更快的循环范围 (C++11)

Question

我有一些代码可以遍历（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（或使用 gcc -std=c++0x）在我的计算机上运行大约 13.8 秒。

如果我将 main 函数更改为使用基于范围的 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，这约 30 秒的运行时间与使用 std::vector<double> 而不是 std::array<double, N> 时的原始运行时间几乎相同，这让我相信编译器无法展开范围生成的代码-基于for循环。

有没有办法在保持原始速度的同时仍然使用基于范围的 for 循环？

---

我的尝试：

通过更改NumericRange 中的两个成员函数，我可以使用基于范围的for 循环获得所需的速度：

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，这段代码感觉设计得很糟糕，因为!= operator 不能按预期工作 通常对于数字运算，我使用< 来终止循环而不是==。我想找到第一个超出范围的值，但由于数值错误，分析上这样做可能无法给出准确的答案。

如何强制 != operator 表现得与 < 相似而不误导其他会看到我的代码的人？我只需将 begin() 和 end() 函数设为私有，但对于基于范围的 for 循环，它们需要公开。

非常感谢您的帮助。

Answer 1

就我而言，问题在于您没有正确使用 range-for 构造。

---

让我们退后一步：

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

注意 range-for 如何遍历向量以提取 整数。

---

由于某些原因，您选择不实现从 begin 到 end 的迭代器，而是重新使用您正在迭代的内容的副本，即使它变化很小，而且您正在做吨 的额外工作（在副本和支票中）...

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

如果你想使用新的成语，你必须符合它的期望。

期望您使用 迭代器 进行迭代，而不是一遍又一遍地复制原始对象（稍作修改）。这是 C++ 习语。

这意味着您需要将对象切成两半：在要迭代的对象中删除在迭代期间不可变的所有内容以及在迭代器中修改的内容。

据我所知：

• _lower、_upper 和 _delta 已修复
• _state 是迭代变量

因此，你会：

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) {
}

其中auto 将被推导出为std::array<double, nr::Size>。

注意：不确定iterator 是否有用，可能只有const_iterator，因为它在某种程度上是错误的迭代；您无法通过迭代器访问范围对象来修改它。

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“哨兵”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== 更加平等

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

现在，在整个迭代过程中，== 都是短路的，因为 _range 之一为空而另一个不是。只有在最后一次调用时，两个_state 属性的比较才会真正发生。