循环边缘的 C++ 习惯用法答案

【问题标题】：C++ idiom for loop edges循环边缘的 C++ 习惯用法
【发布时间】：2021-01-25 04:08:54
【问题描述】：

问题 1：假设您有一个包含 n 个浮点数的数组，并且您想要计算一个包含三个元素的 n 个运行平均值的数组。中间部分很简单：

for (int i=0; i<n; i++)
    b[i] = (a[i-1] + a[i] + a[i+1])/3.

但是您需要有单独的代码来处理i==0 和i==(n-1) 的情况。这通常通过循环前的额外代码、循环后的额外代码以及调整循环范围来完成，例如

b[0] = (a[0] + a[1])/2.
for (int i=1; i<n-1; i++)
    b[i] = (a[i-1] + a[i] + a[i+1])/3.;
b[n-1] = (a[n-1] + a[n-2])/2.

即使这样还不够，因为n

问题 2。您正在从数组中读取可变长度代码（例如实现 UTF-8 到 UTF-32 转换器）。代码读取一个字节，因此可以读取一个或多个字节以确定输出。但是，在每个这样的步骤之前，它还需要检查是否已到达输入数组的末尾，如果已到达，则可能将更多数据加载到缓冲区中，或者以错误终止。

这两个问题都是循环的情况，循环的内部可以整齐地表达，但边缘需要特殊处理。我发现这类问题最容易出错和混乱的编程。所以这是我的问题： 是否有任何 C++ 习语可以概括以干净的方式包装此类循环模式？

【问题讨论】：

最简单的方法是移动（非运行）平均值数组的元素少于输入（考虑到在边缘，您无法使用相同的方法计算平均值元素的数量 - 所以不要计算它们）。如果您需要平均值数组具有相同数量的元素，则需要对被平均数据的性质做出一些假设。
这是几种可能的解决方案之一（例如，您也可以通过多种方式填充数组），但这只是一个简单的示例。我正在寻找解决此类问题的通用方法。
@Zzyzx - 没有针对此类问题的通用方法。是的，有几种方式可以使用填充。在计算移动平均值之前，也可以使用某种形式的过滤。所有方法都涉及对输入数据（或生成它的过程）的特征做出一些假设。但是没有适用于所有情况的通用/通用方法。
当然。我希望以某种方式以清晰的方式封装边缘行为，同时最大限度地减少索引计算错误的可能性，并生成高效的代码。
我在想range 的一些概括，这将允许“假”迭代器超出实际现有元素。

标签： c++ loops for-loop design-patterns

【解决方案1】：

高效优雅地处理边界条件在任何编程语言中都是很麻烦的——C++对此没有魔锤。这是将卷积滤波器应用于信号/图像的常见问题——在内核超出图像支持的图像边界处您会做什么？

您通常要避免两件事：

数组索引越界（您必须避免），以及
特殊计算（不优雅并且由于额外的分支导致代码变慢）。

通常有三种方法：

避免边界 -- 这是最简单的方法，通常就足够了，因为边界情况只占问题的一小部分，可以忽略不计。
扩展缓冲区的边界 -- 将额外的列/行 padding 添加到数组中，以便在一般情况下使用相同的代码用在边缘。当然，这引发了在填充中放置什么值的问题 - 这通常取决于您要解决的问题，并在下一个方法中考虑。
边界处的特殊计算 -- 这就是您在示例中所做的。当然，您如何做到这一点取决于问题，并引发与以前的方法类似的问题 - 当我的过滤器（在您的情况下为平均过滤器）超出数组支持时，正确的做法是什么？我应该将哪些值视为数组支持之外的值？大多数图像过滤器库provide some form of extrapolation options——例如：
- 假设值为零或其他一些常量（如果 i < 0 || i >= n 则定义 a[i] = 0），
- 复制边界值（例如，a[i] = a[0] if i < 0 and a[i] = a[n-1] if i >= n）
- 包装值（定义a[i] = a[(i + n) % n]——在某些情况下有意义——例如，纹理过滤器）
- 镜像边界（（例如a[i] = a[abs(i+1)] if i < 0 and a[i] = a[2n - i -1] if i >= n）
- 其他特殊情况（你做了什么）

在合理的情况下，最好将特殊情况与一般情况分开（就像您所做的那样），以避免一般情况不优雅和缓慢。人们总是可以在函数或运算符中包装/隐藏特殊情况和一般情况（例如，overload operator[]），但这只会像任何人为的 C++ 习语一样掩盖问题。在多线程环境（例如 CUDA / SIMD）中，您可以执行一些其他技巧来预加载越界值，但您仍然会遇到同样的问题。

这就是为什么程序员使用“边缘情况”一词来指代任何类型的特殊情况编程，并且通常是时间的沉没和恼人的错误的来源。一些有效地支持对超出范围的数组索引进行异常处理的语言（例如 Ada）可以编写更漂亮的代码，但仍然会带来同样的痛苦。

【讨论】：

谢谢，“边界”会是更好的词。在某些 HPC 应用程序（有限元素？）中，不能忽略边界（它们是区域使用彼此数据的地方），这就是事情可能变得特别混乱的地方。我想知道是否有任何元编程工具可以通用方式处理这个问题。

【解决方案2】：

很遗憾，答案是否定的。没有任何 C++ 习语可以概括以干净的方式包装此类循环模式！

【讨论】：

【解决方案3】：

你可以通过做这样的事情来做到这一点，但你仍然需要调整窗口大小。

template <typename T, int N> 
T subscript(T (&data)[N], int index) {
    if (index < 0 || index >= N) {
        return 0;
    }
    
    return data[index];
}

for (int i = 0; i < n; ++i) {
    b[i] = (subscript(a, i - 1) + subscript(a, i) + subscript(a, i + 1)) / 3.
}

【讨论】：