Более быстрый диапазон для цикла (С++ 11)

У меня есть код для итерации по многомерному числовому диапазону:

#include <array>
#include <limits>
#include <iostream>
#include <iterator>

template <int N>
class NumericRange : public std::iterator<double, std::input_iterator_tag>
{
public:
  NumericRange() {
    _lower.fill(std::numeric_limits<double>::quiet_NaN());
    _upper.fill(std::numeric_limits<double>::quiet_NaN());
    _delta.fill(std::numeric_limits<double>::quiet_NaN());
  }
  NumericRange(const std::array<double, N> & lower, const std::array<double, N> & upper, const std::array<double, N> & delta):
    _lower(lower), _upper(upper), _delta(delta) {
    _state.fill(std::numeric_limits<double>::quiet_NaN());
  }

  const std::array<double, N> & get_state() const {
    return _state;
  }

  NumericRange<N> begin() const {
    NumericRange<N> result = *this;
    result.start();
    return result;
  }

  NumericRange<N> end() const {
    NumericRange<N> result = *this;
    result._state = _upper;
    return result;
  }

  bool operator !=(const NumericRange<N> & rhs) const {
    return in_range();
    //    return ! (*this == rhs);
  }

  bool operator ==(const NumericRange<N> & rhs) const {
    return _state == rhs._state && _lower == rhs._lower && _upper == rhs._upper && _delta == rhs._delta;
  }

  const NumericRange<N> & operator ++() {
    advance();
    if ( ! in_range() )
      _state = _upper;
    return *this;
  }

  const std::array<double, N> & operator *() const {
    return _state;
  }

  void start() {
    _state = _lower;
  }

  bool in_range(int index_to_advance = N-1) const {
    return ( _state[ index_to_advance ] - _upper[ index_to_advance ] ) < _delta[ index_to_advance ];
  }

  void advance(int index_to_advance = 0) {
    _state[ index_to_advance ] += _delta[ index_to_advance ];
    if ( ! in_range(index_to_advance) ) {
      if (index_to_advance < N-1) {
    // restart index_to_advance
    _state[index_to_advance] = _lower[index_to_advance];

    // carry
    ++index_to_advance;
    advance(index_to_advance);
      }
    }
  }
private:
  std::array<double, N> _lower, _upper, _delta, _state;
};

int main() {
   std::array<double, 7> lower{{0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0}};
   std::array<double, 7> upper{{1.0, 1.0, 1.0, 1.0, 1.0, 1.0, 1.0}};
   std::array<double, 7> delta{{0.03, 0.06, 0.03, 0.06, 0.03, 0.06, 0.03}};

  NumericRange<7> nr(lower, upper, delta);
  int c = 0;    
  for (nr.start(); nr.in_range(); nr.advance()) {
    ++c;
  }
  std::cout << "took " << c << " steps" << std::endl;    
  return 0;
}

Компиляция с g++ -std=c++11 -O3 (или -std=c++0x с gcc < 4.7) выполняется примерно на 13,8 секунды на моем компьютере.

Если я изменю функцию main, чтобы использовать цикл для диапазона:

  for (const std::array<double, 7> & arr : nr) {
    ++c;
  }

время выполнения увеличивается до 29,8 секунд. По совпадению, это ~ 30 секунд времени выполнения почти совпадает с временем выполнения оригинала при использовании std::vector<double> вместо std::array<double, N>, что заставляет меня думать, что компилятор не может развернуть код, созданный циклом, основанным на диапазоне.

Есть ли способ иметь скорость оригинала и использовать циклы, основанные на диапазонах?


Что я пробовал:

Я могу получить желаемую скорость с помощью цикла на основе диапазона, изменив две функции-члена в NumericRange:

bool operator !=(const NumericRange<N> & rhs) const {
  return in_range();
  //    return ! (*this == rhs);
}

const NumericRange<N> & operator ++() {
  advance();
  //    if ( ! in_range() )
  //      _state = _upper;
  return *this;
}

Однако этот код плохо разработан, потому что != operator работает не так, как ожидалось. Обычно для числовых операций я использую < для завершения цикла, а не ==. Я думал о том, чтобы найти первое значение вне диапазона, но для этого аналитически может не дать точного ответа из-за численной ошибки.

Как вы можете заставить != operator вести себя аналогично <, не вводя в заблуждение других, кто увидит мой код? Я просто делал бы функции begin() и end() private, но они должны быть общедоступными для цикла, основанного на диапазоне.

Большое спасибо за вашу помощь.

Ответы

Ответ 1

Проблема, насколько мне известно, заключается в том, что вы не используете конструкцию range-for соответствующим образом.


Сделаем шаг назад:

void foo(std::vector<int> const& v) {
    for (int i: v) {
    }
}

Обратите внимание, как диапазон - для итерации по вектору для извлечения целых чисел.


По каким-то причинам вы решили не применять итераторы для перехода от begin в end, а вместо этого повторно использовать копию того, что вы итерируете, даже если оно немного меняется, и вы делаете тонна дополнительной работы (в копии и проверки)...

Примечание: std::iterator<double, ...> означает, что operator* должен вернуть double&.

Если вы хотите использовать новую идиому, вам придется соответствовать ее ожиданиям.

Ожидается, что вы повторяете итераторы , а не копируете исходный объект (слегка измененный) снова и снова. Это идиома С++.

Это означает, что вам нужно будет порезать свой объект пополам: вытащите все, что является неизменным во время итерации в объекте, который нужно повторить и что изменилось в итераторе.

Из того, что я вижу:

  • _lower, _upper и _delta фиксированы
  • _state - это итерационная переменная

Следовательно, у вас будет:

template <typename> class NumericRangeIterator

template <unsigned N> // makes no sense having a negative here
class NumericRange {
public:
    template <typename> friend class NumericRangeIterator;

    typedef NumericRangeIterator<NumericRange> iterator;
    typedef NumericRangeIterator<NumericRange const> const_iterator;

    static unsigned const Size = N;

    // ... constructors

    iterator begin(); // to be defined after NumericRangeIterator
    iterator end();

    const_iterator begin() const;
    const_iterator end() const;

private:
    std::array<double, N> _lower, _upper, _delta;
}; // class NumericRange

template <typename T>
class NumericRangeIterator: public
    std::iterator< std::array<double, T::Size>,
                   std::forward_iterator_tag >
{
public:
    template <unsigned> friend class NumericRange;

    NumericRangeIterator(): _range(0), _state() {}

    NumericRangeIterator& operator++() {
        this->advance();
        return *this;
    }

    NumericRangeIterator operator++(int) {
        NumericRangeIterator tmp(*this);
        ++*this;
        return tmp;
    }

    std::array<double, T::Size> const& operator*() const {
        return _state;
    }

    std::array<double, T::Size> const* operator->() const {
        return _state;
    }

    bool operator==(NumericRangeIterator const& other) const {
        return _state != other._state;
    }

    bool operator!=(NumericRangeIterator const& other) const {
        return !(*this == other);
    }


private:
    NumericRangeIterator(T& t, std::array<double, T::Size> s):
        _range(&t), _state(s) {}

    void advance(unsigned index = T::Size - 1);  // as you did
    void in_range(unsigned index = T::Size - 1); // as you did

    T* _range;
    std::array<double, T::Size> _state;
}; // class NumericRangeIterator


template <unsigned N>
auto NumericRange<N>::begin() -> typename NumericRange<N>::iterator {
    return iterator(*this, _lower);
}

template <unsigned N>
auto NumericRange<N>::end() -> typename NumericRange<N>::iterator {
    return iterator(*this, _upper);
}

И со всей этой настройкой вы можете написать:

for (auto const& state: nr) {
}

Где auto будет выведено как std::array<double, nr::Size>.

Примечание: не уверены, что iterator полезны, может быть, только const_iterator, так как это ложная итерация в некотором роде; вы не можете попасть в объект диапазона, чтобы изменить его через итератор.

РЕДАКТИРОВАТЬ: operator== работает слишком медленно, как получить его лучше?

Я предлагаю обмануть.

1/Измените конструкторы итератора

NumericRangeIterator(): _range(0), _state() {}               // sentinel value
NumericRangeIterator(T& t): _range(&t), _state(t._lower) {}

2/Измените итерацию, чтобы создать новое значение "дозорного" в конце

void advance() {
    // ...

    if (not this->in_range()) {        // getting out of the iteration ?
       *this = NumericRangeIterator(); // then use the sentinel value
    }
}

3/Измените определение begin и end соответственно

template <unsigned N>
auto NumericRange<N>::begin() -> typename NumericRange<N>::iterator {
    return iterator(*this);
}

template <unsigned N>
auto NumericRange<N>::end() -> typename NumericRange<N>::iterator {
    return iterator();
}

4/Сделайте == более равным с помощью часового

bool operator==(NumericRangeIterator const& other) const {
    return _range == other._range and _state == other._state;
}

Теперь, все время итерации == закорачивается, потому что один из _range является нулевым, а другой - нет. Только при последнем вызове на самом деле происходит сравнение двух атрибутов _state.