如何在 C++ 中有效地访问数组的多个元素？答案

【问题标题】：How to access multiple elements of an array efficienty in C++?如何在 C++ 中有效地访问数组的多个元素？
【发布时间】：2016-04-07 17:37:32
【问题描述】：

如果我是第一次发帖，我希望我能达到标准...

出于效率的原因，我正在将一个最初用 MATLAB 编写的程序翻译成 c++（我对此很陌生）。我实际上正在处理的一段代码在一个步骤中恢复了对向量（矩阵）的各种索引的访问。例如，如果 M1 是一个大小为 10x15 的矩阵，程序将定义一个新的矩阵，如下所示：

idxs1 = [1 2 3];
idxs2 = [1 2 3 4 5];
M2 = M1 (idxs1 , idxs2);

将 M2 生成为大小为 3x5 的矩阵。现在，我猜MATLAB实际上所做的就是逐个访问由索引给出的M1的各个位置，然后通过重新排列获取的许多内容来构造M2，这一切都非常有效。

我的问题是，如何在 c++ 中重现这种机制？据我所知，没有直接的方法可以连续访问数组的各种索引，而且我使用的for 循环似乎相当麻烦。也许有一些聪明的方法可以做到这一点而不需要“太多”的处理器时间？另外，出于教育目的，如果有人可以解释执行此类操作时 MATLAB 实际执行的操作，我将不胜感激。

提前致谢，给您带来的不便深表歉意！

P.S：以防万一它增加了问题，我正在使用 MEX 文件来链接两种语言。 P.S2：顺便说一句，我发现了一些相关的问题，但与其他语言有关：

【问题讨论】：

你将很难提高 Matlab 的效率。
您为什么认为在效率方面击败 Matlab 会很容易？ Matlab主要使用BLAS和LAPACK进行矩阵运算。这些库最初是用 fortran 编写的。您可以通过使用一些c wrappers 来使用这些功能。 Matlab 还使用称为 mxArray 的矩阵类型。我想可以使用其他矩阵库，但除非你是一个无聊的数学天才，否则你应该避免自己写。
C++ 矩阵库与non-contiguous submatrix views。还有一个 MEX 界面
非常感谢您提供的有用答案。我错误地表达了自己，暗示我试图击败 MATLAB =) 我实际上正在做的是翻译成 C++ 以便之后跳转到 CUDA。也就是说，事实证明我的程序实际上比 MATLAB 运行得更快，但前提是系统的大小“足够小”，MATLAB 在更大的系统（即矩阵）上击败了我的实现，而且，占用的数量大致相同时间不管大小。这是我希望通过犰狳复制的智能编码（不是我）的成就。感谢您的回答！ =)

标签： c++ arrays matlab matrix matrix-indexing

【解决方案1】：

“Armadillo 是一个高质量的 C++ 线性代数库，旨在在速度和易用性之间取得良好的平衡

适用于直接在 C++ 中进行算法开发，或将研究代码快速转换为生产环境；语法（API）故意类似于 Matlab”

链接：http://arma.sourceforge.net/

【讨论】：

正是我想要的。现在，让它与 MEX 文件一起工作并不是小菜一碟……非常感谢！
@AlejoAlberti 很高兴听到！如果您对答案感到满意，请接受并继续前进

【解决方案2】：

数学程序的数据结构可能是最复杂的。我什至无法弄清楚您示例的第 3 行实际上做了什么，所以我什至无法猜测 MATLAB 是如何实现任何东西的。

我可以告诉你的是，一行 MATLAB 几乎可以肯定隐藏了大量的操作。如果你想重新创建它，你只需要使用几个 for 循环来创建一个实用函数，这些循环一个接一个地复制所有正确的索引。最终，这与一个 MATLAB 并没有太大的不同。

如果您需要支持大量的矩阵运算并且您正在处理一个大型项目，那么您可能想要寻找一个 C++ 矩阵库。我没有推荐的，但 Boost 是一个流行的 C++ 库，用于许多用途，包括矩阵。（也可以自己制作数据结构，但不建议新手使用。）

【讨论】：

很好的建议，而且暂时写一个数据结构肯定是我的能力范围之外的。实际上，“C++ 矩阵库”是@Severin、patrik 和 hbrerkere 的建议，所以我认为你们的目标都是相同的。尽管我还没有进入 Boost 文档，但我认为我会选择 Armadillo，因为它与 MATLAB 的语法相似（以及速度问题 -stackoverflow.com/questions/14414906/…，尽管比较没有非常彻底地执行）。感谢回复！

【解决方案3】：

MATLAB 究竟做了什么未指定，并且根据索引的不同可能会因情况而异，即使对于给定的一组索引，它也可能因机器而异。所以我们不要猜测。

特别是，未指定 MATLAB 是否物理复制 M1。这样的副本可以伪造，从而节省时间。该技术被称为“写时复制”。

在 C++ 中，这也是可能的，但更难。此外，现有的容器类都不支持它。

如果要复制元素，CPU 不会成为瓶颈。相反，内存总线会限制你。当索引不连续时尤其如此。对于 3x5 矩阵，时间将由开销决定 - 连续性并不重要。

【讨论】：

感谢您的回答，完全同意“不投机”的前提。只是想可能有一些我忽略的标准调整。我的程序需要一步一步（避免显式的for）矩阵的一部分，不一定要复制它（类似于“指向许多内存空间的指针” - 这显然不存在 - 会做）。关于巴士的好建议！好消息是索引是连续的。矩阵的大小约为 150000 x 100，所以最好不要复制，对吧？ =)