CMU15445 之 Project#0 - C++ Primer 详解

前言

这个实验主要用来测试大家对现代 C++ 的掌握程度，实验要求如下：

简单翻译一下上述要求，就是我们需要实现定义在 src/include/primer/p0_starter.h 中的三个类 Matrix、RowMatrix 和 RowMatrixOperations，其中 Matrix 是 RowMatrix 的父类，RowMatrixOperations 定义了三个用于数组运算的成员函数：Add、Multiply 和 GEMM（就是 \(\boldsymbol{A}*\boldsymbol{B} + \boldsymbol{C}\)）。

代码实现 Matrix 类

抽象基类 Matrix 需要我们编写的代码很少，只要完成构造函数和析构函数即可，下面省略了一些不需要我们写的代码：

template <typename T>
class Matrix {
 protected:
  /**
   *
   * Construct a new Matrix instance.
   * @param rows The number of rows
   * @param cols The number of columns
   *
   */
  Matrix(int rows, int cols) : rows_(rows), cols_(cols), linear_(new T[rows * cols]) {}
  int rows_;
  int cols_;
  T *linear_;

 public:
  /**
   * Destroy a matrix instance.
   * TODO(P0): Add implementation
   */
  virtual ~Matrix() { delete[] linear_; }
};

linear_ 指向一个由二维矩阵展平而得的一维数组，里面共有 rows * cols 个类型为 T 的元素。由于我们在堆上分配数组的空间使用的是 new T[]，所以删除的时候也得用 delete[]。

RowMatrix 类

这个类用于表示二维矩阵，需要实现父类 Matrix 中的所有纯虚函数，为了方便访问数据元素，RowMatrix 多定义了一个指针数组 data_，里面的每个元素分别指向了二维矩阵每行首元素的地址：

template <typename T>
class RowMatrix : public Matrix<T> {
 public:
  /**
   * Construct a new RowMatrix instance.
   * @param rows The number of rows
   * @param cols The number of columns
   */
  RowMatrix(int rows, int cols) : Matrix<T>(rows, cols) {
    data_ = new T *[rows];
    for (int i = 0; i < rows; ++i) {
      data_[i] = &this->linear_[i * cols];
    }
  }

  /**
   * @return The number of rows in the matrix
   */
  auto GetRowCount() const -> int override { return this->rows_; }

  /**
   * @return The number of columns in the matrix
   */
  auto GetColumnCount() const -> int override { return this->cols_; }

  /**
   * Get the (i,j)th matrix element.
   *
   * Throw OUT_OF_RANGE if either index is out of range.
   *
   * @param i The row index
   * @param j The column index
   * @return The (i,j)th matrix element
   * @throws OUT_OF_RANGE if either index is out of range
   */
  auto GetElement(int i, int j) const -> T override {
    if (i < 0 || i >= GetRowCount() || j < 0 || j >= GetColumnCount()) {
      throw Exception(ExceptionType::OUT_OF_RANGE, "The index out of range");
    }

    return data_[i][j];
  }

  /**
   * Set the (i,j)th matrix element.
   *
   * Throw OUT_OF_RANGE if either index is out of range.
   *
   * @param i The row index
   * @param j The column index
   * @param val The value to insert
   * @throws OUT_OF_RANGE if either index is out of range
   */
  void SetElement(int i, int j, T val) override {
    if (i < 0 || i >= GetRowCount() || j < 0 || j >= GetColumnCount()) {
      throw Exception(ExceptionType::OUT_OF_RANGE, "The index out of range");
    }

    data_[i][j] = val;
  }

  /**
   * Fill the elements of the matrix from `source`.
   *
   * Throw OUT_OF_RANGE in the event that `source`
   * does not contain the required number of elements.
   *
   * @param source The source container
   * @throws OUT_OF_RANGE if `source` is incorrect size
   */
  void FillFrom(const std::vector<T> &source) override {
    if (static_cast<int>(source.size()) != GetRowCount() * GetColumnCount()) {
      throw Exception(ExceptionType::OUT_OF_RANGE, "The number of elements of `source` is different from matrix");
    }

    for (int i = 0; i < GetRowCount(); ++i) {
      for (int j = 0; j < GetColumnCount(); ++j) {
        data_[i][j] = source[i * GetColumnCount() + j];
      }
    }
  }

  /**
   * Destroy a RowMatrix instance.
   */
  ~RowMatrix() override { delete[] data_; }

 private:
  T **data_;
};

需要注意的是，在 RowMatrix 中访问基类部分的成员（非虚函数）时需要加上 this 指针，不然编译时会报错说找不到指定的成员。

RowMatrixOperations 类

实现该类的三个成员函数之前应该检查数据维度是否匹配，不匹配就返回空指针，否则开个循环遍历二维矩阵完成相关操作即可：

template <typename T>
class RowMatrixOperations {
 public:
  /**
   * Compute (`matrixA` + `matrixB`) and return the result.
   * Return `nullptr` if dimensions mismatch for input matrices.
   * @param matrixA Input matrix
   * @param matrixB Input matrix
   * @return The result of matrix addition
   */
  static auto Add(const RowMatrix<T> *matrixA, const RowMatrix<T> *matrixB) -> std::unique_ptr<RowMatrix<T>> {
    if (matrixA->GetRowCount() != matrixB->GetRowCount() || matrixA->GetColumnCount() != matrixB->GetColumnCount()) {
      return std::unique_ptr<RowMatrix<T>>(nullptr);
    }

    auto rows = matrixA->GetRowCount();
    auto cols = matrixA->GetColumnCount();
    auto matrix = std::make_unique<RowMatrix<T>>(rows, cols);
    for (int i = 0; i < rows; ++i) {
      for (int j = 0; j < cols; ++j) {
        matrix->SetElement(i, j, matrixA->GetElement(i, j) + matrixB->GetElement(i, j));
      }
    }

    return matrix;
  }

  /**
   * Compute the matrix multiplication (`matrixA` * `matrixB` and return the result.
   * Return `nullptr` if dimensions mismatch for input matrices.
   * @param matrixA Input matrix
   * @param matrixB Input matrix
   * @return The result of matrix multiplication
   */
  static auto Multiply(const RowMatrix<T> *matrixA, const RowMatrix<T> *matrixB) -> std::unique_ptr<RowMatrix<T>> {
    if (matrixA->GetColumnCount() != matrixB->GetRowCount()) {
      return std::unique_ptr<RowMatrix<T>>(nullptr);
    }

    auto rows = matrixA->GetRowCount();
    auto cols = matrixB->GetColumnCount();
    auto matrix = std::make_unique<RowMatrix<T>>(rows, cols);
    for (int i = 0; i < rows; ++i) {
      for (int j = 0; j < cols; ++j) {
        T sum = 0;
        for (int k = 0; k < matrixA->GetColumnCount(); ++k) {
          sum += matrixA->GetElement(i, k) * matrixB->GetElement(k, j);
        }
        matrix->SetElement(i, j, sum);
      }
    }

    return matrix;
  }

  /**
   * Simplified General Matrix Multiply operation. Compute (`matrixA` * `matrixB` + `matrixC`).
   * Return `nullptr` if dimensions mismatch for input matrices.
   * @param matrixA Input matrix
   * @param matrixB Input matrix
   * @param matrixC Input matrix
   * @return The result of general matrix multiply
   */
  static auto GEMM(const RowMatrix<T> *matrixA, const RowMatrix<T> *matrixB, const RowMatrix<T> *matrixC)
      -> std::unique_ptr<RowMatrix<T>> {
    if (matrixA->GetColumnCount() != matrixB->GetRowCount()) {
      return std::unique_ptr<RowMatrix<T>>(nullptr);
    }
    if (matrixA->GetRowCount() != matrixC->GetRowCount() || matrixB->GetColumnCount() != matrixC->GetColumnCount()) {
      return std::unique_ptr<RowMatrix<T>>(nullptr);
    }

    return Add(Multiply(matrixA, matrixB).get(), matrixC);
  }
};

测试

打开 test/primer/starter_test.cpp，将各个测试用例里面的 DISABLED_ 前缀移除，比如 TEST(StarterTest, DISABLED_SampleTest) 改为 TEST(StarterTest, SampleTest)，之后运行下述命令：

mkdir build
cd build
cmake ..
make starter_test
./test/starter_test

测试结果如下图所示：

总结

这次实验感觉比较简单，主要考察虚函数、模板和动态内存（包括智能指针）的知识，就是没搞明白为什么函数都用尾置返回类型，而且 Google 风格也让人很不习惯，缩进居然只有两格，函数居然开头大写。以上~~