info2Praktikum-NeuronalesNetz/Startcode/matrix.c

#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include "matrix.h"

// TODO Matrix-Funktionen implementieren

Matrix createMatrix(unsigned int rows, unsigned int cols)   // eine Matrix mit ner bestimmten Anzahl an Zeilen und Spalten erstellen und benötigten Speicher reservieren
{      
    // leere Matrix erstellen:
    Matrix matrix = {0, 0, NULL};
    
    if (rows == 0 || cols == 0) // Matrizen mit null Zeilen oder Spalten sind nicht erlaubt
    {
        return matrix;
    }

    // Speicher für alle Matrixelemente reservieren:
    matrix.buffer = (MatrixType *)calloc(rows * cols, sizeof(MatrixType));

    // prüfen, ob die Speicherreservierung erfolgreich war:
    if (matrix.buffer != NULL)
    {
        matrix.rows = rows;
        matrix.cols = cols;
    }

    return matrix;
}

void clearMatrix(Matrix *matrix)    // den dynamisch reservierten Speicher einer Matrix freigeben und die Matrix zurücksetzen
{
    if (matrix != NULL) // prüfen, ob ein gültiger Zeiger übergeben wurde
    {
        free(matrix->buffer);   // reservierten Speicher freigeben

        // Matrix auf Ausgangszustand zurücksetzen:(kann sonst zu Speicherlecks (Memory Leaks) führen, da dynamische Speicher weiterhin belegt bleibt)
        matrix->buffer = NULL;
        matrix->rows = 0;
        matrix->cols = 0;
    }
}

void setMatrixAt(MatrixType value, Matrix matrix, unsigned int rowIdx, unsigned int colIdx) // einen bestimmten Wert an einer bestimmten Position der Matrix speichern
{
    // prüfen, ob die Matrix gültig ist und die Indizes innerhalb der Matrixgrenzen liegen:
    if (matrix.buffer == NULL || rowIdx >= matrix.rows || colIdx >= matrix.cols)  
    {
        return;
    }
    
    unsigned int index = rowIdx * matrix.cols + colIdx; // Position im eindimensionalen Speicher berechnen

    matrix.buffer[index] = value;   // Wert an der gewünschten Position speichern
}

MatrixType getMatrixAt(const Matrix matrix, unsigned int rowIdx, unsigned int colIdx)   // einen Wert an einer bestimmten Position auslesen
{
    // prüfen, ob die Matrix gültig ist und die Indizes innerhalb der Matrixgrenzen liegen:
    if (matrix.buffer == NULL || rowIdx >= matrix.rows || colIdx >= matrix.cols)
    {
        return UNDEFINED_MATRIX_VALUE;  // in matrix.h def.
    }
 
    unsigned int index = rowIdx * matrix.cols + colIdx; // eindimensionalen Index berechnen
    
    return matrix.buffer[index];    // Wert an der gewünschten Position zurückgeben
}

Matrix add(const Matrix matrix1, const Matrix matrix2)  // zwei Matrizen addieren
{
    Matrix result = {0, 0, NULL};   // zunächst eine leere Ergebnismatrix erstellen

    // ungültige Eingabematrizen überprüfen:
    if (matrix1.buffer == NULL || matrix2.buffer == NULL || matrix1.rows == 0 || matrix1.cols == 0 || matrix2.rows == 0 || matrix2.cols == 0)
    {
        return result;
    }

    // Fall 1: Beide Matrizen haben dieselben Dimensionen:
    if (matrix1.rows == matrix2.rows &&
        matrix1.cols == matrix2.cols)
    {
        result = createMatrix(matrix1.rows, matrix1.cols);

        if (result.buffer == NULL)
        {
            return result;
        }

        for (unsigned int i = 0; i < matrix1.rows * matrix1.cols; i++)  // alle Elemente paarweise addieren
        {
            result.buffer[i] = matrix1.buffer[i] + matrix2.buffer[i];
        }
    }

    // Fall 2: Broadcasting mit einem Spaltenvektor:
    else if (matrix1.rows == matrix2.rows && (matrix1.cols == 1 || matrix2.cols == 1))
    {
        // die Matrix mit mehr Spalten bestimmt die Ergebnisgröße:
        const Matrix *matrix = &matrix1;
        const Matrix *vector = &matrix2;
        
        if (matrix1.cols == 1)  // falls matrix1 der Spaltenvektor ist, werden die Rollen der beiden Eingabematrizen vertauscht (Broadcasting soll in beiden Reihenfolgen funktionieren)
        {
            matrix = &matrix2;
            vector = &matrix1;
        }

        result = createMatrix(matrix->rows, matrix->cols);

        if (result.buffer == NULL)
        {
            return result;
        }
        
        for (unsigned int row = 0; row < matrix->rows; row++)   // jeden Matrixwert mit dem Vektorwert seiner Zeile addieren
        {
            for (unsigned int col = 0; col < matrix->cols; col++)
            {
                result.buffer[row * matrix->cols + col] =
                    matrix->buffer[row * matrix->cols + col]
                    + vector->buffer[row];
            }
        }
    }

    return result;  // wenn keine der beiden Varianten möglich ist, bleibt Ergebnismatrix leer
}

Matrix multiply(const Matrix matrix1, const Matrix matrix2) // zwei Matrizen multiplizieren
{
    Matrix result = {0, 0, NULL};   // leere Ergebnismatrix

    // prüfen, ob beide Eingabematrizen gültig sind:
    if (matrix1.buffer == NULL || matrix2.buffer == NULL || matrix1.rows == 0 || matrix1.cols == 0 || matrix2.rows == 0 || matrix2.cols == 0)
    {
        return result;
    }

    if (matrix1.cols != matrix2.rows)   // Spaltenanzahl der ersten Matrix muss der Zeilenanzahl der zweiten Matrix entsprechen
    {
        return result;
    }

    result = createMatrix(matrix1.rows, matrix2.cols);  // Ergebnis hat so viele Zeilen wie matrix1 und so viele Spalten wie matrix2

    if (result.buffer == NULL)
    {
        return result;
    }

    for (unsigned int row = 0; row < matrix1.rows; row++)   // Durchführung Matrixmultiplikation...
    {
        for (unsigned int col = 0; col < matrix2.cols; col++)
        {
            MatrixType sum = 0; // Summe für das aktuelle Ergebniselement

            for (unsigned int k = 0; k < matrix1.cols; k++)
            {
                sum += matrix1.buffer[row * matrix1.cols + k] * matrix2.buffer[k * matrix2.cols + col];
                // "row" durchläuft Zeilen d. ersten Matrix; "col" durchläuft Zeilen d. zweiten Matrix; "k" berechnet Summe d. Produkte
            }

            
            result.buffer[row * result.cols + col] = sum;   // berechnetes Ergebnis speichern
        }
    }

    return result;
}