在 C++ 中获取指向复数向量的实部和虚部的指针

Posted 2023-02-21

【中文标题】在 C++ 中获取指向复数向量的实部和虚部的指针

【英文标题】：Getting pointers to the real and imaginary parts of a complex vector in C++

【发布时间】：2014-06-15 12:56:18

【问题描述】：

使用标准 C++ 复数和向量库，我定义了一个复数向量。现在，我想获得指向包含这个复数向量的实部和虚部的向量的指针（double * 类型）。以下解决方案有效，但由于内存使用量增加了一倍，因此不优雅且浪费；

using namespace std;
typedef complex<double> cmp;
.
.
int i,m=10;
vector<cmp> C(m);
//Do something to populate the vector C
vector<double> R(m), I(m);
for(i=0; i<m; i++)
 R[i] = C[i].real();
 I[i] = C[i].imag();

double * r = &R[0];
double * i = &I[0];

【问题讨论】：

为什么要指针？

如果你必须有一个双精度数组，你就无法避免加倍的内存使用，因为实部和虚部在内存中并不相邻。

没有安全的方法可以做到这一点。双原语封装在complex<double> 对象中。你试图在错误的范围内解决更高层次的问题。

@Jefffrey 我需要将指针传递给我无法控制的第 3 方代码。

【参考方案1】：

根据 C++ 标准

If z is an lvalue expression of type cv std::complex<T> then:
— the expression reinterpret_cast<cv T(&)[2]>(z) shall be well-formed,
— reinterpret_cast<cv T(&)[2]>(z)[0] shall designate the real part of z, and
— reinterpret_cast<cv T(&)[2]>(z)[1] shall designate the imaginary part of z.
Moreover, if a is an expression of type cv std::complex<T>* and the expression a[i] is well-defined
for an integer expression i, then:
— reinterpret_cast<cv T*>(a)[2*i] shall designate the real part of a[i], and
— reinterpret_cast<cv T*>(a)[2*i + 1] shall designate the imaginary part of a[i].

所以你可以简单地写

using namespace std;
typedef complex<double> cmp;
.
.
int i,m=10;
vector<cmp> C(m);
//Do something to populate the vector C

double * r = &reinterpret_cast<double(&)[2]>( C[0] )[0];
double * i = &reinterpret_cast<double(&)[2]>( C[0] )[1];

这是一个例子

#include <iostream>
#include <complex>
#include <vector>

int main() 

    std::vector<std::complex<double>> v( 1,  1.1, 2.2  );

    double * r = &reinterpret_cast<double(&)[2]>( v[0] )[0];
    double * i = &reinterpret_cast<double(&)[2]>( v[0] )[1];

    std::cout << *r << '\t' << *i << std::endl;

    return 0;

输出是

1.1 2.2

【讨论】：

太好了，感谢@Vlad 提供有用的答案和示例代码:)。

这个答案是不正确的——至少对于具有多个元素的向量来说是这样。 vector<complex> 对象的内存结构通常为[RIRIRIRIRI...]，这意味着您无法获得指向实部或虚部的指针。我说通常，因为正式地说，这取决于编译器的实现。但实际上，内存通常是连续的。

【参考方案2】：

(C++03) 标准没有定义 std::complex<double> 的内部结构如何，但通常它由 2 个双精度数组成，实部在虚部之前。因此，给定一个std::complex<double> 的数组（或std::vector），您无法获得一个指向所有实部数组的指针，以及另一个指向所有虚部数组的指针：实部和虚部是交错的。如果您确实需要拆分它们，则必须复制所有元素（就像您已经这样做的那样）。

但是你为什么首先要把它们分开呢？将它们传递给某个库的一些例程？也许那个库也支持交错格式？在这种情况下，您可以使用reinterpret_cast<double*>(&C[0])。请注意，这是非标准的，但它似乎在大多数情况下都有效。有关详细信息，请参阅广泛使用的 fftw-library 的 documentation，推荐使用此方法。

如果考虑性能，您应该从一开始就将实部和虚部分开，而不是先构造std::complex<double> 向量。

【讨论】：

感谢您的回答并提醒我注意 fftw 库中的相同问题。可以想象，我需要进行这种拆分，因为某些第三方库（阅读：Matlab）希望将它们的复杂数据放在单独的真实和虚构容器中。

@UdX 我认为您误读了我的回答。 fftw 库需要 interleaved 格式。并且因为 std::complex 是二进制兼容的（在 C++11 中）到 double[2] （这是 fftw 所期望的），所以您可以进行强制转换。当 Matlab 需要拆分格式时，您必须从一开始就将它们分开处理，或者进行额外的复制操作（如您的第一篇文章中所述）。

有趣。帮助我更好地理解这一点：假设我有一个复数向量，其数据存储在以 1,3,5,.. 开头的内存位置中（假设存储了 1 个双精度数/位置）。现在，如果我有一个双精度向量，则内存位置将类似于 1,2,3,... 那么，在@Vlad 的答案的情况下，重新解释演员究竟在做什么？看起来r 指向 1,3,5,.. 和 i 指向 2,4,6,.. 但由于这些是 double * 类型，对它们的迭代应该按以下步骤完成1，而不是 2。然而，在 @Vlad 的回答中，迭代 r 和 i 似乎有效。 :-?

不，从弗拉德的回答中取 r 和 i，你有以下内容：r[0] 给出第一个数字的实部，r[1] 给出 虚数 第一个数字的一​​部分，r[2] 给出第二个数字的实部，r[3] 给出第三个数字的虚部。等等。对于i：i[0] 给出第一个数字的虚部，i[1] 给出第二个数字的实部，i[2] 给出第二个数字的虚部。等等。因此，i 与 r 相比偏移了 1 个元素。弗拉德并没有真正回答你的问题。

谢谢@Gugi，我现在明白了。我的误解源于没有仔细检查 Vlad 的方法应用于大小 > 1 的向量。我现在已将正确答案更新为您的答案。