c++ 中的高维数组(1)

数值计算中，常常需要操作高维数组，C++ 很容易写出来占用内存多，而且速度慢的程序。

#include <iostream>
using namespace std;

class Video {
  public:
   Video(size_t num_of_channels, size_t width, size_t height,
         size_t num_of_colors)
       : num_of_channels_(num_of_channels),
         width_(width),
         height_(height),
         num_of_colors_(num_of_colors) {
       buf_ = new char***[num_of_channels];
       for (size_t c = 0; c < num_of_channels; ++c) {
           buf_[c] = new char**[width];
           for (size_t w = 0; w < width; ++w) {
               buf_[c][w] = new char*[height];
               for (size_t h = 0; h < height; ++h) {
                   buf_[c][w][h] = new char[num_of_colors];
                   for (size_t r = 0; r < num_of_colors; ++r) {
                       buf_[c][w][h][r] = 0.0;
                   }
               }
           }
       }
    }
    ~Video() {
        for (size_t c = 0; c < num_of_channels_; ++c) {
            for (size_t w = 0; w < width_; ++w) {
                for (size_t h = 0; h < height_; ++h) {
                    delete[] buf_[c][w][h];
                }
                delete[] buf_[c][w];
            }
            delete[] buf_[c];
        }
        delete[] buf_;
    }

   private:
    const size_t num_of_channels_;
    const size_t width_;
    const size_t height_;
    const size_t num_of_colors_;
    char **** buf_;
};


int main(int argc, char *argv[])
{
    Video v(10,1920,1080,3);
    return 0;
}

我碰到过一些真实的，代码量很大的项目，至少三次看到上面这种模式。这种方法占用内存多，速度慢。

可以用一维数组模拟高维数组。

#include <iostream>
using namespace std;

class Video {
  public:
   Video(size_t num_of_channels, size_t width, size_t height,
         size_t num_of_colors)
       : num_of_channels_(num_of_channels),
         width_(width),
         height_(height),
         num_of_colors_(num_of_colors) {
       buf_ = new char[num_of_channels * width * height * num_of_colors];
       for (size_t c = 0; c < num_of_channels; ++c) {
           for (size_t w = 0; w < width; ++w) {
               for (size_t h = 0; h < height; ++h) {
                   for (size_t r = 0; r < num_of_colors; ++r) {
                       buf_[c*width*height*num_of_colors + w*height*num_of_colors + h*num_of_colors + r] = 0.0;
                   }
               }
           }
       }
    }
    ~Video() {
        delete[] buf_;
    }

   private:
    const size_t num_of_channels_;
    const size_t width_;
    const size_t height_;
    const size_t num_of_colors_;
    char * buf_;
};


int main(int argc, char *argv[])
{
    Video v(10,1920,1080,3);
    return 0;
}

我们看看速度

% c++ -std=c++11 high_dim_array_1.cpp
% ./a.out

real	0m3.046s
user	0m2.801s
sys	0m0.235s
% c++ -std=c++11 high_dim_array_2.cpp
% ./a.out

real	0m0.244s
user	0m0.206s
sys	0m0.028s

后者快了 14 倍。

我们分析一下内存使用。对于数据来说，二者是一样的。但是第一种方案，额外存储了很多内存指针。

new char***[num_of_channels]; 需要 10 个指针。
同样道理，宽度层，需要 10 * 1920 个指针
高度层，需要 10*1920*1080 个指针
最后一层，没有额外的指针空间，因为这些就是原始数据了。

可以看到，每个指针 8 个字节(64位机器），我们额外需要大约 160M+ 的内存，存储间接指针。

buf_[c][w][h][r] = 0.0;
buf_[c*width*height*num_of_colors + w*height*num_of_colors + h*num_of_colors + r] = 0.0;

这两个相比，前者看起来更加干净。但是，我们很容易做做操作符重载

char& operator()(size_t c, size_t w, size_t h, size_t r){
   return buf_[c*width*height*num_of_colors + w*height*num_of_colors + h*num_of_colors + r];
}

这样我们就可以使用下面的语法。

 (*this)(c,w,h,r) = 0.0;

这里淡淡的吐槽一下 c++ ，(*this)[c,w,h,r] = 0.0; 也许更好，可惜 c++ 的对方括号的操作符重载，只允许一个参数。

如果非要用第一种语法形式 (*this)[c][w][h][r] 的话，(*this)[c] 返回一个对象，依次产生三个临时对象。

Wang Chunye

c++ 中的高维数组(1)