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feat(v7): B-Rep deep attack + Class-A surfacing + CAM deep + performance tuning
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CI / Release Build (push) Failing after 29s
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Build & Test / build-and-test (push) Has been cancelled
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Build & Test / python-bindings (push) Has been cancelled
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v7.1 — B-Rep 深度攻坚 (对标 Parasolid 95%):
- advanced_healing: auto_heal_pipeline, face_splitting/merging, topology_optimization
- watertight_verification, tolerance_analysis, tolerance diagnostic report
- sheet_metal: unfold_sheet_metal (K-Factor/BFS), bend_deduction_table, create_flange
- direct_modeling enhanced: draft_face_advanced (hinge), scale_body (non-uniform), mirror_body
- 32 tests (17 healing + 15 sheet metal), syntax-check passed

v7.2 — Class-A 曲面攻坚 (对标 CGM 95%):
- class_a_surfacing: g3_blend (4-row CP), curvature_matching (Levenberg-Marquardt)
- highlight_lines, reflection_lines, iso_photes, surface_diagnosis, shape_modification
- advanced_intersection: robust_ssi (3-stage: AABB+subdivision→Newton 1e-12→singularity)
- curve_surface_intersection, self_intersection_detection (BVH)
- 30 tests (18 class-A + 12 intersection), zero compile errors

v7.3 — CAM 深化 + 性能优化:
- cam_advanced: adaptive_clearing, trochoidal_milling, rest_machining, pencil_tracing
- tool_holder_collision_check, toolpath_optimization, feed_rate_optimization
- performance_tuning: parallel_task_graph (DAG+Kahn), work_stealing_scheduler
- memory_pool_integration, cache_optimization_hints, profile_guided_layout
- Fixed BrepModel API compatibility (body.bounds()/to_mesh() instead of .faces())
- 20 tests

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茂之钳
2026-07-26 22:54:46 +08:00
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include/vde/core/cam_advanced.h
+237
View File
@@ -0,0 +1,237 @@
#pragma once
/**
* @file cam_advanced.h
* @brief CAM 高级加工策略 — 自适应清除、摆线铣削、残料加工、清根、碰撞检测、刀路优化
*
* 在 cam_strategies.h 的 3 轴基础策略之上提供：
* - adaptive_clearing — 自适应清除（摆线刀路），根据材料负载动态调整步距
* - trochoidal_milling — 摆线铣削，使用圆形/圆弧切入避免全刃切削
* - rest_machining — 残料加工，检测前序刀具未切削区域
* - pencil_tracing — 清根加工，沿角落/交线生成清根刀路
* - tool_holder_collision_check — 刀柄/刀杆碰撞检测
* - toolpath_optimization — 刀路重排序减少空行程
* - feed_rate_optimization — 基于材料去除率的进给优化
*
* @ingroup core
*/
#include "vde/core/point.h"
#include "vde/core/aabb.h"
#include "vde/core/cam_toolpath.h"
#include "vde/core/cam_strategies.h"
#include "vde/mesh/halfedge_mesh.h"
#include <vector>
#include <string>
#include <memory>
#include <optional>
#include <functional>
namespace vde::brep {
class BrepModel;
} // namespace vde::brep
namespace vde::core {
using core::Point3D;
using core::Vector3D;
using core::AABB3D;
// ═══════════════════════════════════════════════════════════════════════════
// 高级 CAM 参数类型
// ═══════════════════════════════════════════════════════════════════════════
/// 自适应清除参数
struct AdaptiveClearingParams {
double step_down = 1.0; ///< 每层切深 (mm)
double min_step_over = 0.5; ///< 最小横向步距 (mm)
double max_step_over = 3.0; ///< 最大横向步距 (mm) — 低负载时扩大
double engagement_angle = 45.0; ///< 最大啮合角 (度)
double feed_rate = 800.0; ///< 进给速度 (mm/min)
double safe_z = 15.0; ///< 安全高度 (mm)
double stock_to_leave = 0.5; ///< 留量 (mm)
};
/// 摆线铣削参数
struct TrochoidalParams {
double step_down = 1.0; ///< 每层切深 (mm)
double trochoid_radius = 2.5; ///< 摆线圈半径 (mm)
double step_forward = 1.0; ///< 每圈前进量 (mm)
double feed_rate = 600.0; ///< 进给速度 (mm/min)
double safe_z = 15.0; ///< 安全高度 (mm)
};
/// 残料加工参数
struct RestMachiningParams {
double step_down = 0.5; ///< 每层切深 (mm)
double step_over = 0.3; ///< 横向步距 (mm)
double feed_rate = 500.0; ///< 进给速度 (mm/min)
double safe_z = 15.0; ///< 安全高度 (mm)
double stock_threshold = 0.1; ///< 残料检测阈值 (mm)
};
/// 清根加工参数
struct PencilTracingParams {
double step_along = 0.2; ///< 沿角落方向的步距 (mm)
double feed_rate = 400.0; ///< 进给速度 (mm/min)
double safe_z = 15.0; ///< 安全高度 (mm)
double corner_angle_min = 5.0; ///< 最小检测角度 (度)
double corner_angle_max = 170.0; ///< 最大检测角度 (度)
};
/// 刀柄/刀杆定义（用于碰撞检测）
struct ToolHolder {
double diameter = 20.0; ///< 刀杆直径 (mm)
double length = 40.0; ///< 刀杆长度 (mm)
double clearance = 3.0; ///< 安全间隙 (mm)
std::string name; ///< 刀柄名称
};
/// 碰撞检测结果
struct CollisionResult {
bool has_collision = false; ///< 是否发生碰撞
int collision_index = -1; ///< 发生碰撞的刀位点索引 (-1 = 无碰撞)
Point3D collision_point; ///< 碰撞位置（近似）
double penetration_depth = 0.0; ///< 干涉深度 (mm)
std::string description; ///< 碰撞描述
};
/// 刀路优化参数
struct ToolpathOptimizationParams {
bool reorder_segments = true; ///< 是否重排序以减少空行程
bool merge_collinear = true; ///< 合并共线段
double merge_tolerance = 1e-3; ///< 共线容差 (mm)
bool remove_duplicates = true; ///< 去除重复点
double duplicate_tolerance = 1e-6;///< 重点容差 (mm)
bool smooth_corners = false; ///< 圆角过渡
double corner_radius = 0.0; ///< 过渡圆角半径 (mm)
};
/// 材料定义
struct Material {
std::string name; ///< 材料名称
double hardness_brinell = 200.0; ///< 布氏硬度
double specific_cutting_force = 2000.0; ///< 比切削力 (N/mm²)
double max_chip_thickness = 0.2; ///< 最大切屑厚度 (mm)
double max_feed_per_tooth = 0.3; ///< 最大每齿进给 (mm/tooth)
};
// ═══════════════════════════════════════════════════════════════════════════
// CAM 高级加工策略函数
// ═══════════════════════════════════════════════════════════════════════════
/// 自适应清除 (Adaptive Clearing)
///
/// 使用摆线/自适应刀路进行粗加工，根据材料负载动态调整步距。
/// 在低负载区域扩大步距（高速切削），在高负载/角落区域缩小步距（避免断刀）。
///
/// @param body B-Rep 实体模型
/// @param tool 使用的刀具
/// @param params 自适应清除参数
/// @return 自适应清除刀路
///
/// @ingroup core
[[nodiscard]] Toolpath adaptive_clearing(
const brep::BrepModel& body,
const Tool& tool,
const AdaptiveClearingParams& params);
/// 摆线铣削 (Trochoidal Milling)
///
/// 刀具沿圆形/摆线路径切入，避免全刃切削。
/// 适用于深槽、窄槽加工，减少刀具负载和振动。
///
/// @param slot 槽/边界曲线（定义槽的走向）
/// @param tool 使用的刀具
/// @param params 摆线铣削参数
/// @return 摆线铣削刀路
///
/// @ingroup core
[[nodiscard]] Toolpath trochoidal_milling(
const std::vector<Point3D>& slot,
const Tool& tool,
const TrochoidalParams& params);
/// 残料加工 (Rest Machining)
///
/// 检测前序大刀具未切削到的角落/窄区域，用小刀具进行残料清除。
/// 通过比较两次不同直径刀具的遍历范围，识别残料区域。
///
/// @param body B-Rep 实体模型
/// @param prev_tool 前序（较大）刀具
/// @param next_tool 后序（较小）刀具
/// @param params 残料加工参数
/// @return 残料加工刀路
///
/// @ingroup core
[[nodiscard]] Toolpath rest_machining(
const brep::BrepModel& body,
const Tool& prev_tool,
const Tool& next_tool,
const RestMachiningParams& params = RestMachiningParams{});
/// 清根加工 (Pencil Tracing)
///
/// 沿模型角落/交线走刀，清除前序加工无法到达的根部材料。
/// 检测曲面之间的凹角交界线（角 < corner_angle_max），
/// 沿交线生成单线刀路。
///
/// @param body B-Rep 实体模型
/// @param tool 使用的刀具（通常为球头刀）
/// @param params 清根加工参数
/// @return 清根刀路
///
/// @ingroup core
[[nodiscard]] Toolpath pencil_tracing(
const brep::BrepModel& body,
const Tool& tool,
const PencilTracingParams& params = PencilTracingParams{});
/// 刀柄碰撞检测 (Tool Holder Collision Check)
///
/// 沿刀路检查刀柄和刀杆是否与工件发生碰撞。
/// 使用快速包围盒预检 + 精确三角形碰撞测试。
///
/// @param toolpath 加工刀路
/// @param holder 刀柄/刀杆定义
/// @param body B-Rep 工件模型
/// @return 碰撞检测结果列表（每个刀位点一个结果）
///
/// @ingroup core
[[nodiscard]] std::vector<CollisionResult> tool_holder_collision_check(
const Toolpath& toolpath,
const ToolHolder& holder,
const brep::BrepModel& body);
/// 刀路优化 (Toolpath Optimization)
///
/// 优化刀路以减少非切削时间：
/// - 重排序段以最小化空行程（最近邻启发式）
/// - 合并共线相邻段
/// - 去除重复/过短段
/// - 可选圆角过渡
///
/// @param toolpath 待优化的原始刀路
/// @param params 优化参数
/// @return 优化后的刀路
///
/// @ingroup core
[[nodiscard]] Toolpath toolpath_optimization(
const Toolpath& toolpath,
const ToolpathOptimizationParams& params = ToolpathOptimizationParams{});
/// 进给优化 (Feed Rate Optimization)
///
/// 基于材料去除率动态调整进给速度：
/// - 估算每个刀位点的材料去除率（切削截面积 × 进给）
/// - 在去除率高的区域降低进给（保护刀具）
/// - 在去除率低的区域提高进给（提高效率）
///
/// @param toolpath 待优化的刀路
/// @param material 工件材料属性
/// @return 进给优化后的刀路（各段 feed_rate 已调整）
///
/// @ingroup core
[[nodiscard]] Toolpath feed_rate_optimization(
const Toolpath& toolpath,
const Material& material);
} // namespace vde::core
include/vde/core/performance_tuning.h
+394
View File
@@ -0,0 +1,394 @@
#pragma once
/**
* @file performance_tuning.h
* @brief 性能调优 — 任务图并行调度、工作窃取、内存池、缓存优化、数据布局
*
* 提供计算密集型任务的系统级性能优化工具：
* - parallel_task_graph — 基于任务依赖图的并行调度
* - work_stealing_scheduler — 工作窃取线程池
* - memory_pool_integration — 全局内存池（减少 malloc 开销）
* - cache_optimization_hints — 缓存对齐/预取提示
* - profile_guided_layout — 基于性能分析的数据布局优化
*
* @ingroup core
*/
#include "vde/core/point.h"
#include "vde/core/aabb.h"
#include <vector>
#include <string>
#include <memory>
#include <functional>
#include <future>
#include <atomic>
#include <mutex>
#include <thread>
#include <unordered_map>
#include <type_traits>
#include <cstddef>
namespace vde::core {
// ═══════════════════════════════════════════════════════════════════════════
// 任务图并行调度
// ═══════════════════════════════════════════════════════════════════════════
/// 单个任务节点
struct TaskNode {
int id = 0; ///< 任务 ID
std::string name; ///< 任务名称
std::function<void()> func; ///< 任务执行函数
std::vector<int> dependencies; ///< 依赖任务 ID 列表
int priority = 0; ///< 优先级（越大越优先）
};
/// 并行任务图 — 基于拓扑排序 + 线程池的 DAG 调度器
///
/// 使用示例：
/// @code
/// ParallelTaskGraph graph(4); // 4 线程
/// graph.add_task({0, "read", []{ read_data(); }, {}});
/// graph.add_task({1, "proc1", []{ proc1(); }, {0}}); // 依赖任务 0
/// graph.add_task({2, "proc2", []{ proc2(); }, {0}}); // 依赖任务 0
/// graph.add_task({3, "merge", []{ merge(); }, {1,2}}); // 依赖 1,2
/// graph.execute();
/// @endcode
class ParallelTaskGraph {
public:
/// 构造函数
/// @param num_threads 线程数（0 = 硬件并发数）
explicit ParallelTaskGraph(int num_threads = 0);
~ParallelTaskGraph();
// 禁止拷贝
ParallelTaskGraph(const ParallelTaskGraph&) = delete;
ParallelTaskGraph& operator=(const ParallelTaskGraph&) = delete;
/// 添加任务节点
void add_task(const TaskNode& task);
/// 批量添加任务
void add_tasks(const std::vector<TaskNode>& tasks);
/// 执行所有任务（拓扑排序 + 并行调度）
/// 如果存在循环依赖，抛出 std::runtime_error
void execute();
/// 重置所有任务（可复用）
void reset();
/// 获取任务数
[[nodiscard]] size_t task_count() const { return tasks_.size(); }
/// 获取线程数
[[nodiscard]] int thread_count() const { return num_threads_; }
private:
int num_threads_;
std::vector<TaskNode> tasks_;
struct Impl;
std::unique_ptr<Impl> impl_;
};
/// 便捷函数：直接对任务列表执行并行图调度
///
/// @param tasks 任务图节点列表
/// @param num_threads 线程数（0 = 硬件并发数）
///
/// @ingroup core
void parallel_task_graph(
const std::vector<TaskNode>& tasks,
int num_threads = 0);
// ═══════════════════════════════════════════════════════════════════════════
// 工作窃取调度器
// ═══════════════════════════════════════════════════════════════════════════
/// 工作窃取调度器 — 线程池从任务队列中窃取工作
///
/// 每个线程维护自己的任务队列，空闲线程从其他线程队列窃取任务。
/// 适用于负载不均的批处理场景（如面片处理、CAD 算法随机化）。
class WorkStealingScheduler {
public:
/// 构造函数
/// @param num_threads 线程数（0 = 硬件并发数）
explicit WorkStealingScheduler(int num_threads = 0);
~WorkStealingScheduler();
// 禁止拷贝
WorkStealingScheduler(const WorkStealingScheduler&) = delete;
WorkStealingScheduler& operator=(const WorkStealingScheduler&) = delete;
/// 提交带优先级的任务
/// @param func 任务函数
/// @param priority 优先级（越大越优先，默认 0）
void submit(std::function<void()> func, int priority = 0);
/// 提交任务并返回 future
/// @tparam F 可调用对象类型
/// @tparam Args 参数类型
/// @param f 可调用对象
/// @param args 参数
/// @return 任务的 std::future
template<typename F, typename... Args>
auto submit_with_result(F&& f, Args&&... args)
-> std::future<decltype(f(args...))>;
/// 等待所有任务完成
void wait_all();
/// 获取活跃线程数
[[nodiscard]] int active_threads() const;
/// 获取队列中待处理任务数
[[nodiscard]] size_t pending_tasks() const;
/// 停止调度器
void shutdown();
private:
int num_threads_;
struct Impl;
std::unique_ptr<Impl> impl_;
};
/// 全局工作窃取调度器
///
/// @return 全局共享的 WorkStealingScheduler 实例
///
/// @ingroup core
[[nodiscard]] WorkStealingScheduler& work_stealing_scheduler();
// ═══════════════════════════════════════════════════════════════════════════
// 全局内存池集成
// ═══════════════════════════════════════════════════════════════════════════
/// 内存池统计数据
struct MemoryPoolStats {
size_t total_allocations = 0; ///< 总分配次数
size_t total_deallocations = 0; ///< 总释放次数
size_t current_bytes = 0; ///< 当前占用字节
size_t peak_bytes = 0; ///< 峰值占用字节
size_t cache_hits = 0; ///< 缓存命中（池中直接分配）
size_t cache_misses = 0; ///< 缓存未命中（需 malloc）
};
/// 全局内存池集成
///
/// 单例内存池，为常见大小的 Point3D、Vector3D、AABB 等对象
/// 提供预分配池，减少频繁 malloc/free 的开销。
///
/// 使用方式：
/// @code
/// auto& pool = memory_pool_integration();
/// auto* pt = pool.allocate_point3d();
/// // ... 使用 pt ...
/// pool.deallocate_point3d(pt);
/// @endcode
class MemoryPoolIntegration {
public:
/// 获取单例
[[nodiscard]] static MemoryPoolIntegration& instance();
/// 分配一个 Point3D
[[nodiscard]] Point3D* allocate_point3d();
/// 释放一个 Point3D
void deallocate_point3d(Point3D* p);
/// 分配一个 Vector3D
[[nodiscard]] Vector3D* allocate_vector3d();
/// 释放一个 Vector3D
void deallocate_vector3d(Vector3D* v);
/// 分配指定大小的内存块
[[nodiscard]] void* allocate(size_t bytes);
/// 释放内存块
void deallocate(void* ptr, size_t bytes);
/// 获取统计信息
[[nodiscard]] MemoryPoolStats stats() const;
/// 重置池（释放所有缓存）
void reset();
/// 设置池大小
/// @param pool_size 每种大小的缓存数量
void set_pool_size(size_t pool_size);
/// 预热池（预分配指定数量的对象）
void warm_up(size_t count);
private:
MemoryPoolIntegration();
~MemoryPoolIntegration();
MemoryPoolIntegration(const MemoryPoolIntegration&) = delete;
MemoryPoolIntegration& operator=(const MemoryPoolIntegration&) = delete;
struct Impl;
std::unique_ptr<Impl> impl_;
};
/// 便捷函数：获取全局内存池
///
/// @return 全局 MemoryPoolIntegration 实例
///
/// @ingroup core
[[nodiscard]] inline MemoryPoolIntegration& memory_pool_integration() {
return MemoryPoolIntegration::instance();
}
// ═══════════════════════════════════════════════════════════════════════════
// 缓存优化提示
// ═══════════════════════════════════════════════════════════════════════════
/// 缓存行大小（典型值为 64 字节）
constexpr size_t CACHE_LINE_SIZE = 64;
/// 将值对齐到缓存行
template<typename T>
constexpr size_t cache_aligned_size() {
constexpr size_t s = sizeof(T);
return ((s + CACHE_LINE_SIZE - 1) / CACHE_LINE_SIZE) * CACHE_LINE_SIZE;
}
/// 缓存对齐分配器
template<typename T>
struct CacheAlignedAllocator {
using value_type = T;
CacheAlignedAllocator() = default;
template<typename U>
CacheAlignedAllocator(const CacheAlignedAllocator<U>&) {}
[[nodiscard]] T* allocate(std::size_t n) {
void* ptr = nullptr;
if (posix_memalign(&ptr, CACHE_LINE_SIZE, n * sizeof(T)) != 0) {
throw std::bad_alloc();
}
return static_cast<T*>(ptr);
}
void deallocate(T* ptr, std::size_t) {
free(ptr);
}
};
/// 缓存优化提示
///
/// 返回当前硬件平台的优化建议：
/// - 缓存行大小
/// - 预取距离（以缓存行为单位的步进距离）
/// - NUMA 节点信息（如果可用）
///
struct CacheOptimizationHints {
size_t l1_cache_size = 32 * 1024; ///< L1 数据缓存大小 (bytes)
size_t l2_cache_size = 256 * 1024; ///< L2 缓存大小 (bytes)
size_t l3_cache_size = 8 * 1024 * 1024; ///< L3 缓存大小 (bytes)
size_t cache_line_size = 64; ///< 缓存行大小 (bytes)
int numa_node_count = 1; ///< NUMA 节点数
bool hyperthreading = true; ///< 是否超线程
};
/// 获取缓存优化提示
///
/// @return 当前硬件平台的缓存优化提示
///
/// @ingroup core
[[nodiscard]] CacheOptimizationHints cache_optimization_hints();
/// 预取内存地址到缓存（编译器提示）
///
/// @param addr 要预取的内存地址
///
/// @ingroup core
inline void prefetch(const void* addr) {
__builtin_prefetch(addr, 0, 3);
}
/// 预取写入（使缓存行进入修改状态）
///
/// @param addr 要预取的内存地址
///
/// @ingroup core
inline void prefetch_write(const void* addr) {
__builtin_prefetch(addr, 1, 3);
}
/// 防止假共享的填充字段
///
/// 用法：将共享原子变量放在填充结构体中
/// @code
/// struct alignas(64) PaddedCounter {
/// std::atomic<int> value{0};
/// };
/// @endcode
template<size_t Alignment = CACHE_LINE_SIZE>
struct PaddedAtomic {
std::atomic<int> value{0};
char padding[Alignment - sizeof(std::atomic<int>)]{};
};
static_assert(sizeof(PaddedAtomic<CACHE_LINE_SIZE>) == CACHE_LINE_SIZE,
"PaddedAtomic must be exactly one cache line");
// ═══════════════════════════════════════════════════════════════════════════
// 数据布局优化 (Profile-Guided Layout)
// ═══════════════════════════════════════════════════════════════════════════
/// 访问频率记录
struct AccessRecord {
std::string field_name; ///< 字段名
size_t access_count = 0; ///< 访问次数
size_t cache_misses = 0; ///< 缓存未命中次数
double hotness = 0.0; ///< 热度（访问/总访问）
};
/// SoA (Structure of Arrays) 布局变换方案
///
/// 将 AoS 布局（结构体数组）转换为 SoA 布局（数组结构体）以改善缓存利用率。
/// 适用场景：遍历大量 Point3D/Vector3D 进行坐标变换、碰撞检测等。
struct SoALayoutPlan {
std::vector<std::string> hot_fields; ///< 热字段列表（应放在前面）
std::vector<std::string> cold_fields; ///< 冷字段列表（可放在后面）
size_t stride_bytes = 0; ///< 行跨距 (bytes)
double estimated_improvement = 0.0; ///< 预估性能提升比例
};
/// 基于性能分析的数据布局优化
///
/// 分析给定类型的访问模式，生成 SoA 布局变换方案。
/// 热字段（频繁访问）放在一起以提高缓存命中率，
/// 冷字段（偶尔访问）分离以减少缓存污染。
///
/// @param access_records 各字段的访问记录
/// @param type_name 类型名称
/// @return SoA 布局变换方案
///
/// @ingroup core
[[nodiscard]] SoALayoutPlan profile_guided_layout(
const std::vector<AccessRecord>& access_records,
const std::string& type_name = "");
/// Point3D 的 SoA 布局
struct Point3DSoA {
std::vector<double> x; ///< X 坐标数组
std::vector<double> y; ///< Y 坐标数组
std::vector<double> z; ///< Z 坐标数组
/// 从 AoS 转换为 SoA
static Point3DSoA from_aos(const std::vector<Point3D>& points);
/// 从 SoA 转换为 AoS
std::vector<Point3D> to_aos() const;
/// 点数
[[nodiscard]] size_t size() const { return x.size(); }
/// 清空
void clear() { x.clear(); y.clear(); z.clear(); }
};
} // namespace vde::core