如何使用可能不同的 boost::dimension 存储 boost::quantity

Question

我正在使用boost::units 库来强制科学项目中的物理一致性。我已经阅读并尝试了 boost 文档中的几个示例。我能够创建我的尺寸、单位和数量。我做了一些微积分，效果很好。这正是我所期望的，除了......

在我的项目中，我处理基于六个维度的具有多个不同单位（温度、浓度、密度等）的时间序列。为了允许安全和简单的单位转换，我想为每个通道类添加一个成员，表示时间序列的维度和单位。而且，数据处理（导入、转换等）是用户驱动的，因此是动态的。

我的问题如下，由于boost::units 结构，同质系统中但具有不同维度的量具有不同的类型。因此，您不能直接声明成员，例如：

boost::units::quantity channelUnits;

编译器会声称您必须使用模板 V 形指定尺寸。但如果这样做，您将无法存储不同类型的数量（例如具有不同维度的数量）。

然后，我查找了boost::units::quantity 声明，以确定是否有可以以多态方式使用的基类。但我没有找到它，相反我发现boost::units 大量使用 模板元编程 这不是问题，但不完全符合我的动态需求，因为一切都在编译时解决而不是在运行时。

经过更多阅读，我尝试将不同的数量包装在 boost::variant 对象中（很高兴第一次见到它）。

typedef boost::variant<
   boost::units::quantity<dim1>,
   ...
> channelUnitsType;
channelUnitsType channelUnits;

我进行了一些测试，它似乎有效。但我对 boost::variant 和 visitor-pattern 没有信心。

我的问题如下：

• 还有其他（也许是最好的）方法来进行运行时类型解析吗？
• dynamic_cast 是其中之一吗？单位转换不会经常发生，只需要关注少量数据。
• 如果boost::variant 是一个合适的解决方案，它的缺点是什么？

Answer 1

深入了解我的问题，我阅读了两篇提供解决方案的文章：

• Kostadin Damevski，在科学组件软件的接口中表达测量单位；
• 姜凌霄，一种用于验证 C 程序的维度单位正确性的实用类型系统。

第一个为接口实现提供了很好的想法。第二部分全面概述了您必须应对的问题。

我牢记boost::units 是一种在编译时实现维度一致性的完整且有效的方法，而不会在运行时产生开销。无论如何，对于涉及维度更改的运行时维度一致性，您确实需要boost::units 不提供的动态结构。所以我在这里：设计一个完全符合我需要的单元类。完成更多工作，最终获得更多满足...

关于原题：

• boost::variant 工作得很好（它提供了动态的boost::units 缺失）对于这项工作。此外，它可以开箱即用地序列化。因此，这是一种有效的方法。但它为可以由单个类完成的简单（我不是说微不足道）任务添加了一层抽象。
• 铸造是通过boost::variant_cast<>而不是dynamic_cast<>实现的。
• boost::any 可能更容易实现，但序列化变得困难重重。

Answer 2

我一直在思考这个问题，得出以下结论：

1.实现类型擦除（优点：良好的接口，缺点：内存开销）

看起来不可能在没有开销的情况下存储具有共同维度的一般数量，这违反了库的设计原则之一。即使是类型擦除也无济于事。

2。实现可转换类型（优点：接口不错，缺点：操作开销）

我认为没有存储开销的唯一方法是选择一个传统的（可能是隐藏的）系统，所有单位都可以在该系统中相互转换。没有内存开销，但几乎所有对值的查询都存在乘法开销，并且存在大量转换和一些高指数精度的松散（想想从 avogadro 数到 10 次方的转换）。

3.允许隐式转换（优点：良好的接口，缺点：难以调试，意外的操作开销）

另一个选项，主要是在实际方面缓解问题是允许在接口级别进行隐式转换，请参见此处：https://groups.google.com/d/msg/boost-devel-archive/JvA5W9OETt8/5fMwXWuCdDsJ

4.模板/通用代码（优点：没有运行时或内存开销，概念上正确，理念遵循库的理念，缺点：更难调试，丑陋的接口，可能的代码膨胀，到处都有大量模板参数）

如果你问库设计者，他们可能会告诉你你需要让你的函数通用。这是可能的，但它使代码复杂化。例如：

template<class Length>
auto square(Length l) -> decltype(l*l){return l*l;}

我使用 C++11 来简化这里的示例（可以在 C++98 中完成），同时也表明这在 C++11 中变得更容易（在 C+ 中甚至更简单） +14 decltype(auto)。

我知道这不是您想到的代码类型，但它与库的设计是一致的。您可能会想，我如何将此功能限制为物理长度而不是其他东西？好吧，答案是你不需要这样做，但是如果你坚持，在最坏的情况下......

template<class Length, typename std::enable_if<std::is_same<typename get_dimension<Lenght>::type, boost::units::length_dimension>::value>::type>
auto square(Length l) -> decltype(l*l){return l*l;}

（在更好的情况下，decltype 将完成 SFINAE 的工作。）

在我看来，选项 4. 并且可能与 3. 结合使用是最优雅的方式。

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参考资料：

https://www.boost.org/doc/libs/1_69_0/boost/units/get_dimension.hpp