libmesh 迭代器的实现和方法(1)
在阅读
libmesh源码的过程中，会接触到两个类：DistributedMesh和ReplicatedMesh，它们都是用来存放有限元问题的模型数据（主要包括问题离散后的节点Node和单元Elem数据）。两个类主要的不同在于它们存放节点Node和单元Elem数据方式不同。由于libmesh主要面向的高性能计算的用户，其主要的用户计算的模型主要是大规模的实际工程问题，所以实际在程序计算过程中，需要多个CPU核同时进行计算。ReplicatedMesh类主要在存放Node和Elem的过程中，每个CPUprocesser都会存放完整的一套Node和Elem数据，但是每个CPUprocesser参与处理和计算的Node和Elem都是整套数据的部分，因此存在大量的数据存储浪费.而DistributedMesh在存放Node和Elem过程中，采用分布式存放的方式进行数据的存放，每个CPUProcesser仅仅存放跟本Processer计算相关的Node和Elem的数据，这样能保证程序在计算内存中大大的减少.
在阅读libmesh代码的mesh对象时，其定义了一个抽象基类MesBbase,该类中主要是定义了mesh类大概需要的一些函数接口(API).然后通过使用UnstructuredMesh对象主要是声明了mesh对象的基础功能，读写入文件等。
mesh对象的继承关系如下:
DistributedMesh --
|-- > UnstructuredMesh -> MeshBase
ReplicatedMesh --
libmesh中mesh对象的迭代器使用
在
DistributedMesh类中存放Elem数据使用的是自定义的mapvector进行存放，其底层使用的是std::map<Elem *,Dof_id_type>进行数据存放(此处不知道为何分布式存放的方式需要使用Key-value的模式)。与之对应的是ReplicatedMesh类在存放Elem数据使用的是std::vector<Elem *>，由于针对该类型每个Processer都存放了完整的Elem数据，因此只要保证每个processer对应Elem数据都相同即可(包括单元序号，顺序，大小完全一模一样).使用std::vector<Elem *>存放完全可以理解。但是DistributedMesh使用std::map方式存放的原因暂时不太清楚。说明:
elem数据和Node数据都是类似的，所以清楚了Elem等于清楚了Node的迭代模式。
由于在两个类都是继承自最基础的MeshBase类，而该类定义了大量的迭代器函数，包括单元迭代器和节点迭代器。根据不同的实现功能不同进行区分:
// 正常的单元迭代器
virtual element_iterator elements_begin () = 0;
virtual element_iterator elements_end () = 0;
virtual const_element_iterator elements_begin () const = 0;
virtual const_element_iterator elements_end () const = 0;
// 遍历所有elem->ancestor() 为true的单元 (具体功能不太清楚)
virtual element_iterator ancestor_elements_begin () = 0;
virtual element_iterator ancestor_elements_end () = 0;
virtual const_element_iterator ancestor_elements_begin () const = 0;
virtual const_element_iterator ancestor_elements_end () const = 0;
// ...
由于上面定义都是抽象类，所以在DistributedMesh和ReplicatedMesh类的定义中都已经override覆盖了原始的定义(在对应类的声明定义中，只有对应迭代器的声明，没有函数定义和实现，一直很奇怪，通过生成的可执行程序进行debug调试，终于找到两个类所有迭代器的实现,在mesh_iterator.C文件).
libmesh中迭代器的定义
Libmesh中MeshBase类迭代器的定义和实现是在mesh_iterator.C文件中实现的，而且其应用了C语言中宏的方式实现的。
其中宏的定义如下:
// 单元 (同理节点也是一样的)
#define INSTANTIATE_ELEM_ACCESSORS(FUNC_PREFIX, PRED, FUNC_ARG, ...) \
ReplicatedMesh::element_iterator \
ReplicatedMesh::FUNC_PREFIX##_begin (FUNC_ARG) \
{ \
return element_iterator(_elements.begin(), _elements.end(), Predicates::PRED<elem_iterator_imp>(__VA_ARGS__)); \
} \
ReplicatedMesh::const_element_iterator \
ReplicatedMesh::FUNC_PREFIX##_begin (FUNC_ARG) const \
{ \
return const_element_iterator(_elements.begin(), _elements.end(), Predicates::PRED<const_elem_iterator_imp>(__VA_ARGS__)); \
} \
ReplicatedMesh::element_iterator \
ReplicatedMesh::FUNC_PREFIX##_end (FUNC_ARG) \
{ \
return element_iterator(_elements.end(), _elements.end(), Predicates::PRED<elem_iterator_imp>(__VA_ARGS__)); \
} \
ReplicatedMesh::const_element_iterator \
ReplicatedMesh::FUNC_PREFIX##_end (FUNC_ARG) const \
{ \
return const_element_iterator(_elements.end(), _elements.end(), Predicates::PRED<const_elem_iterator_imp>(__VA_ARGS__)); \
} \
DistributedMesh::element_iterator \
DistributedMesh::FUNC_PREFIX##_begin (FUNC_ARG) \
{ \
return element_iterator(_elements.begin(), _elements.end(), Predicates::PRED<elem_iterator_imp>(__VA_ARGS__)); \
} \
DistributedMesh::const_element_iterator \
DistributedMesh::FUNC_PREFIX##_begin (FUNC_ARG) const \
{ \
return const_element_iterator(_elements.begin(), _elements.end(), Predicates::PRED<const_elem_iterator_imp>(__VA_ARGS__)); \
} \
DistributedMesh::element_iterator \
DistributedMesh::FUNC_PREFIX##_end (FUNC_ARG) \
{ \
return element_iterator(_elements.end(), _elements.end(), Predicates::PRED<elem_iterator_imp>(__VA_ARGS__)); \
} \
DistributedMesh::const_element_iterator \
DistributedMesh::FUNC_PREFIX##_end (FUNC_ARG) const \
{ \
return const_element_iterator(_elements.end(), _elements.end(), Predicates::PRED<const_elem_iterator_imp>(__VA_ARGS__)); \
}
针对两种类(DistributedMesh和ReplicatedMesh)的函数接口都有四种实现，都是分别于类的声明的中的实现是一致的(包括begin和end两种迭代器，同时两种迭代器的分别有const返回和non-const返回值的区别)。
virtual element_iterator elements_begin () = 0;
virtual element_iterator elements_end () = 0;
virtual const_element_iterator elements_begin () const = 0;
virtual const_element_iterator elements_end () const = 0;
其中Elem的各种迭代器函数的实现(根据宏的定义):elem,active_elements,ancestor_elements...等等.代码实现如下:
INSTANTIATE_ELEM_ACCESSORS(elements, NotNull, EMPTY, EMPTY)
INSTANTIATE_ELEM_ACCESSORS(active_elements, Active, EMPTY, EMPTY)
INSTANTIATE_ELEM_ACCESSORS(not_active_elements, NotActive, EMPTY, EMPTY)
INSTANTIATE_ELEM_ACCESSORS(ancestor_elements, Ancestor, EMPTY, EMPTY)
INSTANTIATE_ELEM_ACCESSORS(not_ancestor_elements, NotAncestor, EMPTY, EMPTY)
INSTANTIATE_ELEM_ACCESSORS(subactive_elements, SubActive, EMPTY, EMPTY)
INSTANTIATE_ELEM_ACCESSORS(not_subactive_elements, NotSubActive, EMPTY, EMPTY)
INSTANTIATE_ELEM_ACCESSORS(local_elements, Local, EMPTY, this->processor_id())
INSTANTIATE_ELEM_ACCESSORS(semilocal_elements, ActiveSemiLocal, EMPTY, this->processor_id())
INSTANTIATE_ELEM_ACCESSORS(active_semilocal_elements, ActiveSemiLocal, EMPTY, this->processor_id())
INSTANTIATE_ELEM_ACCESSORS(facelocal_elements, FaceLocal, EMPTY, this->processor_id())
INSTANTIATE_ELEM_ACCESSORS(not_local_elements, NotLocal, EMPTY, this->processor_id())
INSTANTIATE_ELEM_ACCESSORS(active_local_elements, ActiveLocal, EMPTY, this->processor_id())
INSTANTIATE_ELEM_ACCESSORS(active_not_local_elements, ActiveNotLocal, EMPTY, this->processor_id())
根据宏的展开，分别实现了对应类函数接口的实现功能.
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