Biblioteka STL Sebastian Deorowicz - sun.aei.polsl.plsun.aei.polsl.pl/~sdeor//students/stl/stl_w07.pdf · Standardowy język C++ nie udostępnia możliwości stosowania wyrażeń

Boost, Metaprogramowanie, Inne bibliotekiBiblioteka STL

Sebastian Deorowicz

Politechnika Śląska

2006–11-20

Sebastian Deorowicz (PŚl) Boost, Metaprogramowanie, Inne biblioteki 2006–11-20 1 / 38

Plan wykładu

1 Biblioteka Regex (Boost)

2 Biblioteka Graph (Boost)

3 MetaprogramowanieWprowadzenieCoś poważniejszegoInne podejście

4 Inne bibliotekiLEDABlitz++


Plan wykładu






Biblioteka regex (Boost)

Opis

Standardowy język C++ nie udostępnia możliwości stosowania wyrażeń regularnych

Biblioteka regex (należąca do bibliotek Boost) wypełnia tę lukę

Biblioteka dostępna jest na darmowej licencji

Czym się teraz zajmiemy?

Podobnie jak w przypadku innych bibliotek Boost, regex nie zostanie omówionaw całościCelem wykładu jest zaprezentowanie niektórych jej możliwości i zachęceniedo samodzielnego zgłębienia szczegółów — więcej informacji:

http://www.boost.org/libs/regex/doc/index.htmlB. Karlsson, Więcej niż C++. Wprowadzenie do bibliotek Boost, Helion, 2006


http://www.boost.org/libs/regex/doc/index.html

Biblioteka regex — wyrażenia regularne

Litery, cyfry, inne znaki1

Każdy symbol jest dopasowywany z takim samym z wyjątkiem znaków specjalnych:

. — dowolny znak

[ — definiuje zakresy symboli, np. [xyz] — dowolny z symboli xyz, [x-z] — to samo{ — definiuje liczbę powtórzeń:

{n} — poprzedni znak powinien wystąpić n razy{n,} — poprzedni znak powinien wystąpić co najmniej n razy{n,m} — poprzedni znak powinien wystąpić co najmniej n ale nie więcej niż m razy

(, ) — definiują podwyrażenie, które może być później używane w dalszym ciąguwyrażenia regularnego

* — poprzedni znak powinien wystąpić zero bądź więcej razy

+ — poprzedni znak powinien wystąpić raz bądź więcej razy

? — poprzedni znak powinien wystąpić zero raz bądź raz

| — alternatywa pomiędzy dwoma możliwościami

ˆ — początek wiersza

$ — koniec wiersza

1Wykaz obejmuje najważniejsze elementy wyrażeń regularnych, ale nie jest kompletnySebastian Deorowicz (PŚl) Boost, Metaprogramowanie, Inne biblioteki 2006–11-20 5 / 38

Biblioteka regex — przykład

Przykład

#include "stdafx.h"#include <boost/regex.hpp>#include <iostream>#include <string>using namespace std;using namespace boost;

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]) {string slowo("Alicja");regex reg("[a-zA-Z]+");regex reg_NIP("\\d{3}-\\d{3}-\\d{2}-\\d{2}");string NIP1("645-000-01-02");string NIP2("645-00-101-02");string NIP3("645-00-01-102");regex reg_NIP_alt("\\d{3}-(\\d{3}-\\d{2}-\\d{2}|\\d{2}-\\d{2}-\\d{3})");

cout << regex_match(slowo, reg) << endl; // 1cout << regex_match(NIP1, reg_NIP) << endl; // 1cout << regex_match(NIP2, reg_NIP) << endl; // 0cout << regex_match(NIP3, reg_NIP) << endl; // 0cout << regex_match(NIP1, reg_NIP_alt) << endl; // 1cout << regex_match(NIP2, reg_NIP_alt) << endl; // 0cout << regex_match(NIP3, reg_NIP_alt) << endl; // 1

}


Biblioteka regex

Wersje składni wyrażeń regularnych

Perl — domyślna

POSIX extended — kompatybilna z egrep i awk

POSIX basic — kompatybilna z grep i emacs

Wersje składni ciągów formatujących przy zastępowaniu znaków

Sed

Perl

Boost-Extended


Biblioteka regex — algorytmy

regex match

Sprawdza czy podany ciąg jest zgodny z wyrażeniem regularnym

Istnieje kilka przeciążonych wersji tej funkcji, np. ciąg może być typu string, możebyć określony iteratorami

regex search

Sprawdza czy w podanym ciągu występuje fragment dający się dopasowaćdo wyrażenia regularnego

regex replace

Wyszukuje w podanym ciągu wszystkie dopasowania podanego ciągu i zamienia jena podany ciąg



regex match



regex search


regex replace




regex match



regex search


regex replace




Przykład

#include "stdafx.h"#include <boost/regex.hpp>#include <iostream>#include <string>

using namespace std;using namespace boost;

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]) {string s("Ala ma kota, ale kot nie lubi Ali, za to lubi Asię");regex reg("(A)(l[a-zA-Z])", regex::perl);

s = regex_replace(s, reg, "O$2");cout << s << endl; // Ola ma kota, ale kot nie lubi Oli, za to lubi Asię}


Biblioteka regex — iteratory

Przykład

#include "stdafx.h"#include <algorithm>#include <boost/regex.hpp>#include <iostream>#include <string>

using namespace std;using namespace boost;

bool regex_callback(const boost::match_results<std::string::const_iterator>& x) {cout << x[0].str() << endl;return true;

}

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]) {string s("Firma usługowa 652-050-15-51\n652 Kowalski i spółka 625-15-54-505 (0-32)282-05-65");regex reg_NIP("\\d{3}-(\\d{3}-\\d{2}-\\d{2}|\\d{2}-\\d{2}-\\d{3})");

sregex_iterator p(s.begin(), s.end(), reg_NIP);sregex_iterator end;

for_each(p, end, &regex_callback); // 652-050-15-51 625-15-54-505}


Plan wykładu






Biblioteka graph

Możliwości

Reprezentacja grafów w pamięci komputeraSpora biblioteka gotowych algorytmów takich jak np.

algorytm Dijkstryalgorytm Floyda–Warshallaalgorytm Kruskalaprzeszukiwanie grafu wszerz i w głąbkolorowanie grafu

Nieco trudniejsza w użyciu za to wydajnie zaimplementowana


Biblioteka graph (cz.1)2

#include "stdafx.h"

#include <iostream>#include <cstdio>#include <boost/graph/adjacency_list.hpp>#include <boost/graph/breadth_first_search.hpp>#include <boost/pending/integer_range.hpp>#include <boost/pending/indirect_cmp.hpp>

using namespace boost;

template <typename TimeMap> class bfs_time_visitor:public default_bfs_visitor {typedef typename property_traits<TimeMap>::value_type T;

public:bfs_time_visitor(TimeMap tmap, T & t):m_timemap(tmap), m_time(t) { }template <typename Vertex, typename Graph>

void discover_vertex(Vertex u, const Graph & g) const{

put(m_timemap, u, m_time++);}TimeMap m_timemap;T & m_time;

};

2Przykład z http://www.boost.org/libs/graph/example/bfs-example.cppSebastian Deorowicz (PŚl) Boost, Metaprogramowanie, Inne biblioteki 2006–11-20 13 / 38

http://www.boost.org/libs/graph/example/bfs-example.cpp

Biblioteka graph (cz.2)

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]) {// Select the graph type we wish to usetypedef adjacency_list<vecS, vecS, undirectedS> graph_t;// Set up the vertex IDs and namesenum {r, s, t, u, v, w, x, y, N};const char *name = "rstuvwxy";// Specify the edges in the graphtypedef std::pair < int, int >E;E edge_array[] = { E(r, s), E(r, v), E(s, w), E(w, r), E(w, t),

E(w, x), E(x, t), E(t, u), E(x, y), E(u, y)};// Create the graph objectconst int n_edges = sizeof(edge_array) / sizeof(E);typedef graph_traits<graph_t>::vertices_size_type v_size_t;graph_t g(edge_array, edge_array + n_edges, v_size_t(N));

// Typedefstypedef graph_traits<graph_t>::vertex_descriptor Vertex;typedef graph_traits<graph_t>::vertices_size_type Size;typedef Size* Iiter;

// a vector to hold the discover time property for each vertexstd::vector<Size> dtime(num_vertices(g));

Size time = 0;bfs_time_visitor<Size*>vis(&dtime[0], time);breadth_first_search(g, vertex(s, g), visitor(vis));

// Use std::sort to order the vertices by their discover timestd::vector<graph_traits<graph_t>::vertices_size_type > discover_order(N);integer_range < int >range(0, N);std::copy(range.begin(), range.end(), discover_order.begin());std::sort(discover_order.begin(), discover_order.end(), indirect_cmp<Iiter, std::less<Size> >(&dtime[0]));

std::cout << "order of discovery: ";for (int i = 0; i < N; ++i)

std::cout << name[discover_order[i]] << " ";std::cout << std::endl;

}Sebastian Deorowicz (PŚl) Boost, Metaprogramowanie, Inne biblioteki 2006–11-20 14 / 38

Plan wykładu






Metaprogramowanie

Czym jest metaprogramowanie?

Tworzenie programów wykonywanych w czasie kompilacji

Metaprogram modyfikuje kod programu

Polecana literatura

D. Vandevoorde, N. Josuttis, C++. Szablony. Vademecum profesjonalisty, Helion,2003.

D. Abrahams, A. Gurtovoy, Język C++. Metaprogramowanie za pomocą szablonów,Helion, 2005.


Metaprogramowanie

Czym jest metaprogramowanie?

Tworzenie programów wykonywanych w czasie kompilacji

Metaprogram modyfikuje kod programu

Polecana literatura

D. Vandevoorde, N. Josuttis, C++. Szablony. Vademecum profesjonalisty, Helion,2003.

D. Abrahams, A. Gurtovoy, Język C++. Metaprogramowanie za pomocą szablonów,Helion, 2005.


Metaprogramowanie (przykłady) — silnia

Przykład

unsigned factorial_fun(unsigned n) {int r;for(r = 1; n > 0; n--)

r *= n;return r;

}

...

cout << factorial_fun(5) << endl; // 120

Opis

Funkcja wykonywana jest w trakcie działania programu

Złożoność liniowa względem parametru


Metaprogramowanie (przykłady) — silnia

Przykład

template<unsigned N> inline unsigned factorial(void) {return factorial<N-1>() * N;

}

template<> inline unsigned factorial<0>(void) {return 1;

}

...

cout << factorial<5>() << endl; // 120cout << factorial<10>() << endl; // 3628800

Opis

Metafunkcja wykonywana jest w trakcie kompilacji

W czasie działania programu podstawiany jest tylko konkretny wynik — złożonośćstała


Programowanie a metaprogramowanie

Funkcja

Jest obliczana w trakcie działaniaprogramu

Może być wywoływanaz parametrem znanym dopierow czasie działania programu

Zajmuje niewiele miejsca w kodzie

Metafunkcja

Jest obliczana w trakcie kompilacjiprogramu — w trakcie działaniaprogramu „wywołanie” sprowadzasię do podstawienia wyniku

Może być „wywoływana” tylkoz parametrem znanym w czasiekompilacji

Muszą istnieć specjalizacjedla wszystkich wartościparametrów użytych w programie


Metaprogramowanie

Jak przerabiać kod na metakod?

Do dyspozycji mamy wzorce

Parametrami nie-typami wzorca mogą być tylko liczby całkowite

Metaprogramowanie za pomocą wzorców bazuje na rekurencji — algorytm musi być(albo musi się dać przerobić na) rekurencyjny

Problem

Wzorce funkcji nie mogą być specjalizowane tylko częściowo — nie był to problemdla funkcji silnia, ale już przy potęgowaniu tak łatwo się nie da

Rozwiązanie

Wzorce klas mogą być specjalizowane częściowo — trzeba przejść z funkcji na klasy


Metaprogramowanie





Problem


Rozwiązanie



Metaprogramowanie





Problem


Rozwiązanie



Metaprogramowanie (przykłady) — potęgowanie

Przykład

template<unsigned X, unsigned Y> struct power {static unsigned const value = X * power<X,Y-1>::value;

};template<unsigned X> struct power<X, 0> {

static unsigned const value = 1;};

...

cout << power<2,5>::value << endl;cout << power<5,4>::value << endl;

Co się tu dzieje?

Klasa nie może zwracać wyniku, ale może mieć pola statyczne

Pola te istnieją niezależnie od tego czy mamy obiekty klas

Klasa jest tzw. otoczką zmiennej



Czy jest ono kosztowne?

W czasie wykonywania wiele nas nie kosztuje

W czasie kompilacji dla potęgi trzeba wyznaczyć stworzyć konkretyzacje wszystkichniższych potęg

To samo można jednak zrobić nieco lepiej

Przykład

template<unsigned X, unsigned Y> struct power2 {static unsigned const value = power2<X,Y/2>::value * power2<X,(Y-Y/2)>::value;

};

template<unsigned X> struct power2<X, 1> {static unsigned const value = X;

};

template<unsigned X> struct power2<X, 0> {static unsigned const value = 1;

};

...cout << power<2,5>::value << endl;cout << power<5,4>::value << endl;



Czy jest ono kosztowne?

W czasie wykonywania wiele nas nie kosztuje

W czasie kompilacji dla potęgi trzeba wyznaczyć stworzyć konkretyzacje wszystkichniższych potęg

To samo można jednak zrobić nieco lepiej

Przykład

template<unsigned X, unsigned Y> struct power2 {static unsigned const value = power2<X,Y/2>::value * power2<X,(Y-Y/2)>::value;

};

template<unsigned X> struct power2<X, 1> {static unsigned const value = X;

};

template<unsigned X> struct power2<X, 0> {static unsigned const value = 1;

};

...cout << power<2,5>::value << endl;cout << power<5,4>::value << endl;


Metaprogramowanie

Inny problem

Spróbujmy obliczać wartości współczynników dwumianowych

Zrobimy to na podstawie trójkąta Pascala, tj. wykorzystamy zależność:(nk

)=

(n − 1k − 1

)+

(n − 1k

)


Metaprogramowanie — współczynniki dwumianowe (metaprogram)

Przykład

template<unsigned N, unsigned K> struct slow_binomial {static unsigned const value = slow_binomial<N-1,K-1>::value + slow_binomial<N-1,K>::value;

};

template<unsigned N> struct slow_binomial<N, 0> {static unsigned const value = 1;

};

template<unsigned N> struct slow_binomial<N, N> {static unsigned const value = 1;

};

template<> struct slow_binomial<0, 0> {static unsigned const value = 1;

};

...

cout << slow_binomial<10,5>::value << endl;


Metaprogramowanie — współczynniki dwumianowe

Czy to dużo kosztuje?

Trzeba wykonać O(nk) konkretyzacji — bo obliczenie wykonywane jest za pomocątrójkąta Pascala

Czy można lepiej?

Oczywiście — wystarczy liczyć współczynnik ze wzoru:

n!k!(n − k)! =

n(n − 1) · · · (k + 1)(n − k)(n − k − 1) · · · 1

Dzięki temu potrzebnych będzie tylko O(n) specjalizacji


Metaprogramowanie — współczynniki dwumianowe (wersja 2)

Przykład

template<unsigned N, unsigned K> struct partial_factorial {static unsigned const value = N * partial_factorial<N-1,K>::value;

};

template<unsigned N> struct partial_factorial<N,N> {static unsigned const value = 1;

};

template<unsigned N, unsigned K> struct fast_binomial {static unsigned const value = partial_factorial<N,K>::value / partial_factorial<N-K,0>::value;

};

...

cout << fast_binomial<10,5>::value << endl;


Metaprogramowanie — współczynniki dwumianowe

Porównanie wersji

Wersja 1 generuje dużo więcej kodu niż wersja 2

Wersja 2 może dawać błędne wyniki nawet jeśli wynik jest w zakresie int, bo wynikicząstkowe (w liczniku i w mianowniku) mogą przekroczyć zakres

Wersja 1 da poprawny wynik końcowy jeśli tylko mieści się on w zakresie int


Metaprogramowanie

Opis

Do tej pory tworzyliśmy metafunkcje w pełni obliczane w czasie kompilacji

Możliwe jest jednak też tworzenie metafunkcji tylko częściowo obliczanych w czasiekompilacji — ich parametrami są wartości znane dopiero w czasie wykonywaniaprogramu

Takie metafunkcje sprowadzają się więc w zasadzie do wygenerowania efektywnegokodu na podstawie znanych niektórych parametrów problemu

Problem

Zabierzmy się za sortowanie

Istnieje wiele algorytmów sortowania, ale wybierzemy sortowanie przez prostewstawianie, ponieważ dla małych danych jest ono bardzo wydajne — wydajniejszeniż sortowanie szybkie


Metaprogramowanie — sortowanie przez wstawianie

Przykład

void insertion_sort(int *A, int n){

for(int i = 1; i < n; i++) {int x = A[i];int j;for(j = i-1; j >= 0 && A[j] > x; j--)

A[j+1] = A[j];A[j+1] = x;

}}

Problem

Brak rekurencji, więc trzeba ten kod najpierw przerobić — na szczęście pętle siębardzo łatwo przerabia


Metaprogramowanie — sortowanie przez wstawianie

Przykład

int inline inner_loop(int *A, const int n, const int x) {if(n >= 0) {

if(A[n] > x) {A[n+1] = A[n];return inner_loop(A, n-1, x);

}else

return n;}return -1;

}

void insertion_sort2(int *A, int n) {for(int i = 1; i < n; i++) {

int x = A[i];int j = inner_loop(A, i-1, x);A[j+1] = x;

}}

Co teraz?

Teraz przejdziemy na metaprogram, w którym rozmiar tablicy będzie parametremwzorca

Dane do sortowania będą parametrem funkcji


Metaprogramowanie — sortowanie przez wstawianie (wersja 1)

Przykład

template<int N> int inline inner_loop(int *A, const int x) {if(A[N] > x) {

A[N+1] = A[N];return inner_loop<N-1>(A, x);

}else

return N;}

template<> int inline inner_loop<-1>(int *A, const int x) {return -1;

}

template<int N> void inline insertion_sort(int *A) {insertion_sort<N-1>(A);int x = A[N-1];A[inner_loop<N-2>(A, x)+1] = x;

}

template<> void inline insertion_sort<0>(int *A){}

template<> void inline insertion_sort<1>(int *A){}


Metaprogramowanie — sortowanie przez wstawianie (wersja 2)

Przykład

template<int N> inline void inner_loop(int *A) {if(A[N] < A[N-1]) {

std::swap(A[N], A[N-1]);inner_loop<N-1>(A);

}};

template<> inline void inner_loop<0>(int *A){};

template<int N> inline void insertion_sort(int *A) {insertion_sort<N-1>(A);inner_loop<N-1>(A);

};

template<> inline void insertion_sort<0>(int *A){};

template<> inline void insertion_sort<1>(int *A){};


Metaprogramowanie — testy porównawcze

N = 10

funkcja — 10.9ns

metafunkcja (1) — 4.7ns


sort. szybkie — 20.0ns

std::sort — 17.0ns

N = 16

funkcja — 25.7ns



sort. szybkie — 34.6ns

std::sort — 30.3ns


Metaprogramowanie — Biblioteka MPL

Czym jest?

Ogólna biblioteka wspomagająca metaprogramowanie

Część Boost

Zawiera sekwencje, iteratory, algorytmy (podobne do tych z STL) czasu kompilacji


Plan wykładu






LEDA

Czym jest LEDA?

Zaawansowana biblioteka struktur danych i algorytmów

URL: www.leda.org

Zalety

Bardzo duża liczba gotowych struktur danych i algorytmów

Duża wygoda użytkowania

Wady

Wysoka cena: kilka (kilkanaście) tysięcy Euro w zależności od wersji


www.leda.org

Blitz++

Czym jest Blitz++?3

Biblioteka specjalizowana dla obliczeń naukowych

Dostępna na licencji GNU GPL

3WWW: http://www.oonumerics.org/blitz/Sebastian Deorowicz (PŚl) Boost, Metaprogramowanie, Inne biblioteki 2006–11-20 37 / 38

http://www.oonumerics.org/blitz/

Co za tydzień?

Spotykamy się o 12:15 w sali 732 w celu omówienia tematów projektów


Documents

Biblioteka STL Sebastian Deorowicz - sun.aei.polsl.plsun.aei.polsl.pl/~sdeor//students/stl/stl_w07.pdf · Standardowy język C++ nie udostępnia możliwości stosowania wyrażeń