C++怎么实现一个表达式模板(Expression Templates)_C++高性能计算与延迟求值-C++-PHP中文网

C++怎么实现一个表达式模板(Expression Templates)_C++高性能计算与延迟求值

裘德小鎮的故事

发布： 2025-12-01 05:01:15

原创

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表达式模板通过CRTP构建编译期表达式树，延迟向量加法求值，避免临时对象与多次循环，实现零成本抽象与循环融合。

c++怎么实现一个表达式模板(expression templates)_c++高性能计算与延迟求值

表达式模板（Expression Templates）是一种在编译期优化数值计算的技术，常用于高性能计算库（如Eigen、Blaze）中实现延迟求值和消除临时对象。它的核心思想是：将数学表达式构建成一个模板表达式树，在运行时才真正求值，从而避免中间结果的创建。

基本动机：避免临时对象

考虑两个向量相加：

Vector a, b, c, d;
d = a + b + c;

如果没有表达式模板，每次 + 都会生成一个临时 Vector 对象，导致多次内存分配和拷贝。而表达式模板可以让编译器“看到”整个表达式结构，在最终赋值时一次性计算，跳过中间临时变量。

实现一个简单的向量加法表达式模板

我们从一个简化的例子开始，实现支持延迟加法的向量类型。

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1. 定义基础向量类

template<typename T>
struct Vector {
    std::vector<T> data;

    Vector(int n) : data(n) {}

    int size() const { return data.size(); }

    T& operator[](int i) { return data[i]; }
    const T& operator[](int i) const { return data[i]; }
};

2. 定义表达式基类（CRTP）

template <typename E>
struct Expr {
const E& self() const { return static_cast<const E&>(*this); }
};

这里使用了CRTP（奇异递归模板模式），让基类能访问派生类的类型信息，而无需虚函数开销。

3. 定义加法表达式类型

template <typename LHS, typename RHS>
struct AddExpr : Expr<AddExpr<LHS, RHS>> {
    const LHS& lhs;
    const RHS& rhs;

    AddExpr(const LHS& l, const RHS& r) : lhs(l), rhs(r) {}

    // 延迟求值：只在需要时计算
    auto operator[](int i) const { return lhs[i] + rhs[i]; }
    int size() const { return lhs.size(); }
};

4. 重载操作符 +

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template <typename LHS, typename RHS>
auto operator+(const Expr<LHS>& lhs, const Expr<RHS>& rhs) {
return AddExpr<LHS, RHS>(lhs.self(), rhs.self());
}

注意：所有表达式类型都继承自 Expr，所以这个 + 能接受任意组合的表达式。

5. 让 Vector 成为表达式

template<typename T>
struct Vector : Expr<Vector<T>> {
... // 同上
};

现在 Vector 也成了表达式类型，可以参与表达式构建。

6. 实现赋值操作以触发求值

template<typename T>
Vector<T>& operator=(Vector<T>& vec, const Expr<auto>& expr) {
    auto& e = expr.self();
    for (int i = 0; i < vec.size(); ++i) {
        vec[i] = e[i];
    }
    return vec;
}

现代C++中可写成泛型 lambda 形式，或使用具体模板参数替代 auto。