2016年4月28日木曜日

C++14による正方行列クラスの作成(その4)

前回は要素にアクセスするための演算子と算術単項演算子を定義した。
今回は除算以外の算術二項演算子と論理演算子を実装してみる。

// matrix.cpp
#include <iostream>
#include <initializer_list>


template <typename T, int N>
class Matrix {
  static_assert(N > 0, "");


public:
  //------------------------------------------
  //
  //  挿入演算子
  //
  //------------------------------------------
  friend std::ostream& operator <<(std::ostream& os, const Matrix& x) {
    os << "[";
    for (int iRow = 0; iRow < N; iRow++) {
      os << "[";
      for (int iColumn = 0; iColumn < N; iColumn++) {
        os << x.elements_[iRow][iColumn];
        if (iColumn != N - 1)
          os << ",";
      }
      os << "]";
      if (iRow != N - 1)
        os << ",";
    }
    os << "]";
    return os;
  }


public:
  //------------------------------------------
  //
  //  コンストラクタ、デストラクタ、コピー、ムーブ
  //
  //------------------------------------------
  Matrix() noexcept(noexcept(T())) {}

  Matrix(const T& a) {
    for (int i = 0; i < N; i++)
      elements_[i][i] = a;
  }

  Matrix(std::initializer_list<std::initializer_list<T>> ll) {
    auto itRow = ll.begin();
    for (int iRow = 0; iRow < N && itRow != ll.end(); iRow++, ++itRow) {
      auto l = *itRow;
      auto itColumn = l.begin();
      for (int iColumn = 0; iColumn < N && itColumn != l.end(); iColumn++, ++itColumn) {
        elements_[iRow][iColumn] = *itColumn;
      }
    }
  }

  Matrix(const Matrix&) noexcept = default;
  Matrix(Matrix&&) noexcept = default;
  ~Matrix() = default;

  Matrix& operator =(const Matrix&) & noexcept = default;
  Matrix& operator =(Matrix&&) & noexcept = default;

  Matrix&& operator =(const Matrix&) && noexcept = delete;
  Matrix&& operator =(Matrix&&) && noexcept = delete;


public:
  //------------------------------------------
  //
  //  要素の参照
  //
  //------------------------------------------
  T& operator ()(int row, int column) {
    return elements_[row][column];
  }

  const T& operator ()(int row, int column) const {
    return elements_[row][column];
  }


public:
  //------------------------------------------
  //
  //  算術単項演算子
  //
  //------------------------------------------
  Matrix operator +() const {
    return Matrix(*this);
  }

  Matrix operator -() const {
    Matrix ret;
    for (int iRow = 0; iRow < N; iRow++) {
      for (int iColumn = 0; iColumn < N; iColumn++) {
        ret.elements_[iRow][iColumn] = -elements_[iRow][iColumn];
      }
    }
    return ret;
  }


public:
  //------------------------------------------
  //
  //  算術代入演算子
  //
  //------------------------------------------
  Matrix& operator +=(const Matrix& other) & {
    for (int iRow = 0; iRow < N; iRow++) {
      for (int iColumn = 0; iColumn < N; iColumn++) {
        elements_[iRow][iColumn] += other.elements_[iRow][iColumn];
      }
    }
    return *this;
  }

  Matrix& operator -=(const Matrix& other) & {
    for (int iRow = 0; iRow < N; iRow++) {
      for (int iColumn = 0; iColumn < N; iColumn++) {
        elements_[iRow][iColumn] -= other.elements_[iRow][iColumn];
      }
    }
    return *this;
  }

  Matrix& operator *=(const T& a) & {
    for (int iRow = 0; iRow < N; iRow++) {
      for (int iColumn = 0; iColumn < N; iColumn++) {
        elements_[iRow][iColumn] *= a;
      }
    }
    return *this;
  }

  Matrix& operator *=(const Matrix& other) & {
    Matrix tmp = *this * other;
    using std::swap;
    swap(*this, tmp);
    return *this;
  }

  Matrix&& operator +=(const Matrix& other) && = delete;
  Matrix&& operator -=(const Matrix& other) && = delete;
  Matrix&& operator *=(const T& a) && = delete;
  Matrix&& operator *=(const Matrix& other) && = delete;


public:
  //------------------------------------------
  //
  //  算術二項演算子
  //
  //------------------------------------------
  friend Matrix operator +(const Matrix& lhs, const Matrix& rhs) {
    Matrix ret(lhs);
    return ret += rhs;
  }

  friend Matrix operator -(const Matrix& lhs, const Matrix& rhs) {
    Matrix ret(lhs);
    return ret -= rhs;
  }

  friend Matrix operator *(const Matrix& lhs, const T& rhs) {
    Matrix ret(lhs);
    return ret *= rhs;
  }

  friend Matrix operator *(const T& lhs, const Matrix& rhs) {
    return rhs *= lhs;
  }

  friend Matrix operator *(const Matrix& lhs, const Matrix& rhs) {
    Matrix ret;
    for (int iRow = 0; iRow < N; iRow++) {
      for (int iColumn = 0; iColumn < N; iColumn++) {
        for (int i = 0; i < N; i++) {
          ret.elements_[iRow][iColumn] += lhs.elements_[iRow][i] * rhs.elements_[i][iColumn];
        }
      }
    }
    return ret;
  }


public:
  //------------------------------------------
  //
  //  論理演算子
  //
  //------------------------------------------
  friend bool operator ==(const Matrix& lhs, const Matrix& rhs) {
    for (int iRow = 0; iRow < N; iRow++) {
      for (int iColumn = 0; iColumn < N; iColumn++) {
        if (lhs.elements_[iRow][iColumn] != rhs.elements_[iRow][iColumn])
          return false;
      }
    }
    return true;
  }

  friend bool operator !=(const Matrix& lhs, const Matrix& rhs) {
    return !(lhs == rhs);
  }


private:
  T elements_[N][N] = {};

};  // class Matrix


int main()
{
  Matrix<int, 3> x{{1,2,3},{4,5,6},{7,8,9}};
  Matrix<int, 3> y = x;

  y += x;

  std::cout << y << std::endl;
  std::cout << std::boolalpha << (x == (y - x)) << std::endl;

  return 0;
}


実行結果は

[[2,4,6],[8,10,12],[14,16,18]]
true

のようになる。

operator+=()を使って、operator+()を定義するよくある実装を使った。
次回はいよいよ、余因子行列と行列式を定義してみたい。

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