Читать онлайн «C++. Сборник рецептов». Страница 102

Значительно более изощренную альтернативу rand представляет написанная Джензом Маурером (Jens Maurer) библиотека Boost Random; она была инспирирована предложениями по генерации случайных чисел, представленными в TR1.

TR1 означает «Technical Report One» и представляет собой официальный проект по расширению стандартной библиотеки C++98.

Библиотека Boost Random содержит несколько высококачественных функций по генерации случайных чисел как для целых типов, так и для типов с плавающей точкой, причем с поддержкой многочисленных распределений. Пример 11.12 показывает, как можно сгенерировать случайные числа с плавающей точкой в интервале значений [0,1).

Пример 11.12. Использование библиотеки Boost Random

#include <boost/random.hpp>

#include <iostream>

#include <cstdlib>

using namespace std;

using namespace boost;

typedef boost::mt19937 BaseGenerator;

typedef boost::uniform_real<double> Distribution;

typedef boost::variate_generator<BaseGenerator, Distribution> Generator;

double boostDoubleRand() {

 static BaseGenerator base;

 static Distribution dist;

 static Generator rng(base, dist);

 return rng();

}

int main() {

 cout << "expect 5 numbers within the interval [0.1)" << endl;

 for (int i=0; i < 5; i++) {

  cout << boostDoubleRand() << "\n";

 }

 cout << endl;

}

Основное преимущество библиотеки Boost Random в том, что алгоритм генерации псевдослучайных чисел обеспечивает гарантированные и воспроизводимые свойства случайных последовательностей, зависящих от выбранного алгоритма. В примере 11.12 я использую генератор Mersenne Twister (mt19937), потому что он дает хорошее сочетание производительности и качества последовательности случайных чисел.

Требуется заполнить произвольный контейнер случайными числами.

Можно использовать функции generate и generate_n из заголовочного файла <algorithm> совместно с функтором, возвращающим случайные числа. Пример 11.13 показывает, как это можно сделать.

Пример 11.13. Инициализация контейнеров случайными числами

#include <algorithm>

#include <vector>

#include <iterator>

#include <iostream>

#include <cstdlib>

using namespace std;

struct RndIntGen {

 RndIntGen(int l, int h) : low(l), high(h) {}

 int operator()() const {

  return low + (rand() % ((high - low) + 1));

 }

private:

 int low;

 int high;

};

int main() {

 srand(static_cast<unsigned int>(clock()));

 vector<mt> v(5);

 generate(v.begin(), v.end(), RndIntGen(1, 6));

 copy(v.begin(), v.end(), ostream_iterator<int>(cout, "\n"));

}

Программа примера 11.13 должна выдать результат, подобный следующему.

3

1

2

6

4

Стандартная библиотека C++ содержит функции generate и generate_n, специально предназначенные для заполнения контейнеров значениями, полученными функцией генератора случайных чисел. Эти функции принимают нуль-арный функтор (указатель на функцию или объект-функцию без аргументов), результат которого присваивается соседним элементам контейнера. Пример реализации функции generate и generate_n показан в примере 11.14.

Пример 11.14. Пример реализации функций generate и generate_n

template<class Iter_T, class Fxn_T>

void generate(Iter_T first, Iter_T last, Fxn_T f) {

 while (first != last) *first++ = f();

}

template<class Iter_T, class Fxn_T>

void generate_n(Iter_T first, int n, Fxn_T f) {

 for (int i=0; i < n; ++i) *first++ = f();

}

Требуется иметь тип для манипулирования динамическими числовыми векторами.

Вы можете использовать шаблон valarray из заголовочного файла <valarray>. Пример 11.15 показывает, как можно использовать шаблон valarray.

Пример 11.15. Применение шаблона valarray

#include <valarray>

#include <iostream>

using namespace std;

int main() {

 valarray<int> v(3);

 v[0] = 1;

 v[1] = 2;

 v[2] = 3;

 cout << v[0] << ", " << v[1] << ", " << v[2] << endl;

 v = v + v;

 cout << v[0] << ", " << v[1] << ", " << v[2] << endl;

 v /= 2;

 cout << v[0] << ", " << v[1] << ", " << v[2] << endl;

}

Программа примера 11.15 выдаст следующий результат.

1, 2, 3

2, 4, 6

1, 2, 3

Вопреки своему названию тип vector не предназначен для использования в качестве числового вектора, для этой цели используется шаблон valarray. Этот шаблон написан так, чтобы в конкретных реализациях С++, особенно на высокопроизводительных машинах, можно было применить к нему специальную векторную оптимизацию. Другое большое преимущество valarray состоит в наличии многочисленных перегруженных операторов, предназначенных для работы с числовыми векторами. Эти операторы обеспечивают выполнение таких операций, как сложение и скалярное умножение векторов.

Шаблон valarray может также использоваться в стандартных алгоритмах, работающих с массивами, представленными в C-стиле. Пример 11.16 показывает, как можно создавать итераторы, ссылающиеся на начальный элемент valarray и на элемент, следующий за последним.

Пример 11.16. Получение итераторов для valarray

template<class T>

T* valarray_begin(valarray<T>& x) {

 return &x[0];

}

template<class T> T* valarray_end(valarray<T>& x) {

 return valarray_begin(x) + x.size();

}

Несмотря на немного академичный вид этого примера, не следует пытаться создавать итератор конца valarray, используя выражение &x[х.size()]. Если это сработает, то только случайно, поскольку индексация valarray, выходящая за допустимый индексный диапазон, приводит к непредсказуемому результату.

Отсутствие в valarray функций-членов begin и end, несомненно, противоречит стилю STL. Отсутствие этих функций подчеркивает то, что в valarray реализуется модель, отличная от концепции контейнера STL. Несмотря на это, вы можете использовать valarray в любом обобщенном алгоритме, где требуется итератор с произвольным доступом.

Требуется иметь эффективное представление числовых векторов фиксированного размера.

В программном обеспечении обычного типа часто более эффектный результат по сравнению с valarray дает применение специальной реализации вектора, когда его размер заранее известен на этапе компиляции. Пример 11.17 показывает, как можно реализовать шаблон вектора фиксированного размера, названный здесь kvector.

Пример 11.17. kvector.hpp

#include <algorithm>

#include <cassert>

template<class Value_T, unsigned int N>

class kvector {

public:

 // открытые поля

 Value_T m[N];

 // открытые имена, вводимые typedef

 typedef Value_T value_type;

 typedef Value_T* iterator;

 typedef const Value_T* const_iterator;

 typedef Value_T& reference;

 typedef const Value_T& const_reference;

 typedef size_t size_type;

 // определение более короткого синонима для kvector

 typedef kvector self;

 // функции-члены

 template<typename Iter_T>

 void copy(Iter_T first, Iter_T last) {

  copy(first, last, begin());

 }

 iterator begin() { return m; }

 iterator end() { return m + N; }

 const_iterator begin() const { return m; }

 const_iterator end() const { return m + N; }

 reference operator[](size_type n) { return m[n]; }

 const_reference operator[](size_type n) const { return m[n]; }

 static size_type size() { return N; }

 // векторные операции

 self& operator+=(const self& x) {

  for (int i=0; i<N; ++i) m[i] += x.m[i];

  return *this;

 }

 self& operator-=(const self& x) {

  for (int i=0; i<N; ++i) m[i] -= x.m[i];

  return *this;

 }

 // скалярные операции

 self& operator=(value_type x) {

  std::fill(begin(), end(), x);

  return *this;

 }

 self& operator+=(value_type x) {

  for (int i=0; i<N; ++i) m[i] += x;

  return *this;

 }