NumPy C-API: UFUNC_SHIFT_DIVIDEBYZEROフラグによるゼロ除算処理の詳細解説

NumPy C-APIにおけるUFUNC_SHIFT_DIVIDEBYZERO解説

詳細

• デフォルト動作: NumPyでは、ゼロ除算が発生すると例外が発生します。これは、多くの場合望ましい動作ですが、一部の状況では異なる動作が必要になる場合があります。
• UFUNC_SHIFT_DIVIDEBYZEROフラグ: このフラグを設定すると、ゼロ除算が発生した場合、例外ではなく特別な値 (NPY_SHIFT_DIVIDEBYZERO) が返されます。
• NPY_SHIFT_DIVIDEBYZERO 値: この値は、通常、浮動小数点型の最大値または最小値に設定されます。
• 使用例: このフラグは、ゼロ除算が発生してもプログラムを続行したい場合に使用されます。例えば、画像処理ライブラリでは、ゼロ除算が発生しても画像の一部のみが破損するような処理を行うためにこのフラグを使用することができます。

コード例

#include <numpy/ufunc_object.h>

static void my_ufunc(char **args, npy_intp *dimensions, npy_intp *steps, void *data) {
  // ...

  // ゼロ除算が発生した場合、特別な値を返す
  if (args[0][i] == 0) {
    args[1][i] = NPY_SHIFT_DIVIDEBYZERO;
    return;
  }

  // ...
}

PyUFuncGenericFunction my_ufunc_functions[] = {
  my_ufunc,
  // ...
};

static PyUFuncObject my_ufunc_object = {
  .fn = my_ufunc_functions,
  // ...
};

void init_my_ufunc(void) {
  import_array();

  PyUFunc_RegisterLooselyTyped(&my_ufunc_object, "my_ufunc", 2, 2, 1, NULL);
}

このコード例では、my_ufunc という名前の ufunc 関数を定義しています。この関数は、最初の引数がゼロの場合、特別な値 (NPY_SHIFT_DIVIDEBYZERO) を返します。

注意点

• UFUNC_SHIFT_DIVIDEBYZEROフラグを使用すると、プログラムの動作が微妙に変化する可能性があります。
• このフラグを使用する前に、その影響を十分に理解しておく必要があります。

• NumPy C-APIは複雑なため、初心者には理解が難しい場合があります。
• NumPy C-APIを使用する前に、NumPyのチュートリアルやドキュメントを読むことをお勧めします。

NumPy C-APIにおけるUFUNC_SHIFT_DIVIDEBYZEROフラグのサンプルコード

単純な例

#include <numpy/ufunc_object.h>

static void my_ufunc(char **args, npy_intp *dimensions, npy_intp *steps, void *data) {
  npy_intp i;

  for (i = 0; i < dimensions[0]; i++) {
    // ゼロ除算が発生した場合、特別な値を返す
    if (args[0][i] == 0) {
      args[1][i] = NPY_SHIFT_DIVIDEBYZERO;
      return;
    }

    args[1][i] = args[0][i] / args[2][i];
  }
}

PyUFuncGenericFunction my_ufunc_functions[] = {
  my_ufunc,
};

static PyUFuncObject my_ufunc_object = {
  .fn = my_ufunc_functions,
  .types = {NPY_FLOAT, NPY_FLOAT, NPY_FLOAT},
  .nin = 2,
  .nout = 1,
  .np_exports = {
    .name = "my_ufunc",
    .doc = "My ufunc",
  },
};

void init_my_ufunc(void) {
  import_array();

  PyUFunc_RegisterLooselyTyped(&my_ufunc_object, "my_ufunc", 2, 2, 1, NULL);
}

画像処理の例

#include <numpy/ufunc_object.h>
#include <numpy/ndarrayobject.h>

static void my_ufunc(char **args, npy_intp *dimensions, npy_intp *steps, void *data) {
  npy_intp i, j;

  // 入力画像と出力画像を取得
  PyArrayObject *input_image = (PyArrayObject *)args[0];
  PyArrayObject *output_image = (PyArrayObject *)args[1];

  // 画像のサイズを取得
  npy_intp width = PyArray_DIM(input_image, 1);
  npy_intp height = PyArray_DIM(input_image, 0);

  // 画像の各ピクセルを処理
  for (i = 0; i < height; i++) {
    for (j = 0; j < width; j++) {
      // 入力ピクセルの値を取得
      float input_pixel = *(float *)PyArray_GETPTR2(input_image, i, j);

      // ゼロ除算が発生した場合、特別な値を返す
      if (input_pixel == 0) {
        *(float *)PyArray_GETPTR2(output_image, i, j) = NPY_SHIFT_DIVIDEBYZERO;
        continue;
      }

      // 出力ピクセルの値を計算
      *(float *)PyArray_GETPTR2(output_image, i, j) = input_pixel / 255.0f;
    }
  }
}

PyUFuncGenericFunction my_ufunc_functions[] = {
  my_ufunc,
};

static PyUFuncObject my_ufunc_object = {
  .fn = my_ufunc_functions,
  .types = {NPY_FLOAT, NPY_FLOAT},
  .nin = 1,
  .nout = 1,
  .np_exports = {
    .name = "my_ufunc",
    .doc = "My ufunc",
  },
};

void init_my_ufunc(void) {
  import_array();

  PyUFunc_RegisterLooselyTyped(&my_ufunc_object, "my_ufunc", 1, 1, 1, NULL);
}

このコード例では、my_ufunc という名前の ufunc 関数を定義しています。この関数は、入力画像を受け取り、各ピクセルの値を255で割

NumPy C-APIにおけるUFUNC_SHIFT_DIVIDEBYZEROフラグの代替方法

例外処理

#include <numpy/ufunc_object.h>

static void my_ufunc(char **args, npy_intp *dimensions, npy_intp *steps, void *data) {
  npy_intp i;

  for (i = 0; i < dimensions[0]; i++) {
    // ゼロ除算が発生した場合、例外を発生させる
    if (args[0][i] == 0) {
      PyErr_SetString(PyExc_ArithmeticError, "Division by zero");
      return;
    }

    args[1][i] = args[0][i] / args[2][i];
  }
}

PyUFuncGenericFunction my_ufunc_functions[] = {
  my_ufunc,
};

static PyUFuncObject my_ufunc_object = {
  .fn = my_ufunc_functions,
  .types = {NPY_FLOAT, NPY_FLOAT, NPY_FLOAT},
  .nin = 2,
  .nout = 1,
  .np_exports = {
    .name = "my_ufunc",
    .doc = "My ufunc",
  },
};

void init_my_ufunc(void) {
  import_array();

  PyUFunc_RegisterLooselyTyped(&my_ufunc_object, "my_ufunc", 2, 2, 1, NULL);
}

このコード例では、my_ufunc という名前の ufunc 関数を定義しています。この関数は、2つの入力配列を受け取り、最初の配列の各要素を2番目の配列の各要素で割ります。ただし、最初の配列の要素がゼロの場合、例外 (PyExc_ArithmeticError) を発生させます。

特別な値の代入

#include <numpy/ufunc_object.h>

static void my_ufunc(char **args, npy_intp *dimensions, npy_intp *steps, void *data) {
  npy_intp i;

  for (i = 0; i < dimensions[0]; i++) {
    // ゼロ除算が発生した場合、特別な値を代入する
    if (args[0][i] == 0) {
      args[1][i] = NPY_NAN;
      continue;
    }

    args[1][i] = args[0][i] / args[2][i];
  }
}

PyUFuncGenericFunction my_ufunc_functions[] = {
  my_ufunc,
};

static PyUFuncObject my_ufunc_object = {
  .fn = my_ufunc_functions,
  .types = {NPY_FLOAT, NPY_FLOAT, NPY_FLOAT},
  .nin = 2,
  .nout = 1,
  .np_exports = {
    .name = "my_ufunc",
    .doc = "My ufunc",
  },
};

void init_my_ufunc(void) {
  import_array();

  PyUFunc_RegisterLooselyTyped(&my_ufunc_object, "my_ufunc", 2, 2, 1, NULL);
}

このコード例では、my_ufunc という名前の ufunc 関数を定義しています。この関数は、2つの入力配列を受け取り、最初の配列の各要素を2番目の配列の各要素で割ります。ただし、最初の配列の要素がゼロの場合、特別な値 (NPY_NAN) を代入します。

マスク配列の使用

#include <numpy/ufunc_object.h>
#include <numpy/ndarrayobject.h>

static void my_ufunc(char **args, npy_intp *dimensions, npy_intp *steps, void *data) {
  npy_intp i;

  // 入力マスクと出力マスクを取得
  PyArrayObject *input_mask = (PyArrayObject *)args[2];
  PyArrayObject *output_mask = (PyArrayObject *)args[3];

  // 入力配列と出力配列を取得
  PyArrayObject *input_array