在 Cython 中将复杂的 numpy 数组传递给 C++

Question

我想对 pyx 脚本的一部分进行 Cythonize，该脚本涉及处理具有复数的 numpy 数组。 python 脚本的相关部分如下所示：

M = np.dot(N , Q)

在我的工作中，N、Q 和 M 是带有复数条目的 numpy 数组。

具体来说，我想将矩阵N 和Q 转移到C++ 代码并在C++ 中进行矩阵乘法。

虽然我知道使用指向 C++ 脚本的指针来传输实值 numpy 数组的方法，然后使用 cython，但对于如何处理具有复杂值的 numpy 数组，我有点困惑。

这就是我目前尝试将数组从pyx 转移到C++ 的方式。

import numpy as np
cimport numpy as np

cdef extern from "./matmult.h" nogil:
    void mult(double* M, double* N, double* Q)

def sim():    
    cdef:
        np.ndarray[np.complex128_t,ndim=2] N = np.zeros(( 2 , 2 ), dtype=np.float64)
        np.ndarray[np.complex128_t,ndim=2] Q = np.zeros(( 2 , 2 ), dtype=np.float64)  
        np.ndarray[np.complex128_t,ndim=2] M = np.zeros(( 2 , 2 ), dtype=np.float64)          

    N = np.array([[1.1 + 2j,2.2],[3.3,4.4]])
    Q = np.array([[3.3,4.4+5j],[5.5,6.6]])  

    mult(&M[0,0], &N[0,0], &Q[0,0])
    print M

这是我的 C++ 代码：

#include "matmult.h"
using namespace std;

int main(){}

void mult(double *M, double *N, double *Q)
{
  double P[2][2], A[2][2], B[2][2];

  for (int i=0; i<2; i++)
  {
    for (int j=0; j<2; j++)
    {
      A[i][j] = *( N + ((2*i) + j) );
      B[i][j] = *( Q + ((2*i) + j) );
      P[i][j] = 0;      
    }
  }

  for (int i=0; i<2; i++)
  {
    for (int j=0; j<2; j++)
    {
      for (int k=0; k<2; k++)
      {
         P[i][j] += A[i][k]*B[k][i];  
      }
    }
  }  

  for (int i=0; i<2; i++)
  {
    for (int j=0; j<2; j++)
    {
      *( M + ((2*i) + j) ) = P[i][j];      
    }
  }
}

当我使用 cython 编译时，出现以下错误

mat.pyx:17:27: Cannot assign type 'double complex *' to 'double *'

如果能在这里得到一些帮助，我将不胜感激。

Answer 1

此错误消息告诉您出了什么问题：

mat.pyx:17:27: 无法将类型 'double complex *' 分配给 'double *'

也就是说，你有一个来自 numpy 的双复数指针（指向 complex128 numpy dtype 的指针），你正试图使用​​双指针将它传递给 C++ 函数。 C++ 需要能够处理复数，所以如果你改变你的 double* -> std::complex 这应该可以解决你的问题

void mult(double *M, double *N, double *Q)

变成

#include <complex>
void mult(std::complex<double> *M, std::complex<double> *N, std::complex<double> *Q)

numpy 矩阵乘法是否不足以满足您的用例？ Cython 可能有点矫枉过正。

编辑：好的，我终于明白了，处理 C++ std::complex 和 C double _Complex 类型有点奇怪。

cppmul.pyx：

import numpy as np
cimport numpy as np

cdef extern from "./matmult.h" nogil:
    void mult(np.complex128_t* M, np.complex128_t* N, np.complex128_t* Q)

def sim():
    cdef:
        np.ndarray[np.complex128_t,ndim=2] N = np.zeros(( 2 , 2 ), dtype=np.complex128)
        np.ndarray[np.complex128_t,ndim=2] Q = np.zeros(( 2 , 2 ), dtype=np.complex128)
        np.ndarray[np.complex128_t,ndim=2] M = np.zeros(( 2 , 2 ), dtype=np.complex128)

    N = np.array([[1.1 + 2j,2.2],[3.3,4.4]])
    Q = np.array([[3.3,4.4+5j],[5.5,6.6]])

    mult(&M[0,0], &N[0,0], &Q[0,0])
    print M

matmul.c:

#include "matmult.h"

void mult(complex_t *M, complex_t *N, complex_t *Q)
{
  complex_t P[2][2], A[2][2], B[2][2];

  for (int i=0; i<2; i++)
  {
    for (int j=0; j<2; j++)
    {
      A[i][j] = *( N + ((2*i) + j) );
      B[i][j] = *( Q + ((2*i) + j) );
      P[i][j] = 0;
    }
  }

  for (int i=0; i<2; i++)
  {
    for (int j=0; j<2; j++)
    {
      for (int k=0; k<2; k++)
      {
         P[i][j] += A[i][k]*B[k][i];
      }
    }
  }

  for (int i=0; i<2; i++)
  {
    for (int j=0; j<2; j++)
    {
      *( M + ((2*i) + j) ) = P[i][j];
    }
  }
}

matmult.h：

#include <complex.h>

typedef double _Complex complex_t;
void mult(complex_t *M, complex_t *N, complex_t *Q);

setup.py：

from distutils.core import setup
from Cython.Build import cythonize
from distutils.extension import Extension
import numpy as np

sourcefiles = ['cppmul.pyx', 'matmult.c']

extensions = [Extension("cppmul",
                        sourcefiles,
                        include_dirs=[np.get_include()],
                        extra_compile_args=['-O3']
)]

setup(
    ext_modules = cythonize(extensions)
)

在运行python setup.py build_ext --inplace 后，它会按预期导入并运行

import cppmul
cppmul.sim()

结果：

[[15.73 +6.6j 15.73 +6.6j]
 [43.56+16.5j 43.56+16.5j]]

Answer 2

试试这个

    #include "matmult.h"
 using namespace std;

int main(){}

void mult(double *M, double *N, double *Q)
{
 double P[2][2], A[2][2], B[2][2];

 for (int i=0; i<2; i++)
 {
for (int j=0; j<2; j++)
{
  A[i][j] = *( N + ((2*i) + j) );
  B[i][j] = *( Q + ((2*i) + j) );
  P[i][j] = 0;      
  }
  }

  for (int i=0; i<2; i++)
  {
    for (int j=0; j<2; j++)
    {
    for (int k=0; k<2; k++)
    {
       P[i][j] += A[i][k]*B[k][i];  
     }
 }
}  

for (int i=0; i<2; i++)
 {
  for (int j=0; j<2; j++)
  {
  *(  ((2*i) + j) )+ M = P[i][j];      
  }
 }
}