Scarab  2.8.1
Project 8 C++ Utility Library
test_eigen.cpp
Go to the documentation of this file.
1 /*
2  tests/eigen.cpp -- automatic conversion of Eigen types
3 
4  Copyright (c) 2016 Wenzel Jakob <wenzel.jakob@epfl.ch>
5 
6  All rights reserved. Use of this source code is governed by a
7  BSD-style license that can be found in the LICENSE file.
8 */
9 
10 #include "pybind11_tests.h"
11 #include "constructor_stats.h"
12 #include <pybind11/eigen.h>
13 #include <pybind11/stl.h>
14 
15 #if defined(_MSC_VER)
16 # pragma warning(disable: 4996) // C4996: std::unary_negation is deprecated
17 #endif
18 
19 #include <Eigen/Cholesky>
20 
21 using MatrixXdR = Eigen::Matrix<double, Eigen::Dynamic, Eigen::Dynamic, Eigen::RowMajor>;
22 
23 
24 
25 // Sets/resets a testing reference matrix to have values of 10*r + c, where r and c are the
26 // (1-based) row/column number.
27 template <typename M> void reset_ref(M &x) {
28  for (int i = 0; i < x.rows(); i++) for (int j = 0; j < x.cols(); j++)
29  x(i, j) = 11 + 10*i + j;
30 }
31 
32 // Returns a static, column-major matrix
33 Eigen::MatrixXd &get_cm() {
34  static Eigen::MatrixXd *x;
35  if (!x) {
36  x = new Eigen::MatrixXd(3, 3);
37  reset_ref(*x);
38  }
39  return *x;
40 }
41 // Likewise, but row-major
43  static MatrixXdR *x;
44  if (!x) {
45  x = new MatrixXdR(3, 3);
46  reset_ref(*x);
47  }
48  return *x;
49 }
50 // Resets the values of the static matrices returned by get_cm()/get_rm()
51 void reset_refs() {
52  reset_ref(get_cm());
53  reset_ref(get_rm());
54 }
55 
56 // Returns element 2,1 from a matrix (used to test copy/nocopy)
57 double get_elem(Eigen::Ref<const Eigen::MatrixXd> m) { return m(2, 1); };
58 
59 
60 // Returns a matrix with 10*r + 100*c added to each matrix element (to help test that the matrix
61 // reference is referencing rows/columns correctly).
62 template <typename MatrixArgType> Eigen::MatrixXd adjust_matrix(MatrixArgType m) {
63  Eigen::MatrixXd ret(m);
64  for (int c = 0; c < m.cols(); c++) for (int r = 0; r < m.rows(); r++)
65  ret(r, c) += 10*r + 100*c;
66  return ret;
67 }
68 
70  CustomOperatorNew() = default;
71 
72  Eigen::Matrix4d a = Eigen::Matrix4d::Zero();
73  Eigen::Matrix4d b = Eigen::Matrix4d::Identity();
74 
76 };
77 
79  using FixedMatrixR = Eigen::Matrix<float, 5, 6, Eigen::RowMajor>;
80  using FixedMatrixC = Eigen::Matrix<float, 5, 6>;
81  using DenseMatrixR = Eigen::Matrix<float, Eigen::Dynamic, Eigen::Dynamic, Eigen::RowMajor>;
82  using DenseMatrixC = Eigen::Matrix<float, Eigen::Dynamic, Eigen::Dynamic>;
83  using FourRowMatrixC = Eigen::Matrix<float, 4, Eigen::Dynamic>;
84  using FourColMatrixC = Eigen::Matrix<float, Eigen::Dynamic, 4>;
85  using FourRowMatrixR = Eigen::Matrix<float, 4, Eigen::Dynamic>;
86  using FourColMatrixR = Eigen::Matrix<float, Eigen::Dynamic, 4>;
87  using SparseMatrixR = Eigen::SparseMatrix<float, Eigen::RowMajor>;
88  using SparseMatrixC = Eigen::SparseMatrix<float>;
89 
90  m.attr("have_eigen") = true;
91 
92  // various tests
93  m.def("double_col", [](const Eigen::VectorXf &x) -> Eigen::VectorXf { return 2.0f * x; });
94  m.def("double_row", [](const Eigen::RowVectorXf &x) -> Eigen::RowVectorXf { return 2.0f * x; });
95  m.def("double_complex", [](const Eigen::VectorXcf &x) -> Eigen::VectorXcf { return 2.0f * x; });
96  m.def("double_threec", [](py::EigenDRef<Eigen::Vector3f> x) { x *= 2; });
97  m.def("double_threer", [](py::EigenDRef<Eigen::RowVector3f> x) { x *= 2; });
98  m.def("double_mat_cm", [](Eigen::MatrixXf x) -> Eigen::MatrixXf { return 2.0f * x; });
99  m.def("double_mat_rm", [](DenseMatrixR x) -> DenseMatrixR { return 2.0f * x; });
100 
101  // test_eigen_ref_to_python
102  // Different ways of passing via Eigen::Ref; the first and second are the Eigen-recommended
103  m.def("cholesky1", [](Eigen::Ref<MatrixXdR> x) -> Eigen::MatrixXd { return x.llt().matrixL(); });
104  m.def("cholesky2", [](const Eigen::Ref<const MatrixXdR> &x) -> Eigen::MatrixXd { return x.llt().matrixL(); });
105  m.def("cholesky3", [](const Eigen::Ref<MatrixXdR> &x) -> Eigen::MatrixXd { return x.llt().matrixL(); });
106  m.def("cholesky4", [](Eigen::Ref<const MatrixXdR> x) -> Eigen::MatrixXd { return x.llt().matrixL(); });
107 
108  // test_eigen_ref_mutators
109  // Mutators: these add some value to the given element using Eigen, but Eigen should be mapping into
110  // the numpy array data and so the result should show up there. There are three versions: one that
111  // works on a contiguous-row matrix (numpy's default), one for a contiguous-column matrix, and one
112  // for any matrix.
113  auto add_rm = [](Eigen::Ref<MatrixXdR> x, int r, int c, double v) { x(r,c) += v; };
114  auto add_cm = [](Eigen::Ref<Eigen::MatrixXd> x, int r, int c, double v) { x(r,c) += v; };
115 
116  // Mutators (Eigen maps into numpy variables):
117  m.def("add_rm", add_rm); // Only takes row-contiguous
118  m.def("add_cm", add_cm); // Only takes column-contiguous
119  // Overloaded versions that will accept either row or column contiguous:
120  m.def("add1", add_rm);
121  m.def("add1", add_cm);
122  m.def("add2", add_cm);
123  m.def("add2", add_rm);
124  // This one accepts a matrix of any stride:
125  m.def("add_any", [](py::EigenDRef<Eigen::MatrixXd> x, int r, int c, double v) { x(r,c) += v; });
126 
127  // Return mutable references (numpy maps into eigen variables)
128  m.def("get_cm_ref", []() { return Eigen::Ref<Eigen::MatrixXd>(get_cm()); });
129  m.def("get_rm_ref", []() { return Eigen::Ref<MatrixXdR>(get_rm()); });
130  // The same references, but non-mutable (numpy maps into eigen variables, but is !writeable)
131  m.def("get_cm_const_ref", []() { return Eigen::Ref<const Eigen::MatrixXd>(get_cm()); });
132  m.def("get_rm_const_ref", []() { return Eigen::Ref<const MatrixXdR>(get_rm()); });
133 
134  m.def("reset_refs", reset_refs); // Restores get_{cm,rm}_ref to original values
135 
136  // Increments and returns ref to (same) matrix
137  m.def("incr_matrix", [](Eigen::Ref<Eigen::MatrixXd> m, double v) {
138  m += Eigen::MatrixXd::Constant(m.rows(), m.cols(), v);
139  return m;
141 
142  // Same, but accepts a matrix of any strides
143  m.def("incr_matrix_any", [](py::EigenDRef<Eigen::MatrixXd> m, double v) {
144  m += Eigen::MatrixXd::Constant(m.rows(), m.cols(), v);
145  return m;
147 
148  // Returns an eigen slice of even rows
149  m.def("even_rows", [](py::EigenDRef<Eigen::MatrixXd> m) {
151  m.data(), (m.rows() + 1) / 2, m.cols(),
152  py::EigenDStride(m.outerStride(), 2 * m.innerStride()));
154 
155  // Returns an eigen slice of even columns
156  m.def("even_cols", [](py::EigenDRef<Eigen::MatrixXd> m) {
158  m.data(), m.rows(), (m.cols() + 1) / 2,
159  py::EigenDStride(2 * m.outerStride(), m.innerStride()));
161 
162  // Returns diagonals: a vector-like object with an inner stride != 1
163  m.def("diagonal", [](const Eigen::Ref<const Eigen::MatrixXd> &x) { return x.diagonal(); });
164  m.def("diagonal_1", [](const Eigen::Ref<const Eigen::MatrixXd> &x) { return x.diagonal<1>(); });
165  m.def("diagonal_n", [](const Eigen::Ref<const Eigen::MatrixXd> &x, int index) { return x.diagonal(index); });
166 
167  // Return a block of a matrix (gives non-standard strides)
168  m.def("block", [](const Eigen::Ref<const Eigen::MatrixXd> &x, int start_row, int start_col, int block_rows, int block_cols) {
169  return x.block(start_row, start_col, block_rows, block_cols);
170  });
171 
172  // test_eigen_return_references, test_eigen_keepalive
173  // return value referencing/copying tests:
174  class ReturnTester {
175  Eigen::MatrixXd mat = create();
176  public:
177  ReturnTester() { print_created(this); }
178  ~ReturnTester() { print_destroyed(this); }
179  static Eigen::MatrixXd create() { return Eigen::MatrixXd::Ones(10, 10); }
180  static const Eigen::MatrixXd createConst() { return Eigen::MatrixXd::Ones(10, 10); }
181  Eigen::MatrixXd &get() { return mat; }
182  Eigen::MatrixXd *getPtr() { return &mat; }
183  const Eigen::MatrixXd &view() { return mat; }
184  const Eigen::MatrixXd *viewPtr() { return &mat; }
185  Eigen::Ref<Eigen::MatrixXd> ref() { return mat; }
186  Eigen::Ref<const Eigen::MatrixXd> refConst() { return mat; }
187  Eigen::Block<Eigen::MatrixXd> block(int r, int c, int nrow, int ncol) { return mat.block(r, c, nrow, ncol); }
188  Eigen::Block<const Eigen::MatrixXd> blockConst(int r, int c, int nrow, int ncol) const { return mat.block(r, c, nrow, ncol); }
190  py::EigenDStride(mat.outerStride() * (mat.outerSize()-1), mat.innerStride() * (mat.innerSize()-1))); }
191  py::EigenDMap<const Eigen::Matrix2d> cornersConst() const { return py::EigenDMap<const Eigen::Matrix2d>(mat.data(),
192  py::EigenDStride(mat.outerStride() * (mat.outerSize()-1), mat.innerStride() * (mat.innerSize()-1))); }
193  };
194  using rvp = py::return_value_policy;
195  py::class_<ReturnTester>(m, "ReturnTester")
196  .def(py::init<>())
197  .def_static("create", &ReturnTester::create)
198  .def_static("create_const", &ReturnTester::createConst)
199  .def("get", &ReturnTester::get, rvp::reference_internal)
200  .def("get_ptr", &ReturnTester::getPtr, rvp::reference_internal)
201  .def("view", &ReturnTester::view, rvp::reference_internal)
202  .def("view_ptr", &ReturnTester::view, rvp::reference_internal)
203  .def("copy_get", &ReturnTester::get) // Default rvp: copy
204  .def("copy_view", &ReturnTester::view) // "
205  .def("ref", &ReturnTester::ref) // Default for Ref is to reference
206  .def("ref_const", &ReturnTester::refConst) // Likewise, but const
207  .def("ref_safe", &ReturnTester::ref, rvp::reference_internal)
208  .def("ref_const_safe", &ReturnTester::refConst, rvp::reference_internal)
209  .def("copy_ref", &ReturnTester::ref, rvp::copy)
210  .def("copy_ref_const", &ReturnTester::refConst, rvp::copy)
211  .def("block", &ReturnTester::block)
212  .def("block_safe", &ReturnTester::block, rvp::reference_internal)
213  .def("block_const", &ReturnTester::blockConst, rvp::reference_internal)
214  .def("copy_block", &ReturnTester::block, rvp::copy)
215  .def("corners", &ReturnTester::corners, rvp::reference_internal)
216  .def("corners_const", &ReturnTester::cornersConst, rvp::reference_internal)
217  ;
218 
219  // test_special_matrix_objects
220  // Returns a DiagonalMatrix with diagonal (1,2,3,...)
221  m.def("incr_diag", [](int k) {
222  Eigen::DiagonalMatrix<int, Eigen::Dynamic> m(k);
223  for (int i = 0; i < k; i++) m.diagonal()[i] = i+1;
224  return m;
225  });
226 
227  // Returns a SelfAdjointView referencing the lower triangle of m
228  m.def("symmetric_lower", [](const Eigen::MatrixXi &m) {
229  return m.selfadjointView<Eigen::Lower>();
230  });
231  // Returns a SelfAdjointView referencing the lower triangle of m
232  m.def("symmetric_upper", [](const Eigen::MatrixXi &m) {
233  return m.selfadjointView<Eigen::Upper>();
234  });
235 
236  // Test matrix for various functions below.
237  Eigen::MatrixXf mat(5, 6);
238  mat << 0, 3, 0, 0, 0, 11,
239  22, 0, 0, 0, 17, 11,
240  7, 5, 0, 1, 0, 11,
241  0, 0, 0, 0, 0, 11,
242  0, 0, 14, 0, 8, 11;
243 
244  // test_fixed, and various other tests
245  m.def("fixed_r", [mat]() -> FixedMatrixR { return FixedMatrixR(mat); });
246  m.def("fixed_r_const", [mat]() -> const FixedMatrixR { return FixedMatrixR(mat); });
247  m.def("fixed_c", [mat]() -> FixedMatrixC { return FixedMatrixC(mat); });
248  m.def("fixed_copy_r", [](const FixedMatrixR &m) -> FixedMatrixR { return m; });
249  m.def("fixed_copy_c", [](const FixedMatrixC &m) -> FixedMatrixC { return m; });
250  // test_mutator_descriptors
251  m.def("fixed_mutator_r", [](Eigen::Ref<FixedMatrixR>) {});
252  m.def("fixed_mutator_c", [](Eigen::Ref<FixedMatrixC>) {});
253  m.def("fixed_mutator_a", [](py::EigenDRef<FixedMatrixC>) {});
254  // test_dense
255  m.def("dense_r", [mat]() -> DenseMatrixR { return DenseMatrixR(mat); });
256  m.def("dense_c", [mat]() -> DenseMatrixC { return DenseMatrixC(mat); });
257  m.def("dense_copy_r", [](const DenseMatrixR &m) -> DenseMatrixR { return m; });
258  m.def("dense_copy_c", [](const DenseMatrixC &m) -> DenseMatrixC { return m; });
259  // test_sparse, test_sparse_signature
260  m.def("sparse_r", [mat]() -> SparseMatrixR { return Eigen::SparseView<Eigen::MatrixXf>(mat); });
261  m.def("sparse_c", [mat]() -> SparseMatrixC { return Eigen::SparseView<Eigen::MatrixXf>(mat); });
262  m.def("sparse_copy_r", [](const SparseMatrixR &m) -> SparseMatrixR { return m; });
263  m.def("sparse_copy_c", [](const SparseMatrixC &m) -> SparseMatrixC { return m; });
264  // test_partially_fixed
265  m.def("partial_copy_four_rm_r", [](const FourRowMatrixR &m) -> FourRowMatrixR { return m; });
266  m.def("partial_copy_four_rm_c", [](const FourColMatrixR &m) -> FourColMatrixR { return m; });
267  m.def("partial_copy_four_cm_r", [](const FourRowMatrixC &m) -> FourRowMatrixC { return m; });
268  m.def("partial_copy_four_cm_c", [](const FourColMatrixC &m) -> FourColMatrixC { return m; });
269 
270  // test_cpp_casting
271  // Test that we can cast a numpy object to a Eigen::MatrixXd explicitly
272  m.def("cpp_copy", [](py::handle m) { return m.cast<Eigen::MatrixXd>()(1, 0); });
273  m.def("cpp_ref_c", [](py::handle m) { return m.cast<Eigen::Ref<Eigen::MatrixXd>>()(1, 0); });
274  m.def("cpp_ref_r", [](py::handle m) { return m.cast<Eigen::Ref<MatrixXdR>>()(1, 0); });
275  m.def("cpp_ref_any", [](py::handle m) { return m.cast<py::EigenDRef<Eigen::MatrixXd>>()(1, 0); });
276 
277 
278  // test_nocopy_wrapper
279  // Test that we can prevent copying into an argument that would normally copy: First a version
280  // that would allow copying (if types or strides don't match) for comparison:
281  m.def("get_elem", &get_elem);
282  // Now this alternative that calls the tells pybind to fail rather than copy:
283  m.def("get_elem_nocopy", [](Eigen::Ref<const Eigen::MatrixXd> m) -> double { return get_elem(m); },
284  py::arg().noconvert());
285  // Also test a row-major-only no-copy const ref:
286  m.def("get_elem_rm_nocopy", [](Eigen::Ref<const Eigen::Matrix<long, -1, -1, Eigen::RowMajor>> &m) -> long { return m(2, 1); },
287  py::arg().noconvert());
288 
289  // test_issue738
290  // Issue #738: 1xN or Nx1 2D matrices were neither accepted nor properly copied with an
291  // incompatible stride value on the length-1 dimension--but that should be allowed (without
292  // requiring a copy!) because the stride value can be safely ignored on a size-1 dimension.
293  m.def("iss738_f1", &adjust_matrix<const Eigen::Ref<const Eigen::MatrixXd> &>, py::arg().noconvert());
294  m.def("iss738_f2", &adjust_matrix<const Eigen::Ref<const Eigen::Matrix<double, -1, -1, Eigen::RowMajor>> &>, py::arg().noconvert());
295 
296  // test_issue1105
297  // Issue #1105: when converting from a numpy two-dimensional (Nx1) or (1xN) value into a dense
298  // eigen Vector or RowVector, the argument would fail to load because the numpy copy would fail:
299  // numpy won't broadcast a Nx1 into a 1-dimensional vector.
300  m.def("iss1105_col", [](Eigen::VectorXd) { return true; });
301  m.def("iss1105_row", [](Eigen::RowVectorXd) { return true; });
302 
303  // test_named_arguments
304  // Make sure named arguments are working properly:
305  m.def("matrix_multiply", [](const py::EigenDRef<const Eigen::MatrixXd> A, const py::EigenDRef<const Eigen::MatrixXd> B)
306  -> Eigen::MatrixXd {
307  if (A.cols() != B.rows()) throw std::domain_error("Nonconformable matrices!");
308  return A * B;
309  }, py::arg("A"), py::arg("B"));
310 
311  // test_custom_operator_new
312  py::class_<CustomOperatorNew>(m, "CustomOperatorNew")
313  .def(py::init<>())
314  .def_readonly("a", &CustomOperatorNew::a)
316 
317  // test_eigen_ref_life_support
318  // In case of a failure (the caster's temp array does not live long enough), creating
319  // a new array (np.ones(10)) increases the chances that the temp array will be garbage
320  // collected and/or that its memory will be overridden with different values.
321  m.def("get_elem_direct", [](Eigen::Ref<const Eigen::VectorXd> v) {
322  py::module::import("numpy").attr("ones")(10);
323  return v(5);
324  });
325  m.def("get_elem_indirect", [](std::vector<Eigen::Ref<const Eigen::VectorXd>> v) {
326  py::module::import("numpy").attr("ones")(10);
327  return v[0](5);
328  });
329 }
Eigen::Matrix4d b
Definition: test_eigen.cpp:73
double get_elem(Eigen::Ref< const Eigen::MatrixXd > m)
Definition: test_eigen.cpp:57
MatrixXdR & get_rm()
Definition: test_eigen.cpp:42
Eigen::Stride< Eigen::Dynamic, Eigen::Dynamic > EigenDStride
Definition: eigen.h:47
Eigen::Matrix< double, Eigen::Dynamic, Eigen::Dynamic, Eigen::RowMajor > MatrixXdR
Definition: test_eigen.cpp:21
void print_destroyed(T *inst, Values &&...values)
test_initializer eigen("eigen", test_submodule_eigen)
Eigen::MatrixXd & get_cm()
Definition: test_eigen.cpp:33
Eigen::Ref< MatrixType, 0, EigenDStride > EigenDRef
Definition: eigen.h:48
size_t function_call handle ret
Definition: pybind11.h:1610
Eigen::Matrix4d a
Definition: test_eigen.cpp:72
return_value_policy
Approach used to cast a previously unknown C++ instance into a Python object.
class_ & def_static(const char *name_, Func &&f, const Extra &... extra)
Definition: pybind11.h:1118
void print_created(T *inst, Values &&...values)
CustomOperatorNew()=default
T cast() const
Definition: cast.h:1681
void reset_ref(M &x)
Definition: test_eigen.cpp:27
arg & noconvert(bool flag=true)
Indicate that the type should not be converted in the type caster.
Definition: cast.h:1788
Eigen::MatrixXd adjust_matrix(MatrixArgType m)
Definition: test_eigen.cpp:62
class_ & def_readonly(const char *name, const D C::*pm, const Extra &...extra)
Definition: pybind11.h:1195
#define TEST_SUBMODULE(name, variable)
void reset_refs()
Definition: test_eigen.cpp:51
bool typename Extra class_ & def(const char *name_, Func &&f, const Extra &... extra)
Definition: pybind11.h:1110
Eigen::Map< MatrixType, 0, EigenDStride > EigenDMap
Definition: eigen.h:49