Opérations physiques sécurisées en C++

Question

Est-ce que cela a un sens en C++ de définir les unités physiques comme des types séparés et de définir des opérations valides entre ces types ?

Y a-t-il un avantage à introduire un grand nombre de types et de surcharges d'opérateurs au lieu d'utiliser simplement des valeurs à virgule flottante pour les représenter ?

Exemple :

class Time{...};
class Length{...};
class Speed{...};
...
Time operator""_s(long double val){...}
Length operator""_m(long double val){...}
...
Speed operator/(const Length&, const Time&){...}

Où Time , Length y Speed ne peut être créé que comme type de retour de différents opérateurs ?

Answer 1

Est-ce que cela a un sens en C++ de définir les unités physiques comme des types séparés et de définir des opérations valides entre ces types ?

Absolument. La bibliothèque standard de Chrono le fait déjà pour les points de temps et les durées.

Y a-t-il un avantage à introduire un grand nombre de types et de surcharges d'opérateurs au lieu d'utiliser simplement des valeurs à virgule flottante pour les représenter ?

Oui : vous pouvez utiliser le système de types pour détecter les erreurs telles que l'ajout d'une masse à une distance au moment de la compilation, sans ajouter de surcharge au moment de l'exécution.

Si vous n'avez pas envie de définir les types et les opérateurs vous-même, Boost dispose d'une fonction Bibliothèque des unités pour ça.

Answer 2

Je recommande vraiment boost::unités pour ça. Il fait toute la conversion à la compilation et vous donne également une erreur de compilation si vous essayez d'utiliser des dimensions erronées. exemple de code psuedo :

length l1, l2, l3;
area a1 = l1 * l2; // Compiles
area a2 = l1 * l2 * l3; // Compile time error, an area can't be the product of three lengths.
volume v1 = l1 * l2 * l3; // Compiles

Answer 3

J'ai suivi cette voie. Les avantages sont tous les nombreux et bons avantages normaux de la sécurité de type. Les inconvénients que j'ai rencontrés :

• Vous voudrez enregistrer les valeurs intermédiaires dans les calculs... comme les secondes au carré. Avoir ces valeurs type est quelque peu dénuée de sens (secondes^2 n'est évidemment pas un type comme velocity est).
• Vous voudrez effectuer des calculs de plus en plus complexes qui nécessiteront de plus en plus de surcharges/définitions d'opérateurs.

En fin de compte, il est extrêmement propre pour des calculs simples et des objectifs simples. Mais lorsque les mathématiques se compliquent, il est difficile de faire jouer un système d'unités typées.

Answer 4

Tout le monde a mentionné les garanties de sécurité des types comme un plus. Un autre ENORME avantage est la possibilité d'abstraire le concept (longueur) des unités (mètre).

Ainsi, par exemple, un problème courant en matière d'unités est de mélanger le système SI et le système métrique. Lorsque les concepts sont abstraits sous forme de classes, ce problème n'existe plus :

Length width = Length::fromMeters(2.0);
Length height = Length::fromFeet(6.5);
Area area = width * height; //Area is computed correctly!
cout << "The total area is " << area.toInches() << " inches squared.";

L'utilisateur de la classe n'a pas besoin de savoir quelles unités la représentation interne utilise... du moins, tant qu'il n'y a pas de graves problèmes d'arrondi.

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J'aimerais vraiment que plus de bibliothèques de trigonométrie fassent cela avec les angles, parce que je dois toujours chercher s'ils attendent des degrés ou des radians...

Answer 5

Oui, c'est logique. Pas seulement en physique, mais dans n'importe quelle discipline. En finance, par exemple, les taux d'intérêt sont exprimés en unités d'intervalles de temps inverses (généralement exprimés par an). L'argent a de nombreuses unités différentes. La conversion entre elles ne peut se faire qu'avec un taux croisé, a dimensions d'une monnaie divisée par une autre. Les paiements d'intérêts, de dividendes, de capital, etc. ont généralement lieu à une certaine fréquence.

Il peut empêcher de multiplier deux valeurs et de se retrouver avec une valeur illégale. Il peut empêcher d'additionner des dollars et des euros, etc.