boost源码剖析之：泛型多维数组类multi_array

最新推荐文章于 2021-12-21 15:28:49 发布

pongba

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分类专栏： Boost源码剖析文章标签： accessor reference 存储 iterator generator class

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/pongba/article/details/1560738

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本文详细剖析了Boost库中的multi_array类，该类用于创建和管理动态的多维数组。文章介绍了multi_array的构造方式，包括通过boost::extents和集合概念两种方法，强调了使用boost::extents的编译期检查优势。此外，文章探讨了multi_array的内部架构，包括类继承层次和存储策略，展示了其与C++内置多维数组一致的访问方式。最后，作者指出，这种实现提供了高效且与内建数组兼容的访问，增强了代码的可重用性和可扩展性。

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boost源码剖析之：boost::multi_array

谢轩刘未鹏

C++的罗浮宫(http://blog.youkuaiyun.com/pongba)

Note: 并非新作，是以前和老朋友谢轩写的，也可以在谢轩的blog上找到。

动机

C++是一门自由的语言，允许你自由的表达自己的意图，对不对? 所以我们既然可以new一个一维数组，也应该可以new出多维数组，对不对?先来看一个例子：

int* pOneDimArr = new int[10]; //新建一个10个元素的一维数组

pOneDimArr[0] = 0; //访问

int** pTwoDimArr = new int[10][20]; //错误！

pTwoDimArr[0][0] = 0; //访问

但是，很可惜，三四两行代码的行为并非如你所想象的那样——虽然从语法上它们看起来是那么“自然”。

这里的问题在于，new int[10][20]返回的并非int**类型的指针，而是int (*)[20]类型的指针（这种指针被称为行指针，对它“+1”相当于在数值上加上一行的大小（本例为20），也就是说，让它指向下一行），所以我们的代码应该像这样：

int (*pTwoDimArr)[20] = new int[i][20]; //正确

pTwoDimArr[1][2] = 0; //访问

注意pTwoDimArr的类型——int(*)[20]是个很特殊的类型，它不能转化为int**，虽然两者索引元素的语法形式一样，都是“p[i][j]”的形式，但是访问内存的次数却不一样，语义也不一样。

最关键的问题还是：以上面这种朴素的方式来创建多维数组，有一个最大的限制，就是：除了第一维，其它维的大小都必须是编译期确定的。例如：

int (*pNdimArr)[N2][N3][N4] = new int[n1][N2][N3][N4];

这里N2,N3,N4必须都是编译期常量，只有n1可以是变量，这个限制与多维数组的索引方式有关——无论多少维的数组都是线性存储在内存中的，所以：

pTwoDimArr[i][j] = 0;

被编译器生成的代码类似于：

*( (int*)pTwoDimArr+i*20+j ) = 0;

20就是二维数组的行宽，问题在于，如果允许二维数组的行宽也是动态的，这里编译器就无法生成代码（20所在的地方应该放什么呢？）。基于这个原因，C++只允许多维数组的第一维是动态的。

不幸的是，正由于这个限制，C++中的多维数组就在大多数情况下变成了有名无实的无用之物。我们经常可以在论坛上看到关于多维数组的问题，一般这类问题的核心都在于：如何模仿一个“完全动态的”多维数组。这里“完全动态”的意思是，所有维的大小都可以是动态的变量，而不仅是第一维。论坛上给出的答案不一而足，有的已经相当不错，但是要么缺乏可扩展性（即扩展到N维的情况），要么在访问元素的形式上远远脱离了内建的多维数组的访问形式，要么消耗了额外的空间。归根到底，我们需要的是一个类似这样的多维数组实现：

//创建一个int型的3维数组，dim_sizes表示各维的大小：n1*n2*n3

multi_array<int,3> ma ( dim_sizes[n1][n2][n3] );

ma[i][j][k] = value; //为第i页j行k列的元素赋值

ma[i][j] = value; //编译错！

ma[i] = value; //编译错！

ma[i][j][k][l] = value;//编译错！

这样一个multi_array，能够自动管理内存，拥有和内建多维数组一致的界面，并且各维的大小都可以是变量——正符合我们的要求。看起来，实现这个multi_array并非难事，但事实总是出乎想象，下面就是对boost中已有的一个multi_array实现的剖析——你几乎肯定会发现一些出乎意料的（甚至是令人惊奇的）地方。

Boost中的多维数组实现——boost::multi_array

在Boost库中就有一个用于描述多维数组的功能强大的MultiArray库。它实现了一个通用、与标准库的容器一致的接口，并且具有与C++中内建的多维数组一样的界面和行为。正是这种设计，使得MultiArray库与标准库组件甚至用户自定义的泛型组件之间可以具有很好的兼容性，使它们能够很好协同工作。除此之外，MultiArray还提供了诸如改变大小、重塑（reshaping）以及对多维数组的视图访问等极为有用的特性，从而使MultiArray比其它描述多维数组的组件（譬如：std::vector< std::vector<…> > ）更为便捷、高效。对示例程序进行调试、跟踪是分析库源代码最有效的手段之一。我们就从MultiArray文档中的示例程序入手：

// 略去头文件包含

int main () {

// 创建一个尺寸为3×4×2的三维数组

#define DIMS 3 //数组是几维的

typedef boost::multi_array<double,DIMS> array_type; // (1-1)

array_type A(boost::extents[3][4][2]); // (1-2)

// 为数组中元素赋值

A[1][2][0] = 120; // (1-3)

... ...

return 0;

}

在上述代码中，（1-1）处的typedef是我们程序中使用的三维数组类型的声明，很明显，boost::multi_array的两个模板参数分别代表数组元素的类型和数组的维度。而（1-2）处就是三维数组对象的构造语句。boost::extents[3][4][2]的意思是：定义一个3*4*2的三维数组。