[論文レビュー] Runtime-Flexible Multi-dimensional Arrays and Views for C++98 and C++0x

Bjoern Andres, Ullrich Koethe+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2010

Parallel Computing and Optimization Techniques参考文献 8被引用数 6

ひとこと要約

この論文では、実行時柔軟性のある多次元配列およびビューを提供する、C++98およびC++0x互換のライブラリMarrayを提示する。ビューに基づく抽象化により、動的次元数を実現する。C++0xのテンプレート別名、可変長テンプレート、イニシャライザーリストなどの拡張機能を活用することで、C++らしさを保ちつつ、パフォーマンスと使いやすさを実現する。

ABSTRACT

Multi-dimensional arrays are among the most fundamental and most useful data structures of all. In C++, excellent template libraries exist for arrays whose dimension is fixed at runtime. Arrays whose dimension can change at runtime have been implemented in C. However, a generic object-oriented C++ implementation of runtime-flexible arrays has so far been missing. In this article, we discuss our new implementation called Marray, a package of class templates that fills this gap. Marray is based on views as an underlying concept. This concept brings some of the flexibility known from script languages such as R and MATLAB to C++. Marray is free both for commercial and non-commercial use and is publicly available from www.andres.sc/marray

研究の動機と目的

• コンパイル時において次元が固定されていない、汎用的でオブジェクト指向的なC++実装が、多次元配列に対して不足している問題に対処すること。
• C++において、パフォーマンスと型安全性を維持したまま、配列の次元に実行時柔軟性を提供すること。
• ビューに基づく抽象化を導入することで、C++テンプレートライブラリ（例：Boost、Blitz++）とスクリプト言語（例：R、MATLAB）の間の使いやすさのギャップを埋めること。
• ユーザー入力や実行時条件に依存する多次元データや関数を扱う実用的ユースケースをサポートすること。
• C++98との後方互換性を維持しながら、現代のC++0x機能を統合し、コードの明確さと安全性を向上させること。

提案手法

• 次元、形状、ストライド、オフセット（d, s, t, p₀）に基づく数学的フレームワークを用いて、メモリレイアウトの柔軟な解釈を可能にする。
• データへのアクセスを抽象化するクラステンプレートとしてのビューを実装し、データのコピーやないままに部分配列や再解釈されたレイアウトへのアクセスを可能にする。
• テンプレート特化と継承パターンを用いて、constおよびミュータブルなビューをサポートし、C++0xのテンプレート別名を活用してコードの重複を削減する。
• 可変長テンプレートを用いたoperator()の型安全なアクセスを実現し、C++98の関数オーバーロードの制限を超えて、使いやすさを向上させる。
• C++0xのイニシャライザーリストを統合し、一様初期化構文を用いて形状とサイズを直接初期化可能にすることで、コードの明確さを向上させる。
• プリプロセッサマクロ（NO_DEBUG, NO_ARG_TEST）を用いて、不変条件や引数チェックを条件付きで有効化可能にし、アサーションを削除したパフォーマンス最適化ビルドを可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コンパイル時テンプレート特化に依存せずに、C++において次元数が動的に変化する多次元配列を、効率的かつ安全に実装する方法は何か？
• RQ2 C++におけるビューに基づく抽象化は、R や MATLAB のようなスクリプト言語の柔軟性をどの程度再現できるか？ ただし、C++のパフォーマンスと型安全性を維持するものとする。
• RQ3 テンプレート別名、可変長テンプレート、イニシャライザーリストなどのC++0x言語機能の中で、汎用的多次元配列ライブラリの表現力と保守性を向上させるために最も効果的なものは何か？
• RQ4 固定次元と実行時次元の両方をサポートする、一貫した汎用インターフェースを、1つのライブラリで設計することは可能か？
• RQ5 パフォーマンスが重要な本番ビルドにおいて、実行時チェックを条件付きコンパイルで無効化しながら、開発段階での正しさを損なわない方法は何か？

主な発見

• Marrayは、C++98およびC++0xで動作する、汎用的でオブジェクト指向的かつ実行時柔軟性を持つ多次元配列およびビューのシステムを実装し、C++科学計算ライブラリにおける長年の欠落を埋めた。
• ビューをコア抽象化として採用することで、実行時オーバーヘッドなしに動的次元数と部分配列アクセスを実現し、ネイティブC++配列と同等のパフォーマンスを達成した。
• C++0xの拡張機能（テンプレート別名、可変長テンプレート、イニシャライザーリスト）は、特に高次元アクセスパターンにおいて、コードの明確さと型安全性を顕著に向上させた。
• 統一インターフェースを通じて、コンパイル時と実行時両方の次元数をサポートし、既存のC++コードベースへのシームレスな統合を可能にした。
• NO_DEBUGおよびNO_ARG_TESTを用いた条件付きコンパイルにより、本番ビルドで実行時チェックを削除できるため、最適化されたパフォーマンスを確保しながら、開発段階での安全性を損なわない。
• ライブラリは公開されており、オープンソースである。HDF5統合およびC互換配列相互運用のための継続的開発が進められており、HPCおよび科学計算分野への採用可能性が極めて高い。