C/C++ 中 mdspan 介绍与使用示例_C/C++

c/c++ 中的 mdspan 介绍与使用

mdspan 是多维数组视图的一个现代 c++ 抽象，它是 c++23 标准引入的一个重要特性，旨在提供灵活、高效的多维数组操作方式。

什么是 mdspan

mdspan (multi-dimensional span) 是一个非拥有的多维数组视图，它：

不管理内存，只提供对现有数据的多维视图
支持任意维度的数组
提供灵活的内存布局描述
是 c++ 标准库的一部分 (c++23)

基本用法

包含头文件

#include <mdspan>

创建一个 mdspan

#include <mdspan>
#include <vector>
#include <iostream>
int main() {
    std::vector<int> data = {1, 2, 3, 4, 5, 6};
    // 创建一个 2x3 的 mdspan 视图
    std::mdspan mat{data.data(), 2, 3};
    // 访问元素
    std::cout << mat(1, 2) << '\n';  // 输出 6
}

高级特性

自定义布局

#include <mdspan>
int main() {
    int data[6] = {1, 2, 3, 4, 5, 6};
    // 使用行优先布局 (c风格)
    std::mdspan mat_c{data, std::extents{2, 3}, std::layout_right{}};
    // 使用列优先布局 (fortran风格)
    std::mdspan mat_f{data, std::extents{2, 3}, std::layout_left{}};
    // 自定义跨步布局
    std::mdspan mat_stride{data, std::extents{2, 3}, std::layout_stride{std::array{1, 2}}};
}

动态与静态维度

#include <mdspan>
int main() {
    int data[24];
    // 完全静态维度
    std::mdspan<int, std::extents<2, 3, 4>> static_span{data};
    // 混合静态和动态维度
    std::mdspan<int, std::extents<std::dynamic_extent, 3, std::dynamic_extent>> mixed_span{data, 2, 4};
    // 完全动态维度
    std::mdspan<int, std::extents<std::dynamic_extent, std::dynamic_extent>> dynamic_span{data, 2, 3};
}

实际应用示例

矩阵乘法

#include <mdspan>
#include <vector>
#include <iostream>
template <typename t, typename extsa, typename laya, typename acca,
          typename extsb, typename layb, typename accb,
          typename extsc, typename layc, typename accc>
void matrix_multiply(
    std::mdspan<t, extsa, laya, acca> a,
    std::mdspan<t, extsb, layb, accb> b,
    std::mdspan<t, extsc, layc, accc> c) {
    for (size_t i = 0; i < c.extent(0); ++i) {
        for (size_t j = 0; j < c.extent(1); ++j) {
            c(i, j) = 0;
            for (size_t k = 0; k < a.extent(1); ++k) {
                c(i, j) += a(i, k) * b(k, j);
            }
        }
    }
}
int main() {
    std::vector<int> a_data(2*3, 1); // 2x3 矩阵，全1
    std::vector<int> b_data(3*4, 2); // 3x4 矩阵，全2
    std::vector<int> c_data(2*4);    // 2x4 结果矩阵
    auto a = std::mdspan(a_data.data(), 2, 3);
    auto b = std::mdspan(b_data.data(), 3, 4);
    auto c = std::mdspan(c_data.data(), 2, 4);
    matrix_multiply(a, b, c);
    // 输出结果
    for (size_t i = 0; i < c.extent(0); ++i) {
        for (size_t j = 0; j < c.extent(1); ++j) {
            std::cout << c(i, j) << ' ';
        }
        std::cout << '\n';
    }
}