Matlab：将 ID 与数据集（例如结构）相关联？

Question

我正在为 Matlab 中的高阶有限元模拟算法开发某个功能，我想知道什么是实现某个任务的好方法。我相信我面临着一个普遍的问题，但是在进行了一些挖掘之后，我并没有真正找到一个好的解决方案。

基本上，我有一长串 ID（对应于我的网格上的某些节点），其中每个 ID 都与小数据集相关联。然后，当我运行求解器时，我需要访问与这些节点关联的数据并更新数据（多次）。

例如，假设这是我的这些特定节点的列表：

nodelist = [3 27 38] %(so these are my node ID's) 

然后对于每个节点，我关联了以下数据集

a (scalar)
b (5x5 double matrix)
c (10x1 double vector)

(a total of 36 double values associated with each node ID)

实际上，我当然会有更长的节点 ID 列表和与每个节点关联的更大的数据集（但仍然只有双标量、矩阵和向量（没有字符、字符串等））。

方法 1

所以我设计的一种方法是将所有内容存储在 2D 双矩阵中，然后在需要时进行一些相对复杂的索引来访问我的数据。对于上面的示例，我的 2D 矩阵的大小将是

size(2Dmat) = [length(nodelist), 36]

假设我想访问节点 ID 27 的 b(3,3)，我将访问 2Dmat(2,14)。

原则上，这是可行的，但是由于这种复杂的索引，代码不是很干净和可读（更不用说，当我更改数据集的设置方式时，我需要重新调整整个索引代码）。

方法 2

另一种方法是为节点列表中的每个节点使用某种结构：

a = 4.4;
b = rand(5,5);
c = rand(10,1);
s = struct('a',a,'b',b,'c',c)

然后我可以通过例如 s.b(3,3) 等访问数据。但我只是不知道如何将结构与节点 ID 相关联？

方法 3

我能想到的最后一件事是设置某种 SQL 数据库，但这似乎有点矫枉过正。此外，我需要我的代码尽可能快，因为我需要多次访问与这些选定节点关联的数据集中的这些字段，我想对数据库进行一些查询会减慢速度。

请注意，我最终会将代码从 Matlab 转换为 C/C++，因此我更愿意实现一些不太依赖于某些 Matlab 特定功能的东西。

那么，对于如何以干净的方式实现此功能有什么想法吗？我希望我的问题有意义，并提前感谢！

Answer 1

方法 2 是最简洁的，并且很容易转换为 C++。对于每个节点，您都有一个结构 s，然后：

data(nodeID) = s;

就是所谓的结构数组。你索引为

data(id).b(3,3) = 0.0;

这假设 ID 是连续的，或者它们的值没有巨大的差距。但这总是可以确保的，如有必要，很容易重新编号节点 ID。

---

在 C++ 中，你会有一个结构向量：

struct Bla{
   double a;
   double b[3][3];
   double c[10];
};

std::vector<Bla> data(N);

或者在 C 中：

Bla* data = malloc(sizeof(Bla)*N);

（完成后不要忘记free(data)）。

然后，在 C 或 C++ 中，您可以通过以下方式访问元素：

data[id].b[2][2] = 0.0;

翻译很明显，只是索引在 C++ 中从 0 开始，在 MATLAB 中从 1 开始。

---

请注意，此方法在 MATLAB 中比方法 1 具有更大的内存开销，但在 C 或 C++ 中则不然。

方法 3 是个坏主意，它只会减慢您的代码速度，而没有任何好处。

Answer 2

我认为，给定一组不连续的节点 ID，最简洁的解决方案是使用 map container 的方法 2，其中您的节点 ID 是映射中的键（即索引）。这可以在 MATLAB 中使用 containers.Map 对象来实现，在 C++ 中使用 std::map 容器来实现。例如，以下是在 MATLAB 中创建节点映射并向其添加值的方法：

>> nodeMap = containers.Map('KeyType', 'double', 'ValueType', 'any');
>> nodelist = [3 27 38];
>> nodeMap(nodelist(1)) = struct('a', 4.4, 'b', rand(5, 5), 'c', rand(10, 1));
>> nodeMap(3)

ans = 

  struct with fields:

    a: 4.400000000000000
    b: [5×5 double]
    c: [10×1 double]

>> nodeMap(3).b(3,3)

ans =

   0.646313010111265

在 C++ 中，您需要为要存储在映射中的数据类型定义一个结构或类（例如 Node）。这是一个示例（... 表示传递给Node 构造函数的参数）：

#include <map>

class Node {...};   // Define Node class
typedef std::map<int, Node> NodeMap;  // Using int for key type

int main()
{
  NodeMap map1;

  map1[3] = Node(...);  // Initialize and assign Node object
  map1.emplace(27, std::forward_as_tuple<...>);  // Create Node object in-place
}