循环范围更快(C++ 11)

Question

我有一些代码来迭代(多变量)数值范围:

#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;
}

使用g++ -std=c++11 -O3(或-std=c++0x使用gcc <4.7)编译在我的计算机上运行大约13.8秒.

如果我更改main函数以使用基于范围的for循环:

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

运行时间增加到29.8秒.巧合的是,这个~30秒的运行时与使用时的运行时几乎相同,std::vector<double>而不是std::array<double, N>让我相信编译器无法展开基于范围的for循环产生的代码.

有没有办法获得原始的速度,仍然使用基于范围的for循环？

---

我尝试过的:

通过更改以下两个成员函数,我可以使用基于范围的for循环获得所需的速度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;
}

但是,这段代码感觉设计不合理,因为!= operator它没有按预期工作.通常对于数值运算,我<用来终止循环而不是==.我想找到第一个超出范围的值,但是由于数值误差,分析可能无法给出确切的答案.

你怎么能强迫它!= operator表现得像一个<没有误导别人谁会看到我的代码？我只是将begin()和end()函数设为私有,但它们需要公开用于基于范围的for循环.

非常感谢你的帮助.

Answer 1

就我而言,问题在于你没有适当地使用范围构造.

让我们退后一步:

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

注意range-for如何迭代向量以提取整数.

对于您选择某些原因没有实现迭代器从桥梁begin到end,而是重新使用你迭代什么副本,即使它只是变化非常轻微,而你正在做吨的额外的工作(在副本并检查)...

注意:std::iterator<double, ...>意味着operator*应该返回一个double&.

如果你想使用新的习语,你必须符合它的期望.

期望是您使用迭代器进行迭代,而不是一遍又一遍地复制原始对象(略微修改).这是C++习语.

这意味着你需要将对象切成两半:在迭代过程中迭代所有迭代的东西以及迭代器中修改的东西.

从我所看到的:

• _lower,_upper并且_delta是固定的
• _state 是迭代变量

因此,您将拥有:

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);
}

通过所有这些设置,您可以编写:

for (auto const& state: nr) {
}

哪里auto会被推断出来std::array<double, nr::Size>.

注意:不确定它iterator是否有用,可能只是const_iterator因为它在某种程度上是错误的迭代; 你无法通过迭代器进入范围对象来修改它.

编辑: operator==太慢了,如何让它变得更好？

我建议作弊.

1 /修改迭代器的构造函数

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

2 /调整迭代以在最后创建新的"sentinel"值

void advance() {
    // ...

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

3 /相应地更改begin和end定义

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/==使用哨兵使其更加平等

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

现在,一直迭代它==被短路,因为其中一个_range是空的而另一个不是.只有在最后一次调用时才会实际比较这两个_state属性.