【C++】Boost multi_arrayで効率的に扱う多次元配列の作成と操作方法
Boostのmulti_arrayを使うとC++で効率的に多次元配列を扱えます。
boost::extentsで次元ごとのサイズを指定し、ネストしたベクターよりも連続メモリを高速に確保できます。
さらにarray_viewを使えば部分的なスライス操作も手軽にできます。
インクルードと名前空間
必要なヘッダファイル
Boostのmulti_arrayを使うためには、まず必要なヘッダファイルをインクルードします。
最も基本的なものは<boost/multi_array.hpp>です。
このヘッダには、多次元配列を定義し操作するためのクラスや関数が含まれています。
#include <boost/multi_array.hpp>また、配列の内容を出力したり操作したりするために、標準出力を行う<iostream>も併せてインクルードします。
#include <iostream>これらのヘッダファイルをインクルードすることで、Boostのmulti_arrayを利用した多次元配列の作成や操作が可能となります。
namespace指定
Boostライブラリの多くのコンポーネントはboost名前空間に属しています。
multi_arrayも例外ではなく、boost名前空間内に定義されています。
コード内でboost::multi_arrayを使う場合は、次のように名前空間を明示します。
boost::multi_array<int, 3> myArray;また、頻繁にboost名前空間のクラスや関数を使う場合は、次のようにusingディレクティブを用いて名前空間を省略することも可能です。
using namespace boost;ただし、名前空間の汚染を避けるために、必要な部分だけをusing宣言で取り込むのが一般的です。
using boost::multi_array;
using boost::extents;このようにしておくと、コードの可読性も向上し、boost::を毎回書く手間も省けます。
多次元配列の定義
型エイリアス(array_type)
Boostのmulti_arrayを使った多次元配列の定義では、型エイリアスを用いることでコードの可読性と保守性を向上させることが一般的です。
例えば、3次元の整数型配列を定義する場合、次のようにします。
typedef boost::multi_array<int, 3> array_type;このarray_typeは、boost::multi_array<int, 3>の別名となり、以降のコード内で何度も繰り返し書く必要がなくなります。
これにより、配列の次元や型を変更したい場合も、エイリアスの定義部分だけを修正すれば済むため、コードの柔軟性が高まります。
また、C++11以降ではusingキーワードを使って次のように書くことも可能です。
using array_type = boost::multi_array<int, 3>;このエイリアス定義は、typedefと同じ役割を果たし、よりモダンな書き方として推奨されます。
boost::extentsによるサイズ指定
多次元配列のサイズを指定するには、boost::extentsを使います。
extentsは、配列の各次元の大きさを表すオブジェクトであり、次のようにして作成します。
boost::extents extents_size(2, 3, 4);この例では、3次元配列の各次元のサイズをそれぞれ2、3、4と設定しています。
extentsは、コンストラクタに次元ごとのサイズを引数として渡すことで作成されます。
このextentsを使って、多次元配列のインスタンスを生成します。
array_type myArray(extents_size);また、boost::extentsは、配列のサイズを動的に変更したい場合や、範囲を指定した部分配列を作成したい場合にも柔軟に対応できるため、多次元配列の管理において非常に便利です。
さらに、boost::extentsは複数の次元のサイズを一度に指定できるため、次のように書くことも可能です。
boost::extents extents_size(2, 3, 4);これにより、3次元配列の各次元の大きさを一括で設定でき、コードの見通しも良くなります。
要素へのアクセス方法
operator[]による参照
Boostのmulti_arrayでは、多次元配列の要素にアクセスするためにoperator[]を使用します。
これは、配列の次元ごとにインデックスを指定してアクセスする方法です。
例えば、3次元配列myArrayに対して、要素A[i][j][k]にアクセスしたい場合は、次のように書きます。
myArray[i][j][k]このとき、operator[]は最初の次元のインデックスに対応し、その結果は次の次元の配列または要素となります。
したがって、A[i]は2次元配列を返し、その後の[j]や[k]を使ってさらに深くアクセスします。
具体的な例を示すと、次のようになります。
#include <boost/multi_array.hpp>
#include <iostream>
int main() {
// 3次元配列の型を定義
typedef boost::multi_array<int, 3> array_type;
// サイズ2×3×4の配列を作成
array_type myArray(boost::extents[2][3][4]);
// 要素に値を代入
myArray[1][2][3] = 42;
// 要素の値を出力
std::cout << "myArray[1][2][3] = " << myArray[1][2][3] << std::endl;
return 0;
}int*: true
const int*: false
int: falseこの例では、myArray[1][2][3]に直接アクセスし、値を設定・取得しています。
atの自作による境界チェック
operator[]は範囲外のインデックスを指定した場合でも未定義動作となり、プログラムのクラッシュや予期しない動作を引き起こす可能性があります。
また、Boostにはat()メソッドが存在しないため、std::vectorのようなat()メソッドを使いたい場合、範囲チェックを行い、安全に要素にアクセスできる関数を自作する必要があります。
at()は、次のように記述できます。
// 独自 at() 関数（ラムダ）を用意し、範囲外アクセス時には例外を投げる
auto at = [&myArray](std::size_t i, std::size_t j, std::size_t k) -> int& {
// shape() で各次元の要素数を取得
if (i >= myArray.shape()[0] || j >= myArray.shape()[1] ||
k >= myArray.shape()[2]) {
throw std::out_of_range("インデックスが範囲外です");
}
return myArray[i][j][k]; // operator[] でアクセス
};この形式では、各次元ごとにat()を呼び出し、範囲外のインデックスを指定した場合は例外std::out_of_rangeがスローされます。
具体的な使用例を示します。
#include <boost/multi_array.hpp>
#include <iostream>
#include <stdexcept>
int main() {
// 3 次元配列を定義（サイズは 2×3×4）
typedef boost::multi_array<int, 3> array_type;
array_type myArray(boost::extents[2][3][4]);
// 独自 at() 関数（ラムダ）を用意し、範囲外アクセス時には例外を投げる
auto at = [&myArray](std::size_t i, std::size_t j, std::size_t k) -> int& {
// shape() で各次元の要素数を取得
if (i >= myArray.shape()[0] || j >= myArray.shape()[1] ||
k >= myArray.shape()[2]) {
throw std::out_of_range("インデックスが範囲外です");
}
return myArray[i][j][k]; // operator[] でアクセス
};
try {
// 正常なアクセス
at(1, 2, 3) = 99;
std::cout << "値: " << at(1, 2, 3) << std::endl;
// 範囲外アクセス例（例外がスローされる）
at(3, 0, 0) = 100;
} catch (const std::out_of_range& e) {
std::cerr << "エラー: " << e.what() << std::endl;
}
return 0;
}
この例では、自作したat()を使うことで範囲外アクセス時に例外をキャッチし、エラー処理を行うことが可能です。
operator[]と比べて安全性が高いため、境界条件を厳密に管理したい場合に適しています。
要素の初期化と走査
ネストしたforループ
多次元配列の要素にアクセスしたり、値を設定したりする際には、ネストしたforループを使うのが一般的です。
各次元ごとにループを入れ子にして、全ての要素を順に処理します。
例えば、3次元配列myArrayに対して、すべての要素に連番の値を代入する例を示します。
#include <boost/multi_array.hpp>
#include <iostream>
int main() {
typedef boost::multi_array<int, 3> array_type;
array_type myArray(boost::extents[2][3][4]);
int value = 0;
for (int i = 0; i < 2; ++i) {
for (int j = 0; j < 3; ++j) {
for (int k = 0; k < 4; ++k) {
myArray[i][j][k] = value++;
}
}
}
// 配列の内容を出力
for (int i = 0; i < 2; ++i) {
for (int j = 0; j < 3; ++j) {
for (int k = 0; k < 4; ++k) {
std::cout << "myArray[" << i << "][" << j << "][" << k << "] = " << myArray[i][j][k] << std::endl;
}
}
}
return 0;
}myArray[0][0][0] = 0
myArray[0][0][1] = 1
myArray[0][0][2] = 2
myArray[0][0][3] = 3
myArray[0][1][0] = 4
myArray[0][1][1] = 5
myArray[0][1][2] = 6
myArray[0][1][3] = 7
...この例では、最も外側のループが第1次元、次のループが第2次元、その次が第3次元のインデックスを制御しています。
これにより、全ての要素に順次値を設定し、最後に全要素を出力しています。
range-based for
C++11以降では、range-based forループを使って、多次元配列の要素を簡潔に走査できます。
ただし、Boostのmulti_arrayは多次元のビューやネストされた配列を返すため、すべての次元の要素に直接アクセスするには少し工夫が必要です。
range-based forを使った例を示します。
#include <boost/multi_array.hpp>
#include <iostream>
int main() {
// 3次元配列を定義 (2×3×4)
typedef boost::multi_array<int, 3> array_type;
array_type myArray(boost::extents[2][3][4]);
// すべての要素に値を設定
int value = 0;
// sub_array2d は「値渡し」または「auto&&」で受けることで
// rvalue proxy とのバウンディングエラーを回避
for (auto&& sub_array2d : myArray) {
for (auto&& sub_array1d : sub_array2d) {
for (auto& element : sub_array1d) {
element = value++;
}
}
}
// すべての要素を出力
for (auto&& sub_array2d : myArray) {
for (auto&& sub_array1d : sub_array2d) {
for (auto&& element : sub_array1d) {
std::cout << element << " ";
}
std::cout << std::endl;
}
std::cout << "-----" << std::endl;
}
return 0;
}
0 1 2 3
4 5 6 7
8 9 10 11
-----
12 13 14 15
16 17 18 19
20 21 22 23
-----この例では、auto&を使って各次元のビューにアクセスし、最終的に要素に直接アクセスしています。
range-based forはコードを簡潔にし、可読性を向上させるため、特に多次元配列の全要素を走査する場合に便利です。
ただし、range-based forを使う場合は、配列の次元ごとにループをネストする必要があり、配列の構造を理解しておく必要があります。
これにより、コードの見通しも良くなります。
部分的なスライス取得
index_rangeとindex_gen
Boostのmulti_arrayでは、配列の一部をビューとして取り出すためにindex_rangeとindex_genを使用します。
これらは、特定の範囲を指定して配列の一部を抽出し、操作や表示を行う際に非常に便利です。
index_rangeは、範囲を表すクラスで、開始インデックスと終了インデックスを指定します。
例えば、range(1, 3)はインデックス1から2までの範囲を表します(終了インデックスは非含)。
これにより、配列の一部を柔軟に選択できます。
#include <boost/multi_array.hpp>
#include <iostream>
int main() {
// 3次元配列を 3×4×5 のサイズで定義
typedef boost::multi_array<int, 3> array_type;
array_type myArray(boost::extents[3][4][5]);
// 配列に連番の値を設定
int count = 0;
for (int i = 0; i < 3; ++i) {
for (int j = 0; j < 4; ++j) {
for (int k = 0; k < 5; ++k) {
myArray[i][j][k] = count++;
}
}
}
// スライス用の型エイリアス
typedef boost::multi_array_types::index_range range;
typedef boost::multi_array_types::index_gen gen;
gen indices;
// i: [0,3), j: [1,3), k: [2,4) のサブ配列を取得
auto sub_array = myArray[indices[range(0, 3)][range(1, 3)][range(2, 4)]];
// サブ配列を 2次元ごとに出力
for (auto&& slice2d : sub_array) {
for (auto&& row : slice2d) {
for (auto&& val : row) {
std::cout << val << " ";
}
std::cout << std::endl;
}
std::cout << "-----" << std::endl;
}
return 0;
}
7 8
12 13
-----
27 28
32 33
-----
47 48
52 53
-----この例では、index_rangeとindex_genを使って、3次元配列の一部を抽出しています。
範囲を指定することで、配列の一部だけを操作したり、表示したりできるため、大きな配列の一部だけを効率的に扱いたい場合に役立ちます。
array_viewの利用例
array_viewは、配列の一部をビューとして扱うためのクラスです。
これにより、配列のコピーを作成せずに部分配列を操作でき、メモリ効率も良くなります。
次の例では、3次元配列の一部をarray_viewとして取得し、その内容を表示します。
#include <boost/multi_array.hpp>
#include <boost/multi_array/types.hpp>
#include <iostream>
int main() {
// 3次元配列を 3×4×5 のサイズで定義
typedef boost::multi_array<int, 3> array_type;
array_type myArray(boost::extents[3][4][5]);
// 配列に連番の値を設定
int count = 0;
for (int i = 0; i < 3; ++i) {
for (int j = 0; j < 4; ++j) {
for (int k = 0; k < 5; ++k) {
myArray[i][j][k] = count++;
}
}
}
// スライス用の型エイリアス
typedef boost::multi_array_types::index_range range;
typedef boost::multi_array_types::index_gen gen;
gen indices;
// array_view 型のエイリアス
typedef array_type::array_view<3>::type view_type;
// i: [0,3), j: [1,3), k: [2,4) のサブビューを取得
view_type sub_view = myArray[
indices[ range(0,3) ] // 0～2
[ range(1,3) ] // 1～2
[ range(2,4) ] // 2～3
];
// ビューの形状を出力
std::cout << "sub_view.dimensions(): ("
<< sub_view.shape()[0] << ", "
<< sub_view.shape()[1] << ", "
<< sub_view.shape()[2] << ")\n";
// サブビューの内容を 2次元ごとに出力
for (size_t i = 0; i < sub_view.shape()[0]; ++i) {
std::cout << "Slice " << i << ":\n";
for (size_t j = 0; j < sub_view.shape()[1]; ++j) {
for (size_t k = 0; k < sub_view.shape()[2]; ++k) {
std::cout << sub_view[i][j][k] << " ";
}
std::cout << std::endl;
}
std::cout << "-----\n";
}
// ビューを通じて元配列を変更
sub_view[0][0][0] = 999;
std::cout << "\n元配列 [0][1][2] の値: " << myArray[0][1][2] << std::endl;
return 0;
}
sub_view.dimensions(): (3, 2, 2)
Slice 0:
7 8
12 13
-----
Slice 1:
27 28
32 33
-----
Slice 2:
47 48
52 53
-----
元配列 [0][1][2] の値: 999この例では、sub_arrayを使って、元の配列の一部をarray_viewとして取得しています。
array_viewは、実際のデータをコピーせずに部分配列を参照できるため、大きな配列の一部だけを効率的に操作したい場合に非常に便利です。
また、array_viewは範囲の変更や部分配列の操作もサポートしており、柔軟なデータ操作が可能です。
コピーと代入
代入演算子を使った複製
Boostのmulti_arrayは、代入演算子を使うことで複製(ディープコピー)することができます。
これを使うと、元の配列とまったく独立した新しい配列を作成でき、片方の変更がもう片方に影響しない状態を実現します。
multi_arrayの複製やり方は次の通りです。
#include <boost/multi_array.hpp>
#include <iostream>
int main() {
typedef boost::multi_array<int, 2> array_type;
// 元の配列を作成し、値を設定
array_type original(boost::extents[3][3]);
int value = 1;
for (int i = 0; i < 3; ++i)
for (int j = 0; j < 3; ++j) original[i][j] = value++;
// コピー先の配列を作成
array_type copy(boost::extents[3][3]);
// 代入演算子で deep copy
copy = original;
// コピーした配列の内容を出力
std::cout << "コピー後の配列:" << std::endl;
for (int i = 0; i < 3; ++i) {
for (int j = 0; j < 3; ++j) {
std::cout << copy[i][j] << " ";
}
std::cout << std::endl;
}
// 元の配列を変更
original[0][0] = 999;
// コピー配列は変更されていないことを確認
std::cout << "元の配列変更後:" << std::endl;
for (int i = 0; i < 3; ++i) {
for (int j = 0; j < 3; ++j) {
std::cout << original[i][j] << " ";
}
std::cout << std::endl;
}
std::cout << "コピー配列は変更されていません:" << std::endl;
for (int i = 0; i < 3; ++i) {
for (int j = 0; j < 3; ++j) {
std::cout << copy[i][j] << " ";
}
std::cout << std::endl;
}
return 0;
}
コピー後の配列:
1 2 3
4 5 6
7 8 9
元の配列変更後:
999 2 3
4 5 6
7 8 9
コピー配列は変更されていません:
1 2 3
4 5 6
7 8 9この例では、=を使ってoriginal配列の内容をcopyに複製しています。
originalの値を変更しても、copyには影響しません。
これにより、配列の複製を安全に行うことができ、データの独立性を保つことが可能です。
std::copyとの組み合わせ
deep_copyの代わりに、標準ライブラリのstd::copyを使って配列の内容をコピーすることも可能です。
ただし、std::copyは一次元の範囲に対してのみ有効であり、多次元配列の全要素を一度にコピーするには、配列のデータが連続している必要があります。
Boostのmulti_arrayは、データが連続したメモリに格納されているため、std::copyを使って全要素をコピーできます。
次の例では、std::copyを使った配列の複製方法を示します。
#include <boost/multi_array.hpp>
#include <algorithm>
#include <iostream>
int main() {
typedef boost::multi_array<int, 2> array_type;
// 元の配列を作成し、値を設定
array_type original(boost::extents[3][3]);
int value = 1;
for (int i = 0; i < 3; ++i)
for (int j = 0; j < 3; ++j)
original[i][j] = value++;
// コピー先の配列を作成
array_type copy(boost::extents[3][3]);
// 配列のデータは連続しているため、begin()とend()を使って全要素をコピー
std::copy(original.data(), original.data() + original.num_elements(), copy.data());
// コピーした配列の内容を出力
std::cout << "コピー後の配列:" << std::endl;
for (int i = 0; i < 3; ++i) {
for (int j = 0; j < 3; ++j) {
std::cout << copy[i][j] << " ";
}
std::cout << std::endl;
}
// 元の配列を変更
original[0][0] = 999;
// 変更後の内容を確認
std::cout << "元の配列変更後:" << std::endl;
for (int i = 0; i < 3; ++i) {
for (int j = 0; j < 3; ++j) {
std::cout << original[i][j] << " ";
}
std::cout << std::endl;
}
std::cout << "コピー配列は変更されていません:" << std::endl;
for (int i = 0; i < 3; ++i) {
for (int j = 0; j < 3; ++j) {
std::cout << copy[i][j] << " ";
}
std::cout << std::endl;
}
return 0;
}コピー後の配列:
1 2 3
4 5 6
7 8 9
元の配列変更後:
999 2 3
4 5 6
7 8 9
コピー配列は変更されていません:
1 2 3
4 5 6
7 8 9この例では、original.data()とoriginal.num_elements()を使って、配列の全要素を一括でコピーしています。
data()は配列の先頭要素のポインタを返し、num_elements()は要素数を返すため、これらをstd::copyに渡すことで、配列全体を効率的にコピーできます。
ただし、std::copyは配列のデータが連続している場合にのみ正しく動作します。
multi_arrayのデータは基本的に連続しているため、多次元配列の全要素のコピーに適しています。
メモリレイアウトと効率化
連続メモリレイアウトの利点
Boostのmulti_arrayは、多次元配列のデータを連続したメモリ空間に格納します。
これにより、データのアクセス効率が大幅に向上し、キャッシュの局所性を最大限に活かすことが可能です。
連続メモリレイアウトの最大の利点は、次の通りです。
- 高速なアクセス：配列の全要素が連続したメモリに格納されているため、
data()メソッドを使って一括でアクセスでき、ループ処理やstd::copyなどの標準アルゴリズムと組み合わせると非常に高速です - キャッシュ効率の向上：データが連続しているため、CPUキャッシュの効率的な利用が可能となり、メモリ遅延を低減します
- 外部ライブラリとの互換性：多くの数値計算ライブラリやGPU向けの処理は、連続したメモリを前提としているため、Boostの
multi_arrayのデータを直接渡すことが容易です
ただし、次元が増えると、実際のメモリレイアウトは次元ごとのストライド(stride)によって決まるため、次にその考え方について解説します。
strideの考え方
strideは、多次元配列において、ある次元のインデックスを増やしたときに、メモリ上のアドレスが何バイト分ずれるかを示す値です。
これにより、多次元配列の各次元のデータがどのようにメモリに配置されているかを理解できます。
Boostのmulti_arrayでは、次のようにしてストライドを取得できます。
#include <boost/multi_array.hpp>
#include <iostream>
int main() {
typedef boost::multi_array<int, 3> array_type;
array_type myArray(boost::extents[4][3][2]);
// 配列のストライドを取得
auto strides = myArray.strides();
std::cout << "ストライド(第1次元): " << strides[0] << std::endl;
std::cout << "ストライド(第2次元): " << strides[1] << std::endl;
std::cout << "ストライド(第3次元): " << strides[2] << std::endl;
return 0;
}ストライド(第1次元): 6
ストライド(第2次元): 2
ストライド(第3次元): 1この例では、strides()メソッドを使って、各次元のストライドを取得しています。
例えば、次元のサイズが[4][3][2]の場合、配列のメモリ配置は次のようになります。
- 最も内側の次元(第3次元)は、連続して格納されているため、ストライドは1
- 次の次元(第2次元)は、内側の次元のサイズにストライドを掛けた値となります
- 最外の次元(第1次元)は、内側の次元の合計ストライドに次元のサイズを掛けた値となります
ストライドの理解は、部分配列のビューを作成したり、データの並びを最適化したりする際に重要です。
特に、非連続なメモリ配置や、ストライドを考慮した高速なデータ処理を行う場合に役立ちます。
高次元データの取り扱い
4次元以上の配列作成
Boostのmulti_arrayは、次元数をテンプレートパラメータとして指定することで、多次元配列を作成できます。
4次元以上の配列も同様に定義可能であり、次のようにして作成します。
#include <boost/multi_array.hpp>
#include <iostream>
int main() {
// 4次元配列の型を定義
typedef boost::multi_array<int, 4> array_type;
// extents マクロでサイズを指定して配列を作成
array_type myArray(boost::extents[2][3][4][5]);
// 要素に値を設定
int value = 0;
for (int i = 0; i < 2; ++i) {
for (int j = 0; j < 3; ++j) {
for (int k = 0; k < 4; ++k) {
for (int l = 0; l < 5; ++l) {
myArray[i][j][k][l] = value++;
}
}
}
}
// 内容の一部を出力
std::cout << "myArray[1][2][3][4] = " << myArray[1][2][3][4] << std::endl;
return 0;
}
myArray[1][2][3][4] = 119この例では、4次元配列をboost::multi_array<int, 4>として定義し、extentsを使ってサイズを指定しています。
次元数を増やす場合も同じ要領で定義でき、次元数に応じた多次元配列を柔軟に扱えます。
動的次元数の管理
Boostのmulti_arrayは、静的に次元数をテンプレートパラメータとして指定しますが、動的に次元数を管理したい場合はboost::multi_array_refやboost::multi_arrayのポインタを使う方法があります。
multi_array_refは、既存のメモリをビューとして扱うために使われ、次元数やサイズを動的に設定できます。
#include <boost/multi_array.hpp>
#include <vector>
#include <iostream>
int main() {
// 3次元のデータを格納するベクター
std::vector<int> data(2 * 3 * 4);
// 次元サイズを動的に設定
std::vector<boost::multi_array_types::size_type> shape = {2, 3, 4};
// 3次元配列のビューを作成
boost::multi_array_ref<int, 3> myArray(data.data(), shape);
// 要素に値を設定
int value = 0;
for (int i = 0; i < 2; ++i)
for (int j = 0; j < 3; ++j)
for (int k = 0; k < 4; ++k)
myArray[i][j][k] = value++;
// 内容を出力
std::cout << "myArray[1][2][3] = " << myArray[1][2][3] << std::endl;
return 0;
}myArray[1][2][3] = 23この例では、boost::multi_array_refを使って、既存のメモリを3次元配列として扱っています。
shapeを動的に設定できるため、次元数やサイズが変動する場合に便利です。
また、boost::multi_array自体も、resize()メソッドを使って次元やサイズを動的に変更できるため、用途に応じて柔軟に管理できます。
カスタムアロケータの利用
カスタムアロケータの導入
Boostのmulti_arrayは、標準のアロケータを使用してメモリを確保しますが、特定の用途やパフォーマンス最適化のためにカスタムアロケータを導入することも可能です。
multi_arrayはカスタムアロケータを直接指定でき、既存のアロケータをラップし、追加の機能や最適化を行うことができます。
例えば、メモリの追跡やプール管理、特定のアロケーション戦略を実装したアロケータを簡単に適用できます。
次の例では、CustomAllocatorを実装して、標準のstd::allocatorをラップし、multi_arrayに適用しています。
#include <boost/multi_array.hpp>
#include <iostream>
#include <memory>
// 要素を確保／解放するときにメッセージを出すカスタムアロケータ
template <typename T>
struct CustomAllocator {
typedef T value_type;
CustomAllocator() = default;
template <typename U>
CustomAllocator(const CustomAllocator<U>&) {}
// メモリ確保時に要素数を表示
T* allocate(std::size_t n) {
std::cout << "Allocating " << n << " elements." << std::endl;
return std::allocator<T>().allocate(n);
}
// メモリ解放時にも要素数を表示
void deallocate(T* p, std::size_t n) {
std::cout << "Deallocating " << n << " elements." << std::endl;
std::allocator<T>().deallocate(p, n);
}
};
int main() {
// 2次元配列 (3×3) を CustomAllocator で確保
typedef boost::multi_array<int, 2, CustomAllocator<int>> array_type;
// extents を [3][3] 形式で指定
array_type myArray(boost::extents[3][3]);
// 要素に値を設定
int value = 0;
for (int i = 0; i < 3; ++i) {
for (int j = 0; j < 3; ++j) {
myArray[i][j] = value++;
}
}
// 内容を表示
for (int i = 0; i < 3; ++i) {
for (int j = 0; j < 3; ++j) {
std::cout << myArray[i][j] << " ";
}
std::cout << std::endl;
}
return 0;
}
Allocating 9 elements.
0 1 2
3 4 5
6 7 8
Deallocating 9 elements.この例では、CustomAllocatorを定義し、そのインスタンスをboost::allocator_adaptorでラップしています。
これにより、multi_arrayはカスタムのメモリ管理戦略を利用してメモリを確保・解放します。
メモリプールとの併用
メモリプールは、大量のメモリ確保と解放を効率化するための技術で、特に高頻度のメモリ操作が必要な場合に効果的です。
Boostでは、poolライブラリを使ってメモリプールを実装できます。
multi_arrayとメモリプールを併用するには、カスタムアロケータとしてpoolのアロケータを指定します。
これにより、配列のメモリ確保はプールから行われ、通常のnewやdeleteよりも高速化されることがあります。
次の例では、Boostのpoolを使ったカスタムアロケータを作成し、それをmulti_arrayに適用しています。
#include <boost/multi_array.hpp>
#include <boost/pool/pool_alloc.hpp>
#include <iostream>
int main() {
// 2次元配列の型を定義（Boost.Poolのプールアロケータを使用）
typedef boost::multi_array<int, 2, boost::pool_allocator<int> > array_type;
// 4×4 の配列を作成
array_type myArray(boost::extents[4][4]);
// 要素に値を設定
for (int i = 0, value = 0; i < 4; ++i) {
for (int j = 0; j < 4; ++j) {
myArray[i][j] = value++;
}
}
// 配列の内容を出力
for (int i = 0; i < 4; ++i) {
for (int j = 0; j < 4; ++j) {
std::cout << myArray[i][j] << ' ';
}
std::cout << '\n';
}
return 0;
}この例では、boost::pool_allocatorを使用してメモリを管理しています。
multi_arrayはこのアロケータを使ってメモリを確保し、高速なメモリ操作を実現します。
このように、カスタムアロケータとメモリプールを併用することで、大規模なデータ処理やリアルタイム性が求められるアプリケーションにおいて、メモリ管理の効率化とパフォーマンス向上を図ることが可能です。
他ライブラリとの連携
Boost uBLASへの変換
Boostのmulti_arrayとBoost uBLASは、それぞれ多次元配列と行列・テンソルの操作に特化したライブラリです。
これらの間でデータを変換することで、既存のコードやライブラリの機能を活用しやすくなります。
multi_arrayのデータをBoost uBLASの行列やテンソルに変換するには、data()メソッドを利用して生のデータポインタを取得し、それをuBLASのmapped_matrixやtensorに渡します。
例として、2次元のmulti_arrayをuBLASの行列に変換する方法を示します。
#include <boost/multi_array.hpp>
#include <boost/numeric/ublas/matrix.hpp>
#include <iostream>
int main() {
typedef boost::multi_array<int, 2> array_type;
array_type myArray(boost::extents[3][3]);
// 配列に値を設定
int val = 1;
for (int i = 0; i < 3; ++i)
for (int j = 0; j < 3; ++j)
myArray[i][j] = val++;
// boost::ublas::matrixに変換
boost::numeric::ublas::matrix<int> ublasMatrix(
myArray.shape()[0], myArray.shape()[1], myArray.data());
// uBLASの行列の内容を出力
for (unsigned i = 0; i < ublasMatrix.size1(); ++i) {
for (unsigned j = 0; j < ublasMatrix.size2(); ++j) {
std::cout << ublasMatrix(i, j) << " ";
}
std::cout << std::endl;
}
return 0;
}1 2 3
4 5 6
7 8 9 この例では、myArray.data()をublas::matrixのコンストラクタに渡すことで、multi_arrayのデータを直接uBLASの行列にマッピングしています。
これにより、データのコピーを避けて効率的に連携できます。
Eigen／Armadilloとのデータ受け渡し
EigenやArmadilloは、C++で広く使われている数値計算ライブラリです。
multi_arrayのデータをこれらのライブラリに渡すには、data()メソッドを利用して生のデータポインタを取得し、それをEigenやArmadilloの配列に割り当てる方法が一般的です。
Eigenへの変換例
EigenのMapを使えば、multi_arrayのデータをコピーせずにEigenの配列として扱えます。
#include <boost/multi_array.hpp>
#include <Eigen/Dense>
#include <iostream>
int main() {
typedef boost::multi_array<double, 2> array_type;
array_type myArray(boost::extents[3][3]);
// 配列に値を設定
int val = 1;
for (int i = 0; i < 3; ++i)
for (int j = 0; j < 3; ++j)
myArray[i][j] = val++;
// EigenのMapを使ってデータをマッピング
Eigen::Map<Eigen::Matrix<double, Eigen::Dynamic, Eigen::Dynamic>> eigenMat(
myArray.data(), myArray.shape()[0], myArray.shape()[1]);
std::cout << "Eigen行列:\n" << eigenMat << std::endl;
return 0;
}この例では、Eigen::Mapを使ってmulti_arrayのデータをEigenの行列として扱っています。
これにより、データのコピーを避けて高速に連携できます。
Armadilloへの変換例
Armadilloも同様に、data()を利用してmulti_arrayのデータを渡すことが可能です。
#include <boost/multi_array.hpp>
#include <armadillo>
#include <iostream>
int main() {
typedef boost::multi_array<float, 2> array_type;
array_type myArray(boost::extents[4][4]);
// 配列に値を設定
int val = 1;
for (int i = 0; i < 4; ++i)
for (int j = 0; j < 4; ++j)
myArray[i][j] = val++;
// ArmadilloのMatにデータをマッピング
arma::Mat<float> armaMat(myArray.data(), myArray.shape()[0], myArray.shape()[1], false);
// 内容を出力
armaMat.print("Armadilloの行列:");
return 0;
}この例では、arma::Matのコンストラクタにmulti_arrayのdata()を渡し、copy_auxをfalseに設定することで、データのコピーを避けて直接マッピングしています。
これらの方法を用いることで、multi_arrayと他の数値計算ライブラリ間で効率的にデータを受け渡し、既存の数値計算コードやライブラリの機能を活用しやすくなります。
データのコピーを最小限に抑えることが、パフォーマンス向上のポイントです。
デバッグとログ出力
サイズや次元情報の表示
boost::multi_arrayのサイズや次元情報を確認することは、デバッグやプログラムの動作確認において非常に重要です。
これらの情報は、shape()メソッドやnum_dimensions()メソッドを使って取得できます。
shape()は、各次元のサイズを格納した配列を返します。
これを利用して、配列の次元数や各次元の大きさを出力できます。
#include <boost/multi_array.hpp>
#include <iostream>
int main() {
typedef boost::multi_array<int, 3> array_type;
array_type myArray(boost::extents[4][3][2]);
// 次元数の取得
std::size_t dims = myArray.num_dimensions();
// 各次元のサイズを取得
auto shape = myArray.shape();
// サイズと次元情報の出力
std::cout << "次元数: " << dims << std::endl;
for (std::size_t i = 0; i < dims; ++i) {
std::cout << "次元 " << i << " のサイズ: " << shape[i] << std::endl;
}
return 0;
}次元数: 3
次元 0 のサイズ: 4
次元 1 のサイズ: 3
次元 2 のサイズ: 2このコードでは、配列の次元数と各次元のサイズを出力しています。
これにより、配列の構造を把握しやすくなり、範囲外アクセスや誤った操作を未然に防ぐことができます。
要素内容のダンプ
配列の内容をダンプ(出力)することは、デバッグや動作確認において不可欠です。
多次元配列の全要素を出力するには、ネストしたループやrange-based forループを用います。
ネストしたforループによるダンプ
#include <boost/multi_array.hpp>
#include <iostream>
int main() {
typedef boost::multi_array<int, 3> array_type;
array_type myArray(boost::extents[2][2][2]);
// 配列に値を設定
int val = 1;
for (int i = 0; i < 2; ++i)
for (int j = 0; j < 2; ++j)
for (int k = 0; k < 2; ++k)
myArray[i][j][k] = val++;
// 配列の内容をダンプ
for (int i = 0; i < 2; ++i) {
for (int j = 0; j < 2; ++j) {
for (int k = 0; k < 2; ++k) {
std::cout << "myArray[" << i << "][" << j << "][" << k << "] = " << myArray[i][j][k] << std::endl;
}
}
}
return 0;
}myArray[0][0][0] = 1
myArray[0][0][1] = 2
myArray[0][1][0] = 3
myArray[0][1][1] = 4
myArray[1][0][0] = 5
myArray[1][0][1] = 6
myArray[1][1][0] = 7
myArray[1][1][1] = 8range-based forによるダンプ
C++11以降のrange-based forを使えば、より簡潔に全要素を出力できます。
#include <boost/multi_array.hpp>
#include <iostream>
int main() {
typedef boost::multi_array<int, 3> array_type;
array_type myArray(boost::extents[2][2][2]);
int val = 1;
for (auto&& sub_array2d : myArray)
for (auto&& sub_array1d : sub_array2d)
for (auto& element : sub_array1d) element = val++;
for (const auto& sub_array2d : myArray) {
for (const auto& sub_array1d : sub_array2d) {
for (const auto& element : sub_array1d) {
std::cout << element << " ";
}
std::cout << std::endl;
}
std::cout << "-----" << std::endl;
}
return 0;
}
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7 8
-----この方法は、コードがシンプルになり、配列の構造を意識せずに全要素を出力できるため、デバッグに非常に便利です。
まとめ
この記事では、Boostのmulti_arrayを使った多次元配列の基本操作や応用例を解説しました。
配列の定義やアクセス方法、部分ビューの取得、他ライブラリとの連携、メモリ管理の工夫、デバッグ方法まで幅広く紹介しています。
これにより、効率的かつ柔軟に多次元データを扱う知識が身につきます。