将函数作为静态类传递给Java中的快速数值

Question

我想用Java进行一些数值计算，并使操作真正模块化，我希望将函数作为其他函数的参数传递。 我正在搜索，通常它是通过使用扭曲函数的类在Java中完成的。 我真的不需要实例化这些类（里面没有数据），并且我想使其尽可能快（有人写到最终静态方法由JIT编译器内联）。 所以我做了这样的事情

public static class Function2 {
  public static float eval(float a, float b){ return Float.NaN; }  
}

public static class FAdd extends Function2 {
  public static float eval(float a, float b){ return a+b; }  
}

public static class Fmult extends Function2 {
  public static float eval(float a, float b){ return a*b; }  
}

void arrayOp( float [] a, float [] b, float [] out, Function2 func ){
  for (int i=0; i<a.length; i++){     out[i] = func.eval( a[i], b[i] );   }
}

float [] a,b, out;

void setup(){
  println( FAdd.eval(10,20) );
  arrayOp( a,b, out, FAdd );
}

但是，它会打印错误：即使将println（FAdd.eval（10,20））正常工作，当我尝试将其传递给arrayOp时，也会显示“找不到类似于FAdd的内容”。 因此，由于某种原因，似乎不可能通过静态类作为参数。

您建议解决该任务的是什么？ 我实际上希望FAdd像宏一样，nad arrayOp是polymorf（取决于我传入的宏）。 但是理想的情况是在编译时（而不是在运行时）解决该问题以提高数值速度。 编译结果应该和我写的一样

void arrayAdd( float [] a, float [] b, float [] out ){
  for (int i=0; i<a.length; i++){     out[i] = a[i]  + b[i];    }
}
void arrayMult( float [] a, float [] b, float [] out ){
  for (int i=0; i<a.length; i++){     out[i] = a[i] * b[i];   }
} 

Answer 1

您是否考虑过使用枚举？

private void test() {
  test(3.0f, 4.0f, F.Add);
  test(3.0f, 4.0f, F.Sub);
  test(3.0f, 4.0f, F.Mul);
  test(3.0f, 4.0f, F.Div);
  float[] a = {1f, 2f, 3f, 4f, 5f};
  float[] b = {4f, 9f, 16f, 25f, 36f};
  test(a, b, F.Add);
  test(a, b, F.Sub);
  test(a, b, F.Mul);
  test(a, b, F.Div);
}

private void test(float[] a, float[] b, F f) {
  System.out.println(Arrays.toString(a) + " " + f + " " + Arrays.toString(b) + " = " + Arrays.toString(f.f(a, b, f)));
}

private void test(float a, float b, F f) {
  System.out.println(a + " " + f + " " + b + " = " + f.f(a, b));
}

public enum F {
  Add {
    @Override
    public float f(float x, float y) {
      return x + y;
    }

    @Override
    public String toString() {
      return "+";
    }
  },
  Sub {
    @Override
    public float f(float x, float y) {
      return x - y;
    }

    @Override
    public String toString() {
      return "-";
    }
  },
  Mul {
    @Override
    public float f(float x, float y) {
      return x * y;
    }

    @Override
    public String toString() {
      return "*";
    }
  },
  Div {
    @Override
    public float f(float x, float y) {
      return x / y;
    }

    @Override
    public String toString() {
      return "/";
    }
  };

  // Evaluate to a new array.
  static float[] f(float[] x, float[] y, F f) {
    float[] c = new float[x.length];
    for (int i = 0; i < x.length; i++) {
      c[i] = f.f(x[i], y[i]);
    }
    return c;
  }

  // All must have an f(x,y) method.
  public abstract float f(float x, float y);

  // Also offer a toString - defaults to the enum name.  
  @Override
  public String toString() {
    return this.name();
  }
}

印刷品：

3.0 + 4.0 = 7.0
3.0 - 4.0 = -1.0
3.0 * 4.0 = 12.0
3.0 / 4.0 = 0.75
[1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0] + [4.0, 9.0, 16.0, 25.0, 36.0] = [5.0, 11.0, 19.0, 29.0, 41.0]
[1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0] - [4.0, 9.0, 16.0, 25.0, 36.0] = [-3.0, -7.0, -13.0, -21.0, -31.0]
[1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0] * [4.0, 9.0, 16.0, 25.0, 36.0] = [4.0, 18.0, 48.0, 100.0, 180.0]
[1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0] / [4.0, 9.0, 16.0, 25.0, 36.0] = [0.25, 0.22222222, 0.1875, 0.16, 0.1388889]

Answer 2

您实际上想要实现的是匿名函数或lambda表达式的功能 ，该功能在JSR 335（Java编程语言的Lambda表达式）中，并且将在Java 8中可用。目前，只有匿名内部类与之接近。 stackoverflow中的这个问题（ 在Java中最接近的替代函数指针的地方是什么？ ）可能会对您有所帮助。

Answer 3

您做出了一个巨大的假设，即最快的代码只有在最终的静态方法中才会生效。 您很可能错了，应该专注于正确地进行架构设计和性能测试。

如上所述，一种方法是使用敌人的方法。 我要说的是您应该做的是与eval函数建立接口。 然后，您可以传入接口的实现。

Java VM将实现适当地优化该代码。

Answer 4

静态方法不能被覆盖，但是您可以使用匿名类来实现：

public static class Function2 {
    public float eval(float a, float b){ return Float.NaN; }  
}

arrayOp(a, b, out, new Function2() {
    public float eval(float a, float b){
        return FAdd.eval(a, b);
    }});

请注意，Function2中eval（）中的方法声明不是静态的。

Answer 5

您实际上是在实现中混合了实例和类。 当您有一个这样声明的方法时：

void arrayOp( float [] a, float [] b, float [] out, Function2 func ){
   for (int i=0; i<a.length; i++){     out[i] = func.eval( a[i], b[i] );   }
}

基本上，您是在说您希望使用Function2类的实例，而不是真正的类参数。 另外，该语句在语法上是不正确的：

arrayOp( a,b, out, FAdd );

因此，假设您要将类本身发送给方法，那么您对arrayOp的声明将类似于：

void arrayOp( float [] a, float [] b, float [] out, Class func ){

当您调用此方法时，将以这种方式传递参数：

arrayOp( a,b, out, FAdd.class );

但是静态方法不能通过继承重写。 您需要完全不同的实现方式来实现目标。 就是说@OldCurmudgeon为您的问题提供了一个非常好的解决方案。 考虑使用它。

Answer 6

我进行了一些测试，似乎确实没有必要尝试在现代计算机上对其进行优化。

机器1-（我的旧家用计算机）32位WinXP，英特尔奔腾3（我不确定Java版本）对于float.mult和float.add这两个操作，静态版本的运行速度都快2倍以上

static  100000000 [ops]  406.0 [s]  4.06 [ns/op] 
dynamic 100000000 [ops]  1188.0 [s]  11.88 [ns/op] 

但是对于float Sqrt而言，差异已经很小

static  100000000 [ops]  922.0 [s]  9.22 [ns/op] 
dynamic 100000000 [ops]  1172.0 [s]  11.719999 [ns/op] 

机器2-（我的计算机在工作）-64位ubuntu 12.04LTS，Intel Core5，Java版本“ 1.6.0_12-ea，Java SE运行时环境（内部版本1.6.0_12-ea-b02），Java HotSpot（TM） 64位服务器VM（内部版本11.2-b01，混合模式）结果要好得多（对于float.add）：

static  1000000000 [ops]  1747.0 [s]  1.7470001 [ns/op] 
dynamic 1000000000 [ops]  1750.0 [s]  1.75 [ns/op] 

所以-我认为处理器或JIT已经足够聪明，因此无论如何都不需要优化此功能。

注意：- 静态均值解决方案而不传递函数（我只是手动将操作内联到循环中），-当我将传递函数用作动态对象实例（非静态类）时，采用动态均值解决方案。 JIT似乎知道类内没有动态数据，因此无论如何它都会在编译时解决它。

所以我的动态解决方案很简单：

public class Function2 {
  public float eval(float a, float b){ return Float.NaN; }  
}

public class FAdd extends Function2 {
  public float eval(float a, float b){ return a+b; }
}

public class FMult extends Function2 {
  public float eval(float a, float b){ return a*b; }  
}

public void arrayOp( float [] a, float [] b, float [] out, Function2 func ){
  for (int i=0; i<a.length; i++){     out[i] = func.eval( a[i], b[i] );   }
}

final int m = 100;
final int n = 10000000;
float t1,t2;
float [] a,b, out;
a = new float[n];   b = new float[n];   out = new float[n];
t1 = millis();
Function2 func = new FMult(); 
for (int i=0;i<m;i++) arrayOp( a,b, out, func );
t2 = millis();
println( " dynamic " +(n*m)+" [ops]  "+(t2-t1)+" [s]  "+ 1000000*((t2-t1)/(n*m))+" [ns/op] " );