateInMatrix << std::endl;
;

int main(int argc, char* argv[])

    uint M_size = 4;

    arma::Mat<double> M(M_size, M_size, arma::fill::randu);


    double* pointerIntoMatrix = M.memptr();
    std::cout << "pointer [ " << pointerIntoMatrix << " ] has value: " << *pointerIntoMatrix << std::endl;

    someStruct myStruct;
    myStruct.currentStateInMatrix = pointerIntoMatrix;

    std::cout << "original matrix M: \n" << M;
    myStruct.printvalue();
    std::cout << "\n+++changing contents of matrix M+++\n\n";

    M = M * M;

    std::cout << "M * M: \n" << M;
    myStruct.printvalue();

我使用以下方法编译它： g++ file.cpp -std=c++17 -larmadillo -o main

【问题讨论】：

myMatrix = myMatrix * myMatrix 可能会导致arma::Mat<double> 实例内的内部重新分配。因此，您保存的指针值不再有效。

有什么办法可以防止这种情况发生吗？

M*M 创建一个新的临时对象，然后将其分配给M。因此，先前的指针不再有效。对于这种情况，您可以将 M=M*M 替换为 M*=M 并且它可以工作，但即便如此我也不确定它是否会得到保证。但是，如果您使用 mat::fixed<n_rows, n_cols> 而不是 arma::Mat<double>，则在编译时为 M 分配内存，并且保证 M*=M 不会使指针无效并将结果保存在同一内存中。

【参考方案1】：

Armadillo 中的操作M = M * M 是矩阵乘法（不是逐个元素的乘法）。所以将M * M 的中间计算直接存储到M 是有问题的。它将覆盖M 中的现有数据，而这些数据仍然需要完成M * M 操作。

假设 Armadillo 检测到此问题并将M * M 的结果存储到单独的内存块中，然后将该块分配给M，这可能是安全的。

有办法解决这个问题。使用固定大小的矩阵，如 cmets 中提到的 darcamo。使用Mat<double>::fixed<4, 4> M; 声明矩阵。

另一种方法是手动管理矩阵元素的内存并告诉M 矩阵始终使用该内存。有advanced constructors 可以做到这一点：

mat(ptr_aux_mem, n_rows, n_cols, copy_aux_mem = true, strict = false)

所以我们可以这样做：

double* my_mem = (double*)std::malloc(M_size * M_size * sizeof(double));
// or use new[]

Mat<double> M(my_mem, M_size, M_size, false, true);

// don't forget to call std::free(my_mem) or delete[] when done!

请注意。上述两种解决方法（固定大小的矩阵和手动内存管理）可能会有轻微的性能损失。无法避免为M = M * M 操作使用单独的内存块。使用这些变通方法时，Armadillo 会将M * M 的结果存储到临时缓冲区中，然后将缓冲区的内容复制到M 使用的内存中。

【讨论】：

哦，谢谢！看来我将不得不在这里踏入犰狳的深处。这里有很多诡计。但这真的很有帮助！我将尝试其中一些高级构造方法。另外：我刚刚对为什么 M 更改其位置（从而使指针无效）有了另一个想法：如果 M 不是平方的，则操作 M * M 返回一个不同大小的矩阵。在最好的情况下，返回的矩阵更小（并且适合相同的内存 - 具有不同的界限）。在最坏的情况下，它会更大。 M 为正方形是大小保持不变的一种情况。