C++:繁重的多重继承层次结构的设计和成本

Question

我有一个包含以下三个类的类层次结构:

template<int pdim >
class Function
{
   virtual double operator()( const Point<pdim>& x) const = 0;
};

它是 pdim 维空间中的函数，返回 double 值。

template<int pdim, int ldim >
class NodeFunction
{
   virtual double operator()( const Node<pdim,ldim>& pnode, const Point<ldim>& xLoc) const = 0;
};

这是pdim维空间中节点的ldim维局部空间的函数。

template<int pdim, int ldim, int meshdim >
class PNodeFunction
{
   virtual double operator()( const PNode<pdim,ldim,meshdim>& pnode, const Point<ldim>& xLoc) const = 0;
};

此设计的原因 1:NodeFunction 比 Function 更通用。它总是可以将本地 ldim-point 点映射到 pdim-point。例如，一条边(ldim=1 的节点)将区间 [0,1] 映射到 pdim 维物理空间。这就是为什么每个函数都是一个 NodeFunction。 NodeFunction 更通用，因为允许 NodeFunction 查询 Node 的属性。

此设计的原因 2:PNodeFunction 比 NodeFunction 更通用。每个 PNode 对应一个 Node(反之亦然)。这就是为什么每个 PNodeFunction 都是一个 NodeFunction。 PNodeFunction 更通用，因为它还具有作为网格一部分的 PNode 的所有上下文(因此它知道其所有父节点、邻居......)。

总结:每个Function<pdim>是 NodeFunction<pdim, ldim>对于 ldim 的任何参数.每个NodeFunction<pdim, ldim>是 NodeFunction<pdim, ldim, meshdim>对于 meshdim 的任何参数.

问题:在 C++ 中表达这个的最佳方式是什么，这样我就可以使用 Function代替 NodeFunction/PNodeFunction ，使得代码速度很快(它是一个高性能计算代码)，使得代码适用于

模板参数不是完全独立的，而是相互依赖的:- pdim=1,2,3 (主要兴趣)但如果它也适用于高达 7 的 pdim 值，那就太好了。- 'ldim=0,1,...,pdim'- 'meshdim=ldim,ldim+1,...,pdim'

考虑到性能，注意程序中obly创建了几个函数，但是他们的operator()被调用了很多次。

变体

我考虑了几种实现方法(我目前实现了变体 1)。我把它写在这里，以便您可以告诉我这些方法的优点和缺点。

变体 1

实现上面描述的继承A<dim> inherits from B<dim,dim2>通过辅助模板 Arec<dim,dim2> .在伪代码中这是

class A<dim> : public Arec<dim,dim>;
class Arec<dim,dim2> : public Arec<dim,dim2-1>, public B<dim,dim2>;
class Arec<dim,0> : public B<dim,dim2>;

这适用于从 NodeFunction 继承 Function 和从 PNodeFunction 继承 NodeFunction。由于 NodeFunction 大致继承 O(pdim^2)来自 PNodeFunction 的时间，这个规模如何？这个巨大的虚拟表不好吗？

注意:事实上每个函数也应该继承自VerboseObject ，它允许我打印关于函数的调试信息，例如std::cout .我通过虚拟继承来做到这一点 PNodeFunction来自 VerboseObject .这将如何影响性能？这应该会增加构造函数和打印调试信息的时间，但不会增加 operator() 的时间。 ，对吧？

变体 2

不要在 C++ 中表达继承，例如A<dim>不继承自 B<dim,dim2> bur 而是有一个函数可以将两者转换

class AHolder<dim,dim2> : public B<dim, dim> {

}

std::shared_pointer< AHolder<dim,dim2> > interpretAasB( std::shared_pointer< AHolder<dim> >)
 [...]

这有一个缺点，我不能再使用 Function<dim>代替 NodeFunction<dim>或 PNodeFunction<dim> .

变体 3

您首选的实现方式是什么？

Answer 1

我不太理解你的问题；那可能是因为我缺乏对问题领域的具体了解。

无论如何，您似乎想要生成类的层次结构，底部是 Function(派生类最多的类)，顶部是 PNodeFunction(派生类最少的类)。
为此，我只能推荐 Alexandrescu 的现代 C++ 设计书，尤其是关于层次结构生成器的章节。
有一个开源库源于名为 Loki 的书。 Here's the part that might interest you.

采用通用元编程方式可能是最困难的，但我认为与虚拟继承相比，它会在设置后带来易用性，并且可能会提高性能(始终由分析器验证)。

无论如何，我强烈建议不要继承用于日志记录的 Verbose 对象，而是拥有一个单独的单例日志记录类。
这样你就不需要类层次结构中的额外空间来存储日志记录对象。
您可以只让最小派生类继承自 Verbose 对象，但您的函数类不是日志记录对象；他们使用日志记录对象(我在这里可能有点迂腐)。
另一个问题是，如果你从那个基类继承多次，你最终会得到日志对象的多个拷贝，并且必须使用虚拟继承来解决它。