[論文レビュー] The interface for functions in the dune-functions module

Christian Engwer, Carsten Gräser+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2015

Distributed and Parallel Computing Systems参考文献 1被引用数 7

ひとこと要約

この論文では、Dune有限要素フレームワーク用の新しいC++ベースの関数インターフェースを提案する。従来の参照渡し評価に代わり、operator()のオーバーロードとstd::functionによる型消去を用いた戻り値を値で返す方式を採用している。新しい設計はコードの可読性を向上させ、ラムダ式などの現代的なC++機能をサポートする一方で、最新のコンパイラ最適化を用いることで実行時コストに影響がなく、従来のインターフェースと同等の効率性を達成している。

ABSTRACT

The dune-functions Dune module introduces a new programmer interface for discrete and non-discrete functions. Unlike the previous interfaces considered in the existing Dune modules, it is based on overloading operator(), and returning values by-value. This makes user code much more readable, and allows the incorporation of newer C++ features such as lambda expressions. Run-time polymorphism is implemented not by inheritance, but by type erasure, generalizing the ideas of the std::function class from the C++11 standard library. We describe the new interface, show its possibilities, and measure the performance impact of type erasure and return-by-value.

研究の動機と目的

• 従来のDune関数インターフェースは参照渡し評価と複雑な構文を要求しており、コードの可読性が著しく低いことに対処すること。
• C++11の機能（例えばラムダ式）を採用することで、Duneの関数インターフェースを現代的なものにすること。
• 仮想継承を避けるために、std::functionを参考にした型消去を用いて動的ポリモーフィズムを実現すること。
• 新しいインターフェースのパフォーマンスが、特に戻り値を値で返す処理や型消去の文脈で、従来のものと同等かどうかを評価すること。
• 局所座標系を用いたグリッドベースの関数評価と微分可能関数をサポートするようにインターフェースを拡張すること。

提案手法

• operator()のオーバーロードと戻り値を値で返すセマンティクスを用いた、呼び出し可能オブジェクトに基づく新しい関数インターフェースを設計する。
• 静的アサーション（static_assert）によるコンセプトチェックを導入し、インターフェースの契約を強制するとともに、エラーメッセージの改善を図る。
• 仮想継承を避けるために、動的ポリモーフィズムを実現するためのstd::functionに類似したラッパーを実装する。
• 局所座標系でのグリッドベース評価をサポートするため、LocalFunctionおよびGridViewFunctionテンプレートを導入する。
• 汎用的なDerivativeTraitsテンプレートパラメータを導入し、さまざまな関数型に対して微分を可能にする。
• 戻り値のサイズやディスpatch戦略を変化させた複合中点則積分を用いて、新しいインターフェースと従来のものとのパフォーマンスをベンチマークする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 C++で戻り値を値で返すことは、参照渡し評価と比較して測定可能なパフォーマンスの低下を引き起こすか？
• RQ2 最新のコンパイラは、戻り値最適化（RVO）によって戻り値を値で返す際のオーバーヘッドを排除できるか？
• RQ3 std::functionによる型消去のパフォーマンスは、有限要素関数の文脈において仮想関数ディスpatchと同等か？
• RQ4 新しいインターフェースは、微分可能関数およびグリッドベースの関数を効率的にサポートできるか？
• RQ5 プロファイルガイドド最適化（PGO）を用いることで、std::functionと仮想関数ディスpatchの間のパフォーマンスギャップは埋まるか？

主な発見

• 静的ディスpatchを用いた戻り値を値で返す方式では、現代のコンパイラがRVOにより一時オブジェクトの生成を削除するため、参照渡し評価と比較して実行時オーバーヘッドが生じない。
• 動的ディスpatchの文脈では、初期段階でstd::functionベースの型消去は仮想関数ディスpatchよりも遅くなるが、プロファイルガイドド最適化（PGO）を適用することでこのギャップは埋まる。
• PGOを適用した場合、std::functionベースのインターフェースは仮想関数ディスpatchと同等、あるいはわずかに優れたパフォーマンスを示し、型消去が根本的なパフォーマンスの懸念をもたらさないことを示している。
• 新しいインターフェースにより、ラムダ式やoperator()呼び出しを自然に表現できる、より読みやすく、C++らしさを意識したコードが可能になる。
• 最新のコンパイル最適化を用いることで、新しいインターフェースのパフォーマンスは従来のインターフェースと同等となり、高性能科学計算への実用性が裏付けられた。
• LocalFunctionおよびGridViewFunctionテンプレートを用いることで、微分可能関数およびグリッドベースの関数への拡張が成功裏に実現され、表現力と効率性の両立が達成された。