NumPy C-API の NPY_USE_SETITEM マクロの徹底解説

NumPy C-API の NPY_USE_SETITEM について

NPY_USE_SETITEM の役割

NumPy 配列は、C 言語の構造体 PyArrayObject で表現されます。この構造体には、配列のデータへのポインタ (data) や、配列の形状 (dimensions) などの情報が含まれています。

NPY_USE_SETITEM マクロは、PyArrayObject 構造体の data メンバへの直接アクセスを許可するかどうかに影響を与えます。

NPY_USE_SETITEM が定義されている場合

• PyArrayObject 構造体の data メンバに直接アクセスして、配列の要素値を変更することができます。
• ただし、data メンバへの直接アクセスは、NumPy の内部実装に依存するため、将来のバージョンの NumPy で動作しなくなる可能性があります。

NPY_USE_SETITEM が定義されていない場合

• PyArrayObject 構造体の data メンバに直接アクセスすることはできません。
• 配列の要素値を変更するには、PyArray_SETITEM などの NumPy API を使用する必要があります。
• PyArray_SETITEM などの API は、data メンバへの直接アクセスよりも安全で、将来のバージョンの NumPy でも動作し続けることが保証されています。

NPY_USE_SETITEM の使用例

以下のコードは、NPY_USE_SETITEM マクロを使用して、NumPy 配列の要素値を変更する例です。

#include <numpy/arrayobject.h>

int main() {
  // NumPy 配列を作成
  npy_intp dims[] = {3, 3};
  PyArrayObject *array = PyArray_SimpleNew(2, dims, NPY_INT32);

  // `NPY_USE_SETITEM` が定義されている場合は、`data` メンバに直接アクセスして要素値を変更できる
  #ifdef NPY_USE_SETITEM
    int *data = (int *)PyArray_DATA(array);
    data[0] = 1;
    data[1] = 2;
    data[2] = 3;
  #else
    // `NPY_USE_SETITEM` が定義されていない場合は、`PyArray_SETITEM` を使用する
    PyArray_SETITEM(array, 0, PyInt_FromLong(1));
    PyArray_SETITEM(array, 1, PyInt_FromLong(2));
    PyArray_SETITEM(array, 2, PyInt_FromLong(3));
  #endif

  // NumPy 配列を解放
  Py_DECREF(array);

  return 0;
}

このコードは、NPY_USE_SETITEM マクロが定義されているかどうかによって、data メンバへの直接アクセスと PyArray_SETITEM の使用を切り替えています。

NPY_USE_SETITEM マクロは、NumPy C-API で提供される便利なマクロですが、将来のバージョンの NumPy で動作しなくなる可能性があることに注意する必要があります。

コードの移植性を保つためには、NPY_USE_SETITEM マクロに依存せず、PyArray_SETITEM などの NumPy API を使用することを推奨します。

NumPy C-API の NPY_USE_SETITEM マクロを使用したサンプルコード

配列の要素値への直接アクセス

#include <numpy/arrayobject.h>

int main() {
  // NumPy 配列を作成
  npy_intp dims[] = {3, 3};
  PyArrayObject *array = PyArray_SimpleNew(2, dims, NPY_INT32);

  // `NPY_USE_SETITEM` が定義されている場合は、`data` メンバに直接アクセスして要素値を変更できる
  #ifdef NPY_USE_SETITEM
    int *data = (int *)PyArray_DATA(array);
    for (int i = 0; i < 9; i++) {
      data[i] = i + 1;
    }
  #else
    // エラー: `NPY_USE_SETITEM` が定義されていないため、`data` メンバに直接アクセスできない
  #endif

  // NumPy 配列を解放
  Py_DECREF(array);

  return 0;
}

PyArray_SETITEM を使用した要素値の設定

#include <numpy/arrayobject.h>

int main() {
  // NumPy 配列を作成
  npy_intp dims[] = {3, 3};
  PyArrayObject *array = PyArray_SimpleNew(2, dims, NPY_INT32);

  // `PyArray_SETITEM` を使用して要素値を設定
  for (int i = 0; i < 9; i++) {
    PyArray_SETITEM(array, Py_BuildValue("(ii)", i / 3, i % 3), PyInt_FromLong(i + 1));
  }

  // NumPy 配列を解放
  Py_DECREF(array);

  return 0;
}

このコードは、PyArray_SETITEM 関数を使用して、ループを使用してすべての要素値を設定します。

スライスを使用した要素値の設定

#include <numpy/arrayobject.h>

int main() {
  // NumPy 配列を作成
  npy_intp dims[] = {3, 3};
  PyArrayObject *array = PyArray_SimpleNew(2, dims, NPY_INT32);

  // スライスを使用して要素値を設定
  PyArray_SETITEM(array, PySlice_New(0, 3), PyArray_arange(array, 0, 3, 1));
  PyArray_SETITEM(array, PySlice_New(1, 3), PyArray_arange(array, 3, 6, 1));
  PyArray_SETITEM(array, PySlice_New(2, 3), PyArray_arange(array, 6, 9, 1));

  // NumPy 配列を解放
  Py_DECREF(array);

  return 0;
}

このコードは、スライスを使用して、3 つの行の要素値を設定します。

ブロードキャストを使用した要素値の設定

#include <numpy/arrayobject.h>

int main() {
  // NumPy 配列を作成
  npy_intp dims[] = {3, 3};
  PyArrayObject *array = PyArray_SimpleNew(2, dims, NPY_INT32);

  // ブロードキャストを使用して要素値を設定
  PyArray_SETITEM(array, Py_None, PyInt_FromLong(1));

  // NumPy 配列を解放
  Py_DECREF(array);

  return 0;
}

このコードは、Py_None オブジェクトを使用して、すべての要素値を 1 に設定します。

マスクを使用した要素値の設定

#include <numpy/arrayobject.h>

int main() {
  // NumPy 配列を作成
  npy_intp dims[] = {3, 3};
  PyArrayObject *array = PyArray_SimpleNew(2, dims, NPY_INT32);

  // マスクを使用して要素値を設定
  PyArrayObject *mask = PyArray_New

NumPy C-API で NumPy 配列の要素値を設定するその他の方法

PyArray_CopyInto 関数

#include <numpy/arrayobject.h>

int main() {
  // NumPy 配列を作成
  npy_intp dims[] = {3, 3};
  PyArrayObject *array = PyArray_SimpleNew(2, dims, NPY_INT32);
  PyArrayObject *source = PyArray_SimpleNew(2, dims, NPY_INT32);

  // `PyArray_CopyInto` を使用して要素値をコピー
  PyArray_CopyInto(array, source);

  // NumPy 配列を解放
  Py_DECREF(array);
  Py_DECREF(source);

  return 0;
}

このコードは、source 配列のすべての要素値を array 配列にコピーします。

PyArray_Fill 関数は、指定された値で NumPy 配列のすべての要素値を設定するために使用できます。

#include <numpy/arrayobject.h>

int main() {
  // NumPy 配列を作成
  npy_intp dims[] = {3, 3};
  PyArrayObject *array = PyArray_SimpleNew(2, dims, NPY_INT32);

  // `PyArray_Fill` を使用して要素値を設定
  PyArray_Fill(array, PyInt_FromLong(1));

  // NumPy 配列を解放
  Py_DECREF(array);

  return 0;
}

このコードは、array 配列のすべての要素値を 1 に設定します。

PyArray_MapIter 関数は、NumPy 配列の各要素に対して関数を適用するために使用できます。

#include <numpy/arrayobject.h>

int main() {
  // NumPy 配列を作成
  npy_intp dims[] = {3, 3};
  PyArrayObject *array = PyArray_SimpleNew(2, dims, NPY_INT32);

  // `PyArray_MapIter` を使用して要素値に平方根を適用
  PyArrayIterObject *iter = PyArray_MapIterNew(array, PyArray_ITER_CORDER);
  while (PyArray_ITER_NOTDONE(iter)) {
    int *value = (int *)PyArray_ITER_DATA(iter);
    *value = sqrt(*value);
    PyArray_ITER_NEXT(iter);
  }
  PyArray_MapIter_Free(iter);

  // NumPy 配列を解放
  Py_DECREF(array);

  return 0;
}

このコードは、array 配列のすべての要素値の平方根を計算します。

NumPy ufuncs

NumPy は、数学演算や統計関数など、さまざまなユニバーサル関数 (ufunc) を提供しています。これらの ufunc は、NumPy 配列の要素値に対して効率的に操作を実行するために使用できます。

#include <numpy/arrayobject.h>

int main() {
  // NumPy 配列を作成
  npy_intp dims[] = {3, 3};
  PyArrayObject *array = PyArray_SimpleNew(2, dims, NPY_INT32);

  // NumPy ufunc を使用して要素値に平方根を適用
  PyArray_Square(array, array);

  // NumPy 配列を解放
  Py_DECREF(array);

  return 0;
}

このコードは、PyArray_Square ufunc を使用して、array 配列のすべての要素値の平方根を計算します。

その他のライブラリ

NumPy C-API 以外にも、NumPy 配列を操作するためのライブラリがいくつかあります。

これらのライブラリは、NumPy C-API よりも高度な機能を提供する場合があります。