在C++中键入安全的物理操作

Question

在C++中是否能够将物理单位定义为单独的类型并在这些类型之间定义有效的操作？

引入很多类型和大量的运算符重载是否有任何优势,而不是仅使用普通的浮点值来表示它们？

例:

class Time{...};
class Length{...};
class Speed{...};
...
Time operator""_s(long double val){...}
Length operator""_m(long double val){...}
...
Speed operator/(const Length&, const Time&){...}

哪里Time,Length并且Speed只能作为来自不同运营商的返回类型创建？

Answer 1

在C++中是否能够将物理单位定义为单独的类型并在这些类型之间定义有效的操作？

绝对.标准的Chrono库已经针对时间点和持续时间执行此操作.

引入很多类型和大量的运算符重载是否有任何优势,而不是仅使用普通的浮点值来表示它们？

是的:您可以使用类型系统来捕获错误,例如在编译时将质量添加到距离,而不会增加任何运行时开销.

如果你不想自己定义类型和运算符,Boost有一个Units库.

Answer 2

我真的会为此推荐boost :: units.它完成所有转换编译时间,如果您尝试使用错误的维度伪造代码示例,它也会给您一个编译时错误:

length l1, l2, l3;
area a1 = l1 * l2; // Compiles
area a2 = l1 * l2 * l3; // Compile time error, an area can't be the product of three lengths.
volume v1 = l1 * l2 * l3; // Compiles

Answer 3

我走了这条路.优点是类型安全的正常数量和良好优势.我遇到的缺点:

• 您需要在计算中保存中间值...例如秒平方.将这些值设为类型有点无意义(秒^ 2显然不是类似的类型velocity).
• 您将需要进行越来越复杂的计算,这将需要越来越多的重载/运算符定义来实现.

在一天结束时,它非常干净,简单的计算和简单的目的.但是当数学变得复杂时,很难让打字的单位系统发挥得很好.

Answer 4

每个人都提到了类型安全保证.另一个巨大优势是能够从单位(米)中抽象概念(长度).

因此,例如,处理单位时的常见问题是将SI与度量混合.当概念被抽象为类时,这不再是一个问题:

Length width = Length::fromMeters(2.0);
Length height = Length::fromFeet(6.5);
Area area = width * height; //Area is computed correctly!
cout << "The total area is " << area.toInches() << " inches squared.";

只要没有严重的舍入问题,该类的用户不需要知道内部表示使用哪些单元...至少.

我真的希望有更多的三角函数库可以用角度来做这个,因为我总是要查看它们是否期望度数或弧度......