不同的模板类实现但相同的成员函数

Question

我有一个模板矩阵类，其中包含一些典型的成员函数，例如inverse、determinant、operator* 等。我想在两个模板实现中重用这些成员函数的代码 固定-和动态尺寸矩阵。 这可能吗？如果是，如何？

在下面的代码中，与 Eigen 一样，我使用“-1”作为动态尺寸。是的，我知道我可以为此使用库，但对于我的应用程序，这是不可行的。 由于应用程序 (CUDA) 的性质，无法使用标准功能

是否可以根据模板参数制作不同成员变量大小的模板类？ 比如Dynamic_Rows = -1和Dynamic_Cols = -1，那么数据就是T **data，但是否则为T data[Rows][Cols]。

到目前为止，我有一个用于动态大小矩阵的模板类（下面的“minimal”示例，请注意代码可能会出现错误/错误，因为我对“高级”类比较陌生模板）。

但是在固定大小的矩阵实例化的情况下，我希望有一个固定大小的数据成员变量。

template<class T, int Dynamic_Rows, int Dynamic_Cols>
class CMatrix<T, -1, -1>
{
private:
   size_t n_rows, n_cols;
   T** data;

   void allocate_data();
   void deallocate_data();

public:
   CMatrix(const size_t n_rows, const size_t n_cols);
   CMatrix(const CMatrix& other);
   ~CMatrix();
   CMatrix& operator=(const CMatrix& rhs);
   CMatrix exp() const;
};

例如下面exp()函数的代码

template <class T, int Dynamic_Rows, int Dynamic_Cols>
CMatrix<T, -1, -1> CMatrix<T, -1, -1>::exp() const
{
   CMatrix<T, -1, -1> result(n_rows, n_cols);
   for (size_t i = 0; i < n_rows; i++)
   {
      for (size_t j = 0; j < n_cols; j++)
      {
         result.data[i][j] = exp(result.data[i][j]);
      }
   }
   return result;
}

我现在唯一能想到的同时允许动态和固定大小的矩阵是基本上实现该类的另一个模板

template<class T, size_t Rows, size_t Cols>
class CMatrix<T, Rows, Cols>
{
private:
   size_t n_rows = Rows, n_cols = Cols;
   T data[Rows][Cols];

public:
   CMatrix() {}
   CMatrix(const CMatrix& other);
   CMatrix& operator=(const CMatrix& rhs);
   CMatrix exp() const;
};

使用可变参数模板

template<class T, int...> class CMatrix;

但是那样只会复制我的大多数成员函数的代码！

Answer 1

这是使用 CRTP 进行此类专业化的一种非常通用的方法。它不要求有一个简单的单一条件可用于选择数据成员的实现，而其余部分保持不变。

template <class T, class Impl> class MatrixBase {

   // data is NOT defined here
   Impl exp() const
   {
        Impl& self = static_cast<Impl&>(*this);             // <-- this is magic
        Impl result = self;                                 // <-- this is magic
        for (size_t i = 0; i < n_rows; i++)
        {
            for (size_t j = 0; j < n_cols; j++)
            {
                result.data[i][j] = exp(result.data[i][j]); // <-- data is defined in Impl
            }
        }
        return result;
    }
    // other functions that do not depend on actual type of data
};

template <class T>
class DynamicMatrix : public MatrixBase<T, DynamicMatrix<T>> {
    T** data;
    // define constructors etc here
};

template <class T, int Rows, int Cols>
class StaticMatrix : public MatrixBase<T, StaticMatrix<T, Rows, Cols>> {
    T[Rows][Cols] data;
    // define constructors etc here
};

现在您拥有StaticMatrix 和DynamicMatrix，如果您愿意，可以将它们统一为一个别名模板。

template <class T, int Rows, int Cols>
using CMatrix = std::conditional_t <(Rows >= 0 && Cols >= 0),
                                     StaticMatrix<T, Rows, Cols>,
                                     DynamicMatrix<T>
                                   >;

Answer 2

有没有可能....[...] ...当Dynamic_Rows = -1和Dynamic_Cols = -1，那么数据只是T **data，否则它是T data[Rows][Cols]？

您可以提供一个特征类型，其特化为您提供CMatrix 的正确类型

template<typename T, int Rows, int Cols> struct type_helper final {
    static_assert(Rows >= 0 && Cols >= 0, "Rows and COls must be valid!");
    using type = T[Rows][Cols];
};

template<typename T> struct type_helper<T, -1, -1>  final {
    using type = T**;
};

现在上课了

template<class T, int Dynamic_Rows = -1, int Dynamic_Cols = -1>
class CMatrix /* final */
{
    // get the member Type like this!
    using Type = typename type_helper<T, Dynamic_Rows, Dynamic_Cols>::type;

    Type data;
public:

};

(See a demo online)

Answer 3

您可以使用std::conditional_t 根据一些编译时常量选择一种或另一种类型，而无需复制类。

但是 - 我曾经做过非常相似的事情，发现使用固定大小的数据结构（std::array 而不是 std::vector）在实际用例中几乎没有改进。 固定大小的数组（std::array 或 type[fixed_size]）的一个非常大的优势是编译器能够优化很多操作，但如果数组很大，好处可能会变得微不足道。

另外，你应该考虑n。 '代词' m. 的评论 - 特别是如果您使用的是 GPU（它们往往需要在内存中连续的数据结构）。不要使用T** data，而是使用单个std::vector<T>，并在每个维度中使用一个额外的std::array<size_t, number_of_dimensions>。然后你可以用这样的方式翻译索引：

using Indices = std::array<size_t, number_of_dimensions>;

template <unsigned int n = number_of_dimensions>
static inline size_t indices_to_offset(Indices const & indices,
                                       Indices const & dimensions){
    if constexpr (n == 0) return 0;
    else {
        size_t const next_index_number = indices[n-1];
        assert(next_index_number < dimensions[n-1]);
        return next_index_number +
            dimensions[n-1]*indices_to_offset<n-1>(indices, dimensions);
    }
}

template <unsigned int n = number_of_dimensions>
static inline Indices offset_to_indices(size_t const offset,
                                        Indices const & dimensions,
                                        Indices indices = Indices()){
    if constexpr (n == 0) return indices;
    else {
        size_t const fast_dimension_size = dimensions[n-1];
        indices[n-1] = offset % fast_dimension_size;
        return offset_to_indices<n-1>(offset/fast_dimension_size , dimensions, indices);
    }
}

Answer 4

将我的评论变成答案（使用Vector 而不是Matrix）：

拆分你的班级，这样你就有了专攻特定班级的部分，以及共同的部分，例如：

// helper to allow variadic constructor without pitfall.
constexpr struct in_place_t{} in_place{};

template <typename T, std::size_t DIM>
class VectorData
{
protected: // You might even make it private and give the common accessor in public part
           // To avoid to use interface not shared with std::vector
    std::array<T, DIM> data;
public:
    VectorData() = default;

    template <typename ... Ts>
    VectorData(in_place_t, Ts&&... args) : data{std::forward<Ts>(args)...} {}
};

template <typename T>
class VectorData<T, std::size_t(-1)>
{
protected: // You might even make it private and give the common accessor in public part
           // To avoid to use interface not shared with std::array
    std::vector<T> data;
public:
    explicit VectorData(std::size_t size) : data(size) {}

    template <typename ... Ts>
    VectorData(in_place_t, Ts&&... args) : data{std::forward<Ts>(args)...} {}
};

然后是公共部分：

template <typename T, std::size_t DIM = std::size_t(-1)>
class Vector : public VectorData<T, DIM>
{
public:
    using VectorData<T, DIM>::VectorData;

    Vector(std::initializer_list<T> ini) : VectorData<T, DIM>(in_place, ini) {}

#if 1 // Those might go in `VectorData` to avoid to use `data` directly
    std::size_t size() const { return this->data.size(); }
    T& operator[](std::size_t i) { return this->data[i]; }
    const T& operator[](std::size_t i) const { return this->data[i]; }
#endif

    // Example of methods which don't care underlying container
    template <std::size_t DIM2>
    Vector& operator += (const Vector<T, DIM2>& rhs) {
        assert(this->size() == rhs.size());
        
        for (std::size_t i = 0; i != this->size(); ++i) {
            (*this)[i] += rhs[i];
        }
        return *this;
    }

    template <std::size_t DIM2>
    friend Vector operator + (Vector lhs, const Vector<T, DIM2>& rhs) {
        return lhs += rhs;
    }
};

Demo