Skip to content

CXX_CHEATSHEET.md

Latest commit

 

History

History
240 lines (183 loc) · 11.6 KB

CXX_CHEATSHEET.md

File metadata and controls

240 lines (183 loc) · 11.6 KB

C++ 核心技術 Cheat Sheet

English | 中文

本專案使用的 C++ 核心技術快速參考表

📚 相關文檔

目錄

Template Metaprogramming

技術 語法 用途 範例 文件位置
類別模板 template<typename T> class X 創建型別參數化的類別 template<typename T, std::size_t... Dims> class Tensor tensor.hpp:14
函數模板 template<typename T> T func() 創建型別參數化的函數 template<typename T, std::size_t M, std::size_t N, std::size_t K> constexpr Tensor<T, M, K> matmul(...) nn_compiler.hpp:24
非型別模板參數 template<int N> class X 使用值作為模板參數 template<typename T, std::size_t... Dims> tensor.hpp:14
模板特化 template<> class X<int> 為特定型別提供特殊實現 template<typename T, std::size_t... Dims> struct is_tensor<Tensor<T, Dims...>> tensor.hpp:117
模板別名 template<typename T> using Alias = X<T> 創建模板型別別名 - -
依賴型別名稱 typename T::type 指定依賴型別 lhs_.template eval<Indices...>() expression_template.hpp:44

Constexpr 與編譯時計算

技術 語法 用途 範例 文件位置
constexpr 變數 constexpr T x = value 編譯時常數 static constexpr std::size_t total_size = (Dims * ...) tensor.hpp:18
constexpr 函數 constexpr T func() 可在編譯時執行的函數 constexpr Tensor<T, Dims...> relu(...) nn_compiler.hpp:60
constexpr 建構函數 constexpr X() {} 可在編譯時創建物件 constexpr Tensor() : data_{} {} tensor.hpp:29
constexpr if if constexpr (condition) 編譯時條件分支 if constexpr (M <= 4 && N <= 4 && K <= 4) nn_compiler.hpp:29
constexpr 遞迴 constexpr T fact(int n) 編譯時遞迴計算 constexpr std::size_t factorial(std::size_t n) nn_compiler.hpp:139

Variadic Templates

技術 語法 用途 範例 文件位置
參數包 template<typename... Args> 接受任意數量的模板參數 template<typename T, std::size_t... Dims> tensor.hpp:14
參數包展開 Args... 展開參數包 std::array<std::size_t, sizeof...(Dims)> shape = {Dims...} tensor.hpp:21
sizeof... sizeof...(Args) 獲取參數包大小 static_assert(sizeof...(Indices) == rank) tensor.hpp:44
參數包轉發 f(Args... args) 轉發參數包 template<typename... Args> constexpr T& operator()(Args... indices) tensor.hpp:56
參數包模式匹配 {args...} 初始化列表展開 std::array<std::size_t, rank> indices = {static_cast<std::size_t>(args)...} tensor.hpp:101

Fold Expressions

技術 語法 用途 範例 文件位置
二元左折疊 (pack op ...) 從左到右折疊 (Dims * ...) tensor.hpp:18
二元右折疊 (... op pack) 從右到左折疊 - -
一元左折疊 (op ... pack) 一元運算符左折疊 - -
一元右折疊 (pack op ...) 一元運算符右折疊 - -
逗號折疊 (expr, ...) 展開表達式列表 ((output.data()[I] = ...), ...) nn_compiler.hpp:66

if constexpr

技術 語法 用途 範例 文件位置
編譯時條件 if constexpr (condition) 編譯時分支選擇 if constexpr (M <= 4 && N <= 4 && K <= 4) nn_compiler.hpp:29
編譯時型別檢查 if constexpr (std::is_same_v<T, int>) 根據型別選擇實現 if constexpr (sizeof...(Dims1) != sizeof...(Dims2)) nn_compiler.hpp:81
條件編譯優化 if constexpr (size <= threshold) 根據大小選擇算法 if constexpr (Tensor<T, Dims...>::total_size <= 16) nn_compiler.hpp:63

Type Traits

技術 語法 用途 範例 文件位置
自定義 Type Trait template<typename T> struct trait 定義型別特性 template<typename T> struct is_tensor : std::false_type {} tensor.hpp:114
Type Trait 變數模板 template<typename T> constexpr bool trait_v 型別特性值 template<typename T> constexpr bool is_tensor_v = is_tensor<T>::value tensor.hpp:121
std::false_type / true_type : std::false_type 布林型別特性基類 struct is_tensor : std::false_type {} tensor.hpp:115
std::is_same_v std::is_same_v<T1, T2> 檢查兩個型別是否相同 - -
std::enable_if std::enable_if_t<condition, T> 條件型別啟用 - -

Expression Templates

技術 語法 用途 範例 文件位置
表達式基類 class ExprBase<Derived> CRTP 基類 class ExpressionBase<Derived> expression_template.hpp:20
二元表達式 BinaryExpression<LHS, RHS, Op> 延遲求值表達式 class BinaryExpression<LHS, RHS, Op> expression_template.hpp:32
運算符重載 operator+(const Expr&, const Expr&) 創建表達式樹 constexpr auto operator+(const ExpressionBase<LHS>&, const ExpressionBase<RHS>&) expression_template.hpp:104
延遲求值 expr.eval() 在需要時才計算 template<std::size_t... Indices> constexpr auto eval() const expression_template.hpp:43
表達式包裝 TensorExpression<Tensor> 將張量包裝為表達式 class TensorExpression : public ExpressionBase<TensorExpression<T, Dims...>> expression_template.hpp:122

CRTP 模式

技術 語法 用途 範例 文件位置
CRTP 基類 template<typename Derived> class Base 靜態多型 template<typename Derived> class ExpressionBase expression_template.hpp:19
派生類別轉換 static_cast<Derived&>(*this) 轉換為派生型別 return static_cast<const Derived&>(*this) expression_template.hpp:23
CRTP 方法調用 derived().method() 調用派生類方法 lhs.derived(), rhs.derived() expression_template.hpp:106

Lambda 表達式

技術 語法 用途 範例 文件位置
立即調用 Lambda [&]<...>(...){}(args) 在表達式中執行代碼 [&]<std::size_t... I>(std::index_sequence<I...>) { ... }(std::make_index_sequence<M*K>{}) nn_compiler.hpp:31
泛型 Lambda [&]<typename T>(T x){} C++20 泛型 Lambda [&]<std::size_t... I>(std::index_sequence<I...>) nn_compiler.hpp:31
捕獲引用 [&] 按引用捕獲所有變數 [&]<std::size_t... I>(...) { ... } nn_compiler.hpp:31
Lambda 折疊 ([&](){...}(), ...) 在參數包上展開 Lambda ([&]() { ... }(), ...) nn_compiler.hpp:32

其他技術

技術 語法 用途 範例 文件位置
std::index_sequence std::index_sequence<I...> 編譯時整數序列 std::make_index_sequence<M * K>{} nn_compiler.hpp:41
std::make_index_sequence std::make_index_sequence<N> 生成索引序列 std::make_index_sequence<Tensor<T, Dims...>::total_size>{} nn_compiler.hpp:67
static_assert static_assert(condition, msg) 編譯時斷言 static_assert(sizeof...(Indices) == rank, "Number of indices must match tensor rank") tensor.hpp:44
auto 型別推導 auto x = expr 自動推導型別 constexpr auto get_tensor_shape(...) nn_compiler.hpp:19
decltype decltype(expr) 獲取表達式型別 - -
std::array std::array<T, N> 固定大小陣列 std::array<T, total_size> data_ tensor.hpp:25
std::initializer_list std::initializer_list<T> 初始化列表 constexpr Tensor(std::initializer_list<T> init) tensor.hpp:32
volatile volatile T x 防止編譯器優化 volatile float sum = 0.0f benchmark_cpp.cpp:37

技術組合使用範例

範例 1: 編譯時張量大小計算

// 使用 Fold Expression + Variadic Templates + constexpr
template<typename T, std::size_t... Dims>
class Tensor {
    static constexpr std::size_t total_size = (Dims * ...);  // Fold expression
    static constexpr std::array<std::size_t, sizeof...(Dims)> shape = {Dims...};  // Variadic
};

範例 2: 條件編譯優化

// 使用 if constexpr + Lambda + index_sequence
template<typename T, std::size_t M, std::size_t N, std::size_t K>
constexpr Tensor<T, M, K> matmul(...) {
    if constexpr (M <= 4 && N <= 4 && K <= 4) {
        [&]<std::size_t... I>(std::index_sequence<I...>) {
            ([&]() { /* unroll loop */ }(), ...);
        }(std::make_index_sequence<M * K>{});
    }
}

範例 3: Expression Templates + CRTP

// 使用 CRTP + Expression Templates
template<typename Derived>
class ExpressionBase {
    constexpr const Derived& derived() const {
        return static_cast<const Derived&>(*this);  // CRTP
    }
};

template<typename LHS, typename RHS, typename Op>
class BinaryExpression : public ExpressionBase<BinaryExpression<LHS, RHS, Op>> {
    // Expression template implementation
};

性能優化技巧

技術 說明 效果
編譯時展開 使用 if constexpr + index_sequence 展開小循環 消除循環開銷
零開銷抽象 使用模板和 constexpr 創建抽象層 編譯器完全優化
延遲求值 Expression Templates 延遲計算 避免臨時物件
型別特化 為小尺寸提供特化版本 更好的優化機會
constexpr 函數 編譯時計算常數 零運行時開銷

C++ 標準版本要求

技術 C++ 標準 說明
Fold Expressions C++17 (pack op ...)
if constexpr C++17 編譯時條件分支
泛型 Lambda C++20 [&]<typename T>(T x){}
constexpr 增強 C++14/17/20 逐步增強
Concepts C++20 型別約束（本專案未使用）
Modules C++20 模組系統（本專案未使用）

相關文件位置

技術類別 主要文件
Template Metaprogramming include/tensor.hpp
Expression Templates include/expression_template.hpp
編譯時優化 include/nn_compiler.hpp
Benchmark 工具 include/benchmark.hpp
使用範例 src/main.cpp, src/benchmark_cpp.cpp

快速參考

最常用的技術組合

  1. 型別安全張量: template<typename T, std::size_t... Dims> + constexpr
  2. 編譯時優化: if constexpr + std::index_sequence + Lambda
  3. 零開銷抽象: Expression Templates + CRTP
  4. 編譯時計算: constexpr + Fold Expressions
  5. 型別檢查: Type Traits + static_assert

最後更新: 2025-11-13
C++ 標準: C++20
編譯器要求: GCC 10+, Clang 10+, MSVC 2019+