c++ - C++11 模板，确定返回类型

Question

我正在构建一个矩阵库，并且正在尝试使用基于策略的设计。所以我的基类是提供存储方法和一些访问功能的类。我还有一个提供数学函数的函数矩阵。这很好用，但是由于返回类型，operator* 存在一个主要问题。我将用一些代码来解释它。

提供堆栈存储的基类：

template < typename T, unsigned int rows, unsigned int cols>
class denseStackMatrix {
public:
    typedef T value_type;

private:
    value_type grid[rows][cols];
    const unsigned int rowSize;
    const unsigned int colSize;

然后我有我的矩阵类，它提供了数学功能：

template <typename MatrixContainer >
class matrix : public MatrixContainer {
public:
    typedef MatrixContainer Mcontainer;

    matrix<Mcontainer>& operator +(const matrix<Mcontainer>&);
    matrix<Mcontainer>& operator *(const matrix<Mcontainer>&);

operator+始终有效，operator*仅适用于方阵。所以我们仍然需要一个用于所有矩阵的。这就是它出错了。我已经尝试了几件事，但没有任何效果。我在 c++0x 的帮助下寻找这样的东西（c++0x 的使用不是必需的）你会注意到“???” :)

friend auto operator * (const matrix<T1>& matrix1, const matrix<T2>& matrix2)
-> decltype(matrix<???>);

问题的一个例子

matrix<denseStackMatrix<int,3,2> > matrix1;
matrix<denseStackMatrix<int,2,4> > matrix2;
matrix<denseStackMatrix<int,3,4> > matrix3 = matrix1 * matrix2;

在这里它会抱怨类型，因为它不匹配任何两个参数类型。但是编译器需要在编译时知道类型，我不知道如何提供它。

我知道设计还有其他选择，但我真的在为这种情况寻找解决方案..

谢谢 ！

Answer 1

接受@hammar 的想法，但部分专业化以允许正常语法，如问题所示：

template<class MatrixContainer>
class matrix;

template<
  template<class,int,int> class MatrixContainer,
  class T, int rows, int cols
>
class matrix< MatrixContainer<T,rows,cols> >{
  typedef MatrixContainer<T,rows,cols> Mcontainer;
  typedef matrix<Mcontainer> this_type;
  static int const MyRows = rows;
  static int const MyCols = cols;

public:
  template<int OtherCols>
  matrix<MatrixContainer<T,MyRows,OtherColls> > operator*(matrix<MatrixContainer<T,MyCols,OtherCols> > const& other){
    typedef matrix<MatrixContainer<T,MyCols,OtherCols> > other_type;
    typedef matrix<MatrixContainer<T,MyRows,OtherCols> > result_type;
    // ...
  }
};

编辑：正如您在评论中所说，您还可以使用它来创建一个不使用具有行和列大小作为模板参数的 MatrixContainer 的矩阵：

template<
  template<class> class MatrixContainer,
  class T
>
class matrix< MatrixContainer<T> >{
  typedef MatrixContainer<T> Mcontainer;
  typedef matrix<Mcontainer> this_type;

public:
  // normal matrix multiplication, return type is not a problem
  this_type operator*(this_type const& other){
    // ensure correct row and column sizes, e.g. with assert
  }

  // multiply dynamic matrix with stack-based one:
  template<
    template<class,int,int> class OtherContainer,
    int Rows, int Cols
  >
  this_type operator*(matrix<OtherContainer<T,Rows,Cols> > const& other){
    // ensure correct row and column sizes, e.g. with assert
  }
};

用法：

// stack-based example
matrix<DenseStackMatrix<int,3,2> > m1;
matrix<DenseStackMatrix<int,2,4> > m2;
matrix<DenseStackMatrix<int,3,4> > m3 = m1 * m2;

// heap-based example
matrix<DenseHeapMatrix<int> > m1(3,2);
matrix<DenseHeapMatrix<int> > m2(2,4);
matrix<DenseHeapMatrix<int> > m3 = m1 * m2;

Answer 2

改成MatrixContainer模板模板参数怎么样？

template <class T, int Rows, int Cols>
class DenseStackMatrix {
public:
    typedef T value_type;

private:
    value_type grid[Rows][Cols];
};

template <class T, int Rows, int Cols, template<class, int, int> class MatrixContainer>
class Matrix : public MatrixContainer<T, Rows, Cols> {
public:
    template <int ResultCols>
    Matrix<T, Rows, ResultCols, MatrixContainer> & operator*(const Matrix<T, Cols, ResultCols, MatrixContainer> &);
};

int main() {
    Matrix<int, 3, 2, DenseStackMatrix> matrix1;
    Matrix<int, 2, 4, DenseStackMatrix> matrix2;
    Matrix<int, 3, 4, DenseStackMatrix> matrix3 = matrix1 * matrix2;
}

这样，您不仅可以进行编译时维度检查，还可以扩展它以允许不同容器类型的矩阵之间的乘法。

Answer 3

只是因为我在这里找到所有答案之前已经研究过它：

template <typename T, unsigned int M, unsigned int N>
struct Matrix
{
};

template <typename T, unsigned int M, unsigned int MN, unsigned int N>
Matrix<T, M, N> operator*(Matrix<T, M, MN> const & lhs, Matrix<T, MN, N> const & rhs)
{
    return Matrix<T, M, N>();
}

int main()
{
    Matrix<int, 3, 4> prod = Matrix<int, 3, 2>() * Matrix<int, 2, 4>();

    // Fails to compile as desired
    // g++ gives:
    //matrix.cpp: In function 'int main()':
    //matrix.cpp:20: error: no match for 'operator*' in 'Matrix<int, 3u, 2u>() * Matrix<int, 3u, 4u>()'
    Matrix<int, 3, 4> prod1 = Matrix<int, 3, 2>() * Matrix<int, 3, 4>();
}

此解决方案可能不适合您的设计模式，但使用 的自由函数实现operator*来推断（和检查）模板参数，如果不满足矩阵乘法的约束，则会导致编译时错误。

Answer 4

只是一个随机的想法，如果您在基类中包含一种获取相同类型但大小不同的容器的方法怎么办？类似于以下内容：

template<typename T, unsigned int Rows, unsigned int Cols>
class denseStackMatrix {
public:
  static const int rows = Rows;
  static const int cols = Cols;

  template<unsigned int R, unsigned int C>
  struct resize {
    typedef denseStackMatrix<T, R, C> type;
  };

  // ....
}

然后你可以做

template <typename MatrixContainer >
class matrix : public MatrixContainer {
  using MatrixContainer::resize;

public:

  template<typename RHSMcontainer>
  matrix<typename resize<rows, RHSMcontainer::cols>::type>
  operator *(const matrix<RHSMcontainer>&)
  {
    static_assert(cols == RHSMcontainer::rows, "incompatible sizes");
    // ...
  }

  // ....
}

顺便说一句，我不确定我是否得到了 MatrixContainer::resize 的范围...

我的2c

Answer 5

在您的帖子中，我读到您想使用基于策略的设计。在这种情况下，您首先需要定义您的策略类。因此，您首先需要决定您希望用户可以自己提供哪些类。你上哪门课，取决于你。您可以将策略存储和形状用于实例。

你可以做类似的东西

class Diagonal  {
public:
    // the default storage facility of a Diagonal matrix
    typedef Stack default_storage;
};

template <typename T, typename Shape = Dense, typename Storage = Stack, unsigned Row, unsigned Col>
class Matrix : public Storage, Shape {   // policy classes Storage and Shape
public:
    template <typename T1, typename Shape1, typename Storage1, unsigned Row1, unsigned Col1>
    friend Matrix<T1,Shape1,Storage1,Row1,Col1>& operator += (Matrix<T1,Shape1,Storage1,Row1,Col1> matrix1,Matrix<T,Shape,Storage,Row,Col> matrix2);

    template <typename T1, typename Shape1, typename Storage1, unsigned Row1, unsigned Col1>
    friend Matrix<T1,Diagonal,Storage1,Row1,Col1>& operator += (Matrix<T1,Diagonal,Storage1,Row1,Col1> matrix1,Matrix<T,Diagonal,Storage,Row,Col> matrix2);

    template <typename T1, typename Shape1, typename Storage1, unsigned Row1, unsigned Col1>
    friend Matrix<T,Shape,Storage,Row,Col>& operator + (Matrix<T,Shape,Storage,Row,Col> matrix1, Matrix<T,Shape,Storage,Row,Col> matrix2);

    template <typename T1, typename Shape1, typename Storage1, unsigned Row1, unsigned Col1>
    friend Matrix<T,Diagonal,Storage,Row,Col>& operator + (Matrix<T,Diagonal,Storage,Row,Col> matrix1, Matrix<T,Diagonal,Storage,Row,Col> matrix2);

// general template function
template <typename T, typename Shape, typename Storage, unsigned Row, unsigned Col>
Matrix<T,Shape,Storage,Row,Col>& operator + (Matrix<T,Shape,Storage,Row,Col> matrix1, Matrix<T,Shape,Storage,Row,Col> matrix2) {
    Matrix<T,Shape,Storage,Row,Col>* result = new Matrix<T,Shape,Storage,Row,Col>();
    for (unsigned i = 0; i < matrix1.getRowSize(); i++) {           // getRowSize is a member function of policy class Storage
        for (unsigned j = 0; j < matrix1.getRowSize(); j++) {
            (*result)(i,j) = matrix1.getValue(i,j) + matrix2.getValue(i,j);
        }
    }
    return *result;
}

// overloaded template function
template <typename T, typename Shape, typename Storage, unsigned Row, unsigned Col>
Matrix<T,Diagonal,Storage,Row,Col>& operator + (Matrix<T,Diagonal,Storage,Row,Col> matrix1, Matrix<T,Diagonal,Storage,Row,Col> matrix2) {
    Matrix<T,Shape,Storage,Row,Col>* result = new Matrix<T,Shape,Storage,Row,Col>();
    for (unsigned i = 0; i < matrix1.getRowSize(); i++) {
        (*result)(i,i) = matrix1.getValue(i,i) + matrix2.getValue(i,i);
    }
    return *result;
}

// general template function
template <typename T, typename Shape, typename Storage, unsigned Row, unsigned Col>
Matrix<T,Shape,Storage,Row,Col>& operator += (Matrix<T,Shape,Storage,Row,Col> matrix1,Matrix<T,Shape,Storage,Row,Col> matrix2)  {
    Matrix<T,Shape,Storage,Row,Col>* result = new Matrix<T,Shape,Storage,Row,Col>(matrix1); // copy constructor
    for (unsigned i = 0; i < matrix1.getRowSize(); i++) {
        for (unsigned j = 0; j < matrix1.getRowSize(); j++) {
            (*result)(i,j) = matrix1.getValue(i,j) + matrix2.getValue(i,j);
        }
    }
    return *result;
}

// overloaded template function
template <typename T, typename Shape, typename Storage, unsigned Row, unsigned Col>
Matrix<T,Diagonal,Storage,Row,Col>& operator += (Matrix<T,Diagonal,Storage,Row,Col> matrix1,Matrix<T,Diagonal,Storage,Row,Col> matrix2) {
    Matrix<T,Shape,Storage,Row,Col>* result = new Matrix<T,Shape,Storage,Row,Col>(matrix1); // copy constructor
    for (unsigned i = 0; i < matrix1.getRowSize(); i++) {
        (*result)(i,i) = matrix1.getValue(i,i) + matrix2.getValue(i,i);
    }
    return *result;
}

如您所见，您现在还可以轻松添加两种不同的 Matrix 类型。您只需要重载通用模板函数。使用策略的一个优点是您的用户现在可以轻松地提供他们自己的存储设施。

最后一点。由于您可以使用 C++0x，您还可以为您的用户创建一些快捷方式。例如，您可以执行以下操作

template<typename T, unsigned Row, unsigned Col>
using DenseStackMatrix = Matrix<T, Dense, Stack, Row, Col>;

template<typename T>
using DenseHeapMatrix = Matrix<T, Dense, Heap, 0, 0>;