n维数组构造函数的模板规范

Posted 2023-02-22

【中文标题】n维数组构造函数的模板规范

【英文标题】：Template Specifications for constructor of n-dimensional array

【发布时间】：2009-07-14 02:51:21

【问题描述】：

我正在实现一个 n 维数组类，它是一个模板，如下所示（注意数据存储在一个线性数组中，其长度是所有维度的乘积）：

template< class valType, int rank >
class NDimensionalArray

public:

private:
    valType* m_data;
    int* m_dimensions;
    int m_rank;
;

所以这个想法是用户（我）可以指定一个等级为 2 且具有特定维度的数组，即：

NDimensionalArray<double,2> matrix(10,10);

现在的困难在于为 1->n 维专门构造构造函数，每个构造函数接受 n 个参数，其中 n 是数组的秩。现在我想到了在 printf() 中使用类似 valarray 的方法，但是这样定义了一个 2 维的一维数组，即：

NDimensionalArray<double,1> matrix(10,10);

将是完全可以接受的行为。我可以使用一些巧妙的技巧让编译器进行重复吗？实际上，只要我知道等级，并且具有每个维度的长度，构造函数就可以是通用的：

    int nElements = m_dimensions[0];
    for ( int i=1 ; i<m_rank ; ++i )
        nElements *= m_dimensions[i];
    m_data = new valType[nElements];

编辑：请注意，访问者也需要类似的操作。

我还考虑过构造函数的选项，如下所示：

NDimensionalArray( const NDimensionalArray<int,1>& dimensions );

可以这样使用：

NDimensionalArray<int,1> dimVec(2); // Need a specification for 1-dimensional arrays.
dimVec(0) = 10;
dimVec(1) = 10;
NDimensionalArray<double,2> matrix(dimVec);

这将是一个可行的解决方案，但与我想要的用途相比，它很难看。访问多维数组也会变得非常痛苦，并且必须为每次访问构建一个维度向量非常缓慢。

【问题讨论】：

出于好奇，难道boost::multi_array 完全不需要你编写这样一个类就可以做你想做的事吗？

确实会。这更像是一个“我想知道我怎么能做到”的项目。你知道的好奇心。

【参考方案1】：

好的，我已经玩了一段时间了。这是一些模板元编程黑客，可以做一些接近你想要的事情。它允许您内联指定所有维度，它不执行任何动态内存分配或其他类似的事情。此外，使用良好的 C++ 编译器（我使用 VC++ /O2 选项进行了测试），代码将被完全内联，没有复制（事实上，对我来说，它在调用点内联了整个 NDimensionalArray 构造函数）。它将在编译时完全进行类型检查，并且不会让您传递太少或太多的维度。并且它可以重复用于索引器。如下：

template<class T, int N>
class value_pack : private value_pack<T, N-1>

public:

    enum  size = N ;

    value_pack(value_pack<T, N-1> head, const T& tail)
        : value_pack<T, N-1>(head)
        , value(tail)
    
    

    value_pack<T, N+1> operator() (const T& tail) const
    
        return value_pack<T, N+1>(*this, tail);
    

    template<int I>
    const T& get() const
    
        return this->value_pack<T, I+1>::value;
    

protected:

    const T value;
;

template<class T>
struct value_pack<T, 0>

;

struct

    template <class T>
    value_pack<T, 1> operator() (const T& tail) const
    
        return value_pack<T, 1>(value_pack<T, 0>(), tail);
    
 const values;


template <class ValType, int Rank>
struct NDimensionalArray

    NDimensionalArray(value_pack<ValType, Rank> values)
    
        // ...
    
;


int main()

    NDimensionalArray<int, 3> a(values(1)(2)(3));

【讨论】：

+1 非常棘手，先生。递归模板编程，绝对可以工作，并且可能是最快的解决方案。

【参考方案2】：

我认为最好的解决方案是采用整数向量并让构造函数根据模板参数“rank”对其进行验证。

NDimensionalArray matrix(std::vector<int> matrixDimensions) 

    if (matrixDimensions.size() != rank) 
    
        throw SomeException();
    

    ...

我认为这里没有任何编译器技巧可以替代。 （除了 perhps 使用宏，如果你能想到一些东西，虽然严格来说这不是 编译器 把戏。）

【讨论】：

是的，我很担心这一点，请参阅上面的编辑。我真的希望找到一个很好的干净解决方案，可以让课程“自然”使用。当我们考虑访问器时，这确实成为一个问题。我的意思是构造函数中的向量是一回事，但是如果我们每次都必须使用一个向量，那么访问一个包含 100 万个元素的数组将会非常慢。

@DeusAduro 如果您事先指定大小并访问对处理器缓存友好的元素，这并不慢。我看不出有什么办法让它与众不同，因为你需要在堆上分配一个数组，而不是在堆栈上

你是对的。在这种情况下，请使用可变参数 thing。在构造函数和访问器/修改器中都进行验证。这里的问题是您不能“模板化”函数的参数数量。

@Edison 我认为它会很慢，并且在这种情况下它与缓存友好无关，事实上我必须为每次访问构建一个向量或其他一些索引器，这些对象本质上是临时的，我进行访问然后丢弃它。现在我可以实现更复杂的方案，其中索引器可以沿着数组的特定维度进行迭代......我正在寻找一个效率适中的简单接口。

【参考方案3】：

不是直接的答案，但请查看 blitz 库。

【参考方案4】：

按照目前的标准化，在 C++ 中没有很好的方法。在 C++0x 中，您将能够使用模板参数包来近似（我认为我的语法正确，但不确定 requires 中的扩展）：

template <class ValType, int Rank>
struct NDimensionalArray

    template <class... Args>
    requires std::SameType<Args, ValType>... && std::True<sizeof...(Args) == Rank>
    NDimensionalArray(Args... values)
    
        ...
    
;

【讨论】：

听起来是个很酷的功能，语法有点超出我的理解，没有一个更简单的例子啊，但是很酷。

【参考方案5】：

您可以使用 std::tr1::array。嗯：

#include <array>

template< class valType, int rank >
class NDimensionalArray

public:
   NDimensionalArray(const std::tr1::array<rank>& dims);
   // ...
;

NDimensionalArray<double,2> foo(10,10);

NDimensionalArray<double,2> bar(10); // second dimension would be 0

NDimensionalArray<double,1> baz(10,10); // compile error?

我实际上不确定这是否有效！我会通过 Comeau 运行它。

已编辑根据 cmets，这种方法看起来更像：

std::tr1::array<2> dims = 10, 10;
NDimensionalArray<double,2> foo(dims);

【讨论】：

这行不通，因为聚合初始化器只在初始化变量时才被允许，而不是在任意表达式中（例如函数和构造函数参数）。

无法让 Comeau 找到 tr1 数组标题，但现在你这么说，我想我记得它过去咬过我。

不要引用我的话，但我相信这将是有效的 C++0x 代码，因为初始化列表变为完整的类型（在这种情况下为 std::initializer_list）： en.wikipedia.org/wiki/C%2B%2B0x#Initializer_lists

还有：NDimensionalArrayfoo( (std::tr1::array)10,10 );可以做到这一点（它与 g++ >= 4.0）

【参考方案6】：

Boost 有一个multi-array 库，它使用自定义对象来构造它们的多维数组。这是一个非常好的方法；我建议你研究（或者更好的是，使用）他们的代码。

【讨论】：

有趣的东西。我当然可以使用他们的课程，但实施这种事情总是有教育意义的。我有一些使用 va_list ( ... ) 的东西，但它似乎......脆弱？不太确定这个词看起来不是很健壮。

任何使用 C 可变参数的解决方案都不是类型安全的，因为无法限制传递给函数的参数类型或数量，也无法在运行时验证其正确性。