設計複雜的數據結構的依賴關係

Question

我正在設計一個有限元庫的過程。對於給定的問題，所使用的有限元網格可以具有不同尺寸的元素（例如四面體和三角形），並且可以組合相同尺寸的不同元素（例如四面體和六面體）。因此，我需要一個存儲有限元素信息的數據結構。最基本的信息是元素的連通性（定義元素的節點ID）。例如，我需要以某種方式存儲該三角形元素4連接到節點5,6和10.

我的第一個嘗試是創建一個索引是維度（0,1,2或3）的列表和即存儲字典。這些字典有字符串鍵（標識符），值是numpy數組（每行代表一個元素的連通性）。我需要這樣做，因爲根據字符串標識符，給定尺寸的numpy數組具有不同的形狀。

這是類：

import os 
from collections import OrderedDict 
import numpy.ma as ma 

flatten = lambda l: [item for sublist in l for item in sublist] 

class ElementData(list): 

    def __init__(self, *args, **kwargs): 

     self.reset() 
     super(ElementData, self).__init__(*args, **kwargs) 

    def __iter__(self): 
     for k, v in self[self.idx].items(): 
      for i, e in enumerate(v): 
       yield (k,i,e) if not ma.is_masked(e) else (k,i, None) 
     self.reset() 


    def __call__(self, idx): 
     self.idx = idx-1 
     return self 

    def __getitem__(self, index): 
     if index >= len(self): 
      self.expand(index) 
     return super(ElementData, self).__getitem__(index) 

    def __setitem__(self, index, value): 
     if index >= len(self): 
      self.expand(index) 
     list.__setitem__(self, index, value) 

    def __str__(self): 
     return "Element dimensions present: {}\n".format([i for i in range(len(self)) if self[i]]) + super(ElementData, self).__str__() 

    def keys(self): 
     return flatten([list(self[i].keys()) for i in range(len(self))]) 

    def reset(self): 
     self.idx = -1 
     self.d = -1 

    def expand(self, index): 
     self.d = max(index, self.d) 
     for i in range(index + 1 - len(self)): 
      self.append(OrderedDict()) 

    def strip(self, value=None): 
     if not callable(value): 
      saved_value, value = value, lambda k,v: saved_value 
     return ElementData([OrderedDict({k:value(k, v) for k,v in i.items()}) for i in super(ElementData, self).__iter__()]) 


    def numElements(self, d): 

     def elementsOfDimension(d): 
      # loop over etypes 
      nelems = 0 
      for v in self[d].values(): 
       nelems += v.shape[0] if not isinstance(v, ma.MaskedArray) else v.shape[0] - v.mask.any(axis=1).sum() 
      return nelems 

     # compute the number of all elements 
     if d == -1: 
      nelems = 0 
      for i in range(self.d+1): 
       nelems += elementsOfDimension(i) 
      return nelems 
     else: # of specific dimension only 
      return elementsOfDimension(d) 

類工作得很好，它讓我無縫循環通過特定維度的所有項目。但是，還有其他數據與單獨存儲的每個元素相關聯，例如其材料。因此，我決定使用相同的數據結構來引用其他屬性。爲此，我使用該類的strip函數，將整個結構返回給我，而不使用numpy數組。

問題是我原來的數據結構是動態的，如果我改變它，我不得不修改所有依賴它的其他結構。我真的認爲我在設計這門課的時候走錯了方向。也許有更簡單的方法來解決這個問題？我想在numpy數組旁邊存儲額外的信息（例如元組），但我不知道這是否好。設計軟件時所做的選擇可能會讓我們的生活過得更悲慘，現在我開始意識到這一點。

UPDATE

使用上述類，一個示例可以是如下：其中，所述數據結構已經被用來存儲0（節點）的元素，1（行）

Element dimensions present: [0, 1, 2] 
[OrderedDict([('n1', array([[0], 
     [1], 
     [3]]))]), OrderedDict([('l2', array([[1, 2]]))]), OrderedDict([('q4', array([[0, 1, 5, 4], 
     [5, 1, 2, 6], 
     [6, 2, 3, 7], 
     [7, 3, 0, 4], 
     [4, 5, 6, 7]]))])] 

和2（四邊形）尺寸。

Answer 1

當說到「複雜的數據結構的依賴性」時，你可能會談論「圖」，你仔細檢查過現有的graph theory是否符合你的需求？ （如「路線問題」）

Answer 2

評論：設計違背了程序的邏輯結構。

我使用了給定的Element數據示例，並沒有期望一次獲得整個圖片。

評論：每個元件具有獨特的尺寸 （三角形一直維度2 作爲四面體一直維度3和 節點尺寸0）。

對不起，我誤解了「......不同維度的元素......」「與 ‘元素具有不同的尺寸’我適於我的提案

評論：。...當我修改數據結構 問題出現（例如通過添加元素）

只要你不顯示對於這個問題， 我不能之上的解決方案想了數據的例子。

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我的建議：

class Dimension(object): 
    """ 
    Base class for all Dimensions 
    Dimension has no knowledge to what the data belongs to 
    """ 
    def __init__(self, data=None): 
     pass 

class Element(object): 
    """ 
    Base class for all Elements 
    Hold on class Dimension(object): 
    """ 
    def __init__(self, dimension=None): 
     pass 

class Triangle(Element): 
    def __init__(self, dimension): 
     super().__init__(dimension=dimension) 

class Tetrahedron(Element): 
    def __init__(self, dimension): 
     super().__init__(dimension=dimension) 

class Node(Element): 
    def __init__(self, dimension): 
     super().__init__(dimension=dimension) 

使用：建立你的榜樣元

node = Node(dimension=[0,1,3]) 
line = Triangle(dimension=[0,2]) 
quad = Tetrahedron(dimension=[[0, 1, 5, 4], [5, 1, 2, 6], [6, 2, 3, 7], [7, 3, 0, 4], [4, 5, 6, 7]]) 

新的未來元素，只顯示class Element可擴展：

# New future dimensions - No changes to class Element() required 
class FutureNodTriTet(Element): 
    def __init__(self, dimension): 
     super().__init__(dimension=dimension) 

future_NTT = FutureNodTriTet(dimension=[0, (1,3), (4,5,6)]) 

請評論，如果這是更接近您的需求。