以 CRTP 作为左值的表达式模板

Question

我正在编写一个将表达式模板与 CRTP 结合使用的库。源文件可以在这里找到：https://github.com/mspraggs/pyQCD/tree/master/lib/include/base

表达式模板基于 Wikipedia 文章中关于该主题的示例。我在这里列出代码以防 Wiki 文章将来发生变化：

#include <vector>
#include <cassert>

template <typename E>
// A CRTP base class for Vecs with a size and indexing:
class VecExpression {
public:
  typedef std::vector<double>         container_type;
  typedef container_type::size_type   size_type;
  typedef container_type::value_type  value_type;
  typedef container_type::reference   reference;

  size_type  size()                  const { return static_cast<E const&>(*this).size(); }
  value_type operator[](size_type i) const { return static_cast<E const&>(*this)[i];     }

  operator E&()             { return static_cast<      E&>(*this); }
  operator E const&() const { return static_cast<const E&>(*this); }
};

// The actual Vec class:
class Vec : public VecExpression<Vec> {
  container_type _data;
public:
  reference  operator[](size_type i)       { return _data[i]; }
  value_type operator[](size_type i) const { return _data[i]; }
  size_type  size()                  const { return _data.size(); }

  Vec(size_type n) : _data(n) {} // Construct a given size:

  // Construct from any VecExpression:
  template <typename E>
  Vec(VecExpression<E> const& vec) {
    E const& v = vec;
    _data.resize(v.size());
    for (size_type i = 0; i != v.size(); ++i) {
      _data[i] = v[i];
    }
  }
};

template <typename E1, typename E2>
class VecDifference : public VecExpression<VecDifference<E1, E2> > {
  E1 const& _u;
  E2 const& _v;
public:
  typedef Vec::size_type size_type;
  typedef Vec::value_type value_type;
  VecDifference(VecExpression<E1> const& u, VecExpression<E2> const& v) : _u(u), _v(v) {
    assert(u.size() == v.size());
  }
  size_type size() const { return _v.size(); }
  value_type operator[](Vec::size_type i) const { return _u[i] - _v[i]; }
};

template <typename E>
class VecScaled : public VecExpression<VecScaled<E> > {
  double _alpha; 
  E const& _v;
public:
  VecScaled(double alpha, VecExpression<E> const& v) : _alpha(alpha), _v(v) {}
  Vec::size_type size() const { return _v.size(); }
  Vec::value_type operator[](Vec::size_type i) const { return _alpha * _v[i]; }
};

// Now we can overload operators:

template <typename E1, typename E2>
VecDifference<E1,E2> const
operator-(VecExpression<E1> const& u, VecExpression<E2> const& v) {
  return VecDifference<E1,E2>(u,v);
}

template <typename E>
VecScaled<E> const
operator*(double alpha, VecExpression<E> const& v) {
  return VecScaled<E>(alpha,v);
}

我想要做的是添加另一个表达式模板，它允许分配给原始模板对象的一部分（上面代码中的 Vec 类，以及我链接到的代码中的 LatticeBase 类）。可能的用法：

Vec myvector(10);
Vec another_vector(5);
myvector.head(5) = another_vector; // Assign first 5 elements on myvector
myvector.head(2) = another_vector.head(2); // EDIT

所以我要创建一个新函数 Vec::head，它会返回 Vec 对象的一部分的表达式模板。我不知道这将如何适应我目前拥有的框架。特别是我有以下问题/cmets：

1. 我已经看到了我希望在不使用 CRTP 的表达式模板中实现的示例。在这种情况下使用 CRTP 可以获得什么？有什么意义吗？我应该放弃它并遵循我找到的其他示例吗？
2. 在当前框架中，对 Vec 类中的 _data 成员的赋值由 Vec 类中的复制构造函数处理。如果我想使用 Vec::head 返回的表达式模板，这将不起作用，因为赋值发生在保存数据的类中，而不是表达式模板中。
3. 我尝试在新的表达式模板中创建一个赋值运算符，但这不适用于上面的代码，因为所有表达式模板成员都是 const 引用，因此赋值运算符在编译时被删除。我可以将成员切换为值而不是引用吗？如果需要额外的存储，这会影响性能吗？这是否可行（如果我更改表达式的存储副本而不是表达式本身）？

总的来说，我对如何在上面的代码中添加可用作左值的表达式模板感到困惑。任何有关这方面的指导将不胜感激。

Answer 1

试试这个：

#include <vector>
#include <cassert>

template <typename E>
// A CRTP base class for Vecs with a size and indexing:
class VecExpression {
public:
    typedef std::vector<double>         container_type;
    typedef container_type::size_type   size_type;
    typedef container_type::value_type  value_type;
    typedef container_type::reference   reference;

    size_type  size()                  const { return static_cast<E const&>(*this).size(); }
    value_type operator[](size_type i) const { return static_cast<E const&>(*this)[i]; }

    operator E&()             { return static_cast<E&>(*this); }
    operator E const&() const { return static_cast<const E&>(*this); }
};

class VecHead;

// The actual Vec class:
class Vec : public VecExpression<Vec> {
    container_type _data;
public:
    reference  operator[](size_type i)       { return _data[i]; }
    value_type operator[](size_type i) const { return _data[i]; }
    size_type  size()                  const { return _data.size(); }

    Vec(size_type n) : _data(n) {} // Construct a given size:

    // Construct from any VecExpression:
    template <typename E>
    Vec(VecExpression<E> const& vec) {
        E const& v = vec;
        _data.resize(v.size());
        for (size_type i = 0; i != v.size(); ++i) {
            _data[i] = v[i];
        }
    }

    VecHead head(size_type s);
};

class VecHead : public VecExpression< VecHead >
{
    Vec::size_type _s;
    Vec& _e;
public:

    typedef Vec::size_type size_type;
    typedef Vec::value_type value_type;
    VecHead(std::size_t s, Vec& e)
        : _s(s)
        , _e(e)
    {
        assert(_e.size() >= _s);
    }

    size_type size() const { return _s; }
    value_type operator[](Vec::size_type i) const { assert(i < _s);  return _e[i]; }

    VecHead& operator = (const VecHead& rhs)
    {
        return operator=(static_cast<const VecExpression<VecHead>&>(rhs));
    }

    template <typename E>
    VecHead& operator = (const VecExpression<E>& rhs)
    {
        assert(rhs.size() >= _s);
        for (size_type i = 0; i < _s && i < rhs.size(); ++i)
            _e[i] = rhs[i];
        return *this;
    }
};

VecHead Vec::head(size_type s)
{
    VecHead aHead(s, *this);
    return aHead;
}

template <typename E1, typename E2>
class VecDifference : public VecExpression<VecDifference<E1, E2> > {
    E1 const& _u;
    E2 const& _v;
public:
    typedef Vec::size_type size_type;
    typedef Vec::value_type value_type;
    VecDifference(VecExpression<E1> const& u, VecExpression<E2> const& v) : _u(u), _v(v) {
        assert(u.size() == v.size());
    }
    size_type size() const { return _v.size(); }
    value_type operator[](Vec::size_type i) const { return _u[i] - _v[i]; }
};

template <typename E>
class VecScaled : public VecExpression<VecScaled<E> > {
    double _alpha;
    E const& _v;
public:
    VecScaled(double alpha, VecExpression<E> const& v) : _alpha(alpha), _v(v) {}
    Vec::size_type size() const { return _v.size(); }
    Vec::value_type operator[](Vec::size_type i) const { return _alpha * _v[i]; }
};

// Now we can overload operators:

template <typename E1, typename E2>
VecDifference<E1, E2> const
    operator-(VecExpression<E1> const& u, VecExpression<E2> const& v) {
        return VecDifference<E1, E2>(u, v);
}

template <typename E>
VecScaled<E> const
    operator*(double alpha, VecExpression<E> const& v) {
        return VecScaled<E>(alpha, v);
}

int main()
{
    Vec myvector(10);
    Vec another_vector(5);
    for (int i = 0; i < 5; ++i)
        another_vector[i] = i;

    myvector.head(5) = another_vector; // Assign first 5 elements on myvector
    assert(myvector.head(5).size() == 5);
    for (int i = 0; i < 10; ++i)
    {
        assert(myvector[i] == (i < 5 ? static_cast<double>(i) : 0.));
    }

    //! Added test due to comment vec1.head(2) = vec2.head(2) doesn't work.
    Vec vec1(10), vec2(10);
    for (int i = 0; i < 10; ++i)
        vec2[i] = 2 * (vec1[i] = i);

    vec1.head(2) = vec2.head(2);
    for (int i = 0; i < 10; ++i)
    {
        if (i < 2)
        {
            assert(vec1[i] == vec2[i]);
        }
        else
        {
            assert(vec1[i] != vec2[i]);
        }
    }

    return 0;
}