什么是 mdspan，它的用途是什么？

TL;DR：是多维度的扩展 - 具有许多（不可避免的）灵活的可配置性，以及内存布局和访问模式。mdspanstd::span

在阅读此答案之前，您应该确保您清楚什么是跨度以及它的用途。现在已经不碍事了：由于 可能是相当复杂的野兽（通常 ~7 倍或更多的源代码作为实现），我们将从简化的描述开始，并保留高级功能在下面进一步介绍。mdspanstd::span

“这是什么？”（简易版）

一个是：mdspan<T>

1. 从字面上看，是一个“multi-d imensional span”（类型元素）。T
2. 将 ，从一维/线性元素序列推广到多维。std::span<T>
3. 内存中连续的类型元素序列的非拥有视图，解释为多维数组。T
4. 基本上只是一个带有一些方便的方法（用于在运行时确定的维度）。struct { T * ptr; size_type extents[d]; }d

-interpreted 布局的图示mdspan

如果我们有：

std::vector v = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12};

我们可以将 的数据视为包含 12 个元素的一维数组，类似于其原始定义：v

auto sp1 = std::span(v.data(), 12);
auto mdsp1 = std::mdspan(v.data(), 12);

或范围为 2 x 6 的 2D 数组：

auto mdsp2 = std::mdspan(v.data(), 2, 6 );
// (  1,  2,  3,  4,  5,  6 ),
// (  7,  8,  9, 10, 11, 12 )

或 2 x 3 x 2 的 3D 阵列：

auto ms3 = std::mdspan(v.data(), 2, 3, 2);
// ( ( 1,  2 ), ( 3,  4 ), (  5,  6 ) ),
// ( ( 7,  8 ), ( 9, 10 ), ( 11, 12 ) )

我们也可以将其视为 3 x 2 x 2 或 2 x 2 x 3 阵列，或 3 x 4 等。

“我应该什么时候使用它？”

• （C++23 及更高版本）当你想在某个缓冲区上使用多维时，你从某个地方得到。因此，在上面的例子中，是和是。operator[]ms3[1, 2, 0]11ms3[0, 1, 1]4

• 当您想要传递多维数据而不分离原始数据指针和维度时。你在内存中有一堆元素，并希望使用多个维度来引用它们。因此，而不是：

  void print_matrix_element(
     float const* matrix, size_t row_width, size_t x, size_t y) 
  {
     std::print("{}", matrix[row_width * x + y]);
  }
  

  你可以这样写：

  void print_matrix_element(
      std::mdspan<float const, std::dextents<size_t, 2>> matrix,
      size_t x, size_t y)
  {
     std::print("{}", matrix[x, y]);
  }
  

• 作为传递多维 C 数组的正确类型：
  C 完美地支持多维数组......只要它们的维度是在编译时给出的，并且你不要尝试将它们传递给函数。这样做有点棘手，因为最外层的维度会衰减，所以你实际上会传递一个指针。但是使用 mdspans，您可以这样写：

  template <typename T, typename Extents>
  void print_3d_array(std::mdspan<T, Extents> ms3)
  {
     static_assert(ms3.rank() == 3, "Unsupported rank");
     // read back using 3D view
     for(size_t i=0; i != ms3.extent(0); i++) {
       fmt::print("slice @ i = {}\n", i);
       for(size_t j=0; j != ms3.extent(1); j++) {
         for(size_t k=0; k != ms3.extent(2); k++)
           fmt::print("{} ",  ms3[i, j, k]);
         fmt::print("\n");
       }
     }  
  }
  
  int main() {
      int arr[2][3][2] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 };
  
      auto ms3 = std::mdspan(&arr[0][0][0], 2, 3, 2);
        // Note: This construction can probably be improved, it's kind of fugly
  
      print_3d_array(ms3);
  }
  

标准化现状

虽然在 C++20 中是标准化的，但不是。但是，它是 C++23 的一部分，它几乎已经完成（等待最终投票）。std::spanstd::mdspan

您已经可以使用参考实现。它是美国桑迪亚国家实验室“Kokkos 性能可移植性生态系统”的一部分。

“这些'额外功能'提供了哪些？”mdspan

实际上有 4 个模板参数，而不仅仅是元素类型和范围：mdspan

template <
    class T,
    class Extents,
    class LayoutPolicy = layout_right,
    class AccessorPolicy = default_accessor<ElementType>
>
class mdspan;

这个答案已经很长了，所以我们不会给出完整的细节，但是：

• 某些盘区可以是“静态”而不是“动态”，在编译时指定，因此不存储在实例数据成员中。仅存储“动态”实例。例如，这个：

  auto my_extents extents<dynamic_extent, 3, dynamic_extent>{ 2, 4 };
  

  ...是对应于 的扩展对象，但它只在类实例中存储值 和 ;编译器知道每当使用第二个维度时都需要插入。dextents<size_t>{ 2, 3, 4 }243

• 您可以让维度以 Fortran 样式从次要到主要，而不是像 C 那样从主要到次要。因此，如果将 设置为 ，则 是 at 而不是通常的 。LayoutPolicy = layout_leftmds[x,y]mds.data[mds.extent(0) * y + x]mds.data[mds.extent(1) * x + y]

• 您可以将您的“重塑”为另一个具有不同尺寸但整体尺寸相同的人。mdspanmdspan

• 您可以使用“strides”定义布局策略：将 mdspan 中的连续元素在内存中保持固定距离;具有额外的偏移量以及每行或维度切片的开头和/或结尾;等。

• 你可以用每个维度的偏移量来“切割”你的 （例如，取矩阵的子矩阵） - 结果仍然是 ！...这是因为你可以有一个包含这些偏移量的 A 和 a。此功能在 C++23 IIANM 中不可用。mdspanmdspanmdspanLayoutPolicy

• 使用 ，您可以单独或集体地使 实际上拥有它们所引用的数据。AccessorPolicymdspan

延伸阅读

• 官方的std：：mdspan提案，被C++23接受。
• cppreference.com 上的 std：：mdspan 页面
• 对 mdspan 的温和介绍，在 Kokkos 参考实现的 wiki 上。
• 看看 mdspan 的，作者是 Asher Macinelli。

_{（一些例子改编自这些来源。}