c++ - 在 C++ 中传递和返回具有特殊约束 (NxN) 类型安全的二维数组(矩阵)的最优雅方式

Question

我使用 C# 编写代码已有一段时间了，最​​近又切换回 C++。基本上我在 C# 方面尝试做的是:

static void Main(string[] args)
{
    int[,] mat =  { {1, 2, 3},
                    {4, 5, 6}, 
                    {7, 8, 9} };

    SomeClass<int> s1 = new SomeClass<int>(mat);
    int[,] result = s1.doSomething();

    int[,] mat2 = { { 1,  2,  3,  4},
                    { 5,  6,  7,  8}, 
                    { 9, 10, 11, 12},
                    {13, 14, 15, 16} };

    SomeClass<int> s2 = new SomeClass<int>(mat);
    int[,] result2 = s2.doSomething();  
}

public class SomeClass<T>
{
    T[,] data;

    public SomeClass(T[,] arg)
    {
        data = arg;
    }

    //member method of SomeClass
    public T[,] doSomething()
    {
        return data;
    }
}

实际上，乍一看这不应该很难，但不幸的是 C++在涉及匿名大小的数组时有点挑剔。有一些当然是解决方法:

1. 使用 T**我认为这个解决方案很老套， T** 与 T[][] 并不完全相同，并且您可以传递可能导致运行时错误的困惑事物，而不是编译器错误。然后是初始化问题。

2. T[][]会很好，但与 C# 不同，C++ 不允许声明二维数组两个维度 (T[][3]) 中的匿名大小是可能的，但没有一个两个维度应该是固定的。我需要能够使用 3x3 矩阵程序中的一个点，让我们在另一点使用 4x4 或 5x5 矩阵。

3. 所以我做了一些研究，发现了另一种使用模板和非类型的方法参数。所以我的想法是做某事。像这样:

   
template<typename T, size_t S>
Someclass<T, S>::Someclass(T[S][S]) { .. }

   
template<typename T, size_t S>
T[S][S] Someclass<T, S>:doSomething() { .. }

.. 不幸的是，这似乎不是那样工作的。这种方法甚至有一个更有利的是，它隐含地添加了一个约束，即第一个和第二个数组的维数必须相同。

我使用的是 Visual Studio 2010 的编译器，所以我可能无法使用最新 C++ 编译器的特性。

所以我的问题是:有没有办法实现第三个想法的含义？

1. 传递并返回匿名大小的二维数组...
2. ...约束条件是第一维和第二维必须属于大小相同。

** 更新 **我一直很难让建议的解决方案在 Visual Studio 下运行。我会再试一次，但想让你知道:我创建了一个小型测试项目 - 这是我取得的进展:

//SomeClass.h
#ifndef SOMECLASS_H //<- line 1
#define SOMECLASS_H

#include "SquareMatrixA.h"
#include "SquareMatrixB.h"

template<typename T, size_t S>
class SomeClass
{
    private: 
        SquareMatrixA<T> matA;
        SquareMatrixB<T, S> matB;

    public:
        SomeClass(SquareMatrixA<T> arg);
        SomeClass(SquareMatrixB<T, S> arg);
        virtual ~SomeClass(void);

        SquareMatrixA<T> doSomethingA();
        SquareMatrixB<T, S> doSomethingB();
};

#endif


//SomeClass.cpp //<-- line 1
#include "SomeClass.h"

template<typename T, size_t S>
SomeClass<T, S>::SomeClass(SquareMatrixA<T> arg) { matA = arg; }

template<typename T, size_t S>
SomeClass<T, S>::SomeClass(SquareMatrixB<T, S> arg) { matB = arg; }

template<typename T, size_t S> 
SomeClass<T, S>::~SomeClass(){}

template<typename T, size_t S> 
SquareMatrixA<T> SomeClass<T, S>::doSomethingA() { return matA; }

template<typename T, size_t S>
SquareMatrixB<T, S> SomeClass<T, S>::doSomethingB() { return matB; }


//SquareMatrixA.h (inline)
#ifndef SQUAREMATRIXA_H //<- line 1
#define SQUAREMATRIXA_H

#include <vector>
#include <utility>

template<typename T>
class SquareMatrixA
{
    protected:
        std::vector<T> data;
        size_t size;

    public:
        SquareMatrixA(size_t size) : data(size * size), size(size) { }
        T& operator()(size_t i, size_t j) { return data.at(i * size + j); }
        T const& operator() const(size_t i, size_t j) { return data.at(i * size + j); }
        T& operator[](std::pair<size_t, size_t> p) { return data.at(p.first * size + p.second); }
        T const& operator[](std::pair<size_t, size_t> p) const { return data.at(p.first * size + p.second); }
};

#endif


//SquareMatrixB.h
#ifndef SQUAREMATRIXB_H // <-- line 
#define SQUAREMATRIXB_H

template<typename T, size_t S> 
class SquareMatrixB
{
    typedef T (&oneDimRefT)[S]; 

    private:
        T matrix[S][S];

    public:
        const size_t Size;
        SquareMatrixB(size_t sizeA) : Size(sizeA) { }
        oneDimRefT operator[](size_t i) { return matrix[i]; }
};

#endif

Visual Studio 显示以下错误(抱歉部分德语输出但似乎 Visual Studios 语言无法更改为英语，除非安装本地英语版本:

Fehler  1   error C2143: Syntaxfehler: Es fehlt ';' vor 'const' squarematrixa.h 17  1   MatrixTest2
Fehler  2   error C2365: "SquareMatrixA<T>::operator ()": Erneute Definition; vorherige Definition war "Memberfunktion".    squarematrixa.h 17  1   MatrixTest2
Fehler  3   error C4430: Fehlender Typspezifizierer - int wird angenommen. Hinweis: "default-int" wird von C++ nicht unterstützt.   squarematrixa.h 17  1   MatrixTest2
Fehler  4   error C2226: Syntaxfehler: Typ 'size_t' nicht erwartet  squarematrixa.h 17  1   MatrixTest2
Fehler  5   error C2334: Unerwartete(s) Token vor '{'; sichtbarer Funktionstext wird übersprungen   squarematrixa.h 17  1   MatrixTest2

Answer 1

MSDN建议 std::tr1::array 可用。这通过将它们包装在一个类中来简化 C 风格数组的使用。这种方式不仅简化了语法(至少对我而言)，而且最重要的是允许分配、复制并因此也从函数返回它们:

template<typename T, size_t S>
Someclass<T, S>::Someclass(std::tr1::array<S, std::tr1::array<S, T> > const&);

template<typename T, size_t S>
std::tr1::array<S, std::tr1::array<S, T> > Someclass<T, S>:doSomething();

这非常接近您的期望，但与 C# 解决方案的不同之处在于它需要在编译时知道矩阵的大小。

如果您希望允许大小仅在运行时已知的矩阵，您将需要提供您自己的容器(或找到提供动态方矩阵类的第 3 方库)，可能基于 std::vector按照以下内容:

template<typename T>
class matrix {
    std::vector<T> data;
    size_t size;

public:
    matrix(size_t size) : data(size * size), size(size) { }
    T& operator()(size_t i, size_t j) { return data.at(i * size + j); }
    T const& operator() const(size_t i, size_t j) { return data.at(i * size + j); }
    T& operator[](std::pair<size_t, size_t> p) { return data.at(p.first * size + p.second); }
    T const& operator[](std::pair<size_t, size_t> p) const { return data.at(p.first * size + p.second); }
};

请注意，很遗憾，在 C++ 中不允许重载数组下标运算符以获取多个参数。