BOOST应用初探.doc

BOOST应用初探作者：冯刚2011-8-41 背景BOOST是由c+标准化委员会成员参与开发的c+标准的准官方库，他是C+标准库的发动机。下一代C+标准C+0x的标准库很多来自于boost。Boost库覆盖了广泛的领域，从数学库到智能指针，从模板元编程库到预处理器库及语法词法分析，从线程到lambda表达式，等等。所有Boost库都具有宽松的许可证，确保库可以被自由使用于商用软件。2 功能2.1 概况Boost库涵盖了很广泛的领域，下面就常用的功能像智能指针，正则表达式，函数对象bind和function, 线程和线程池，时间日期，多索引容器，哈希容器，bimap,日志，内存池，模板元编程，循环缓冲区，tuple, 观察者模式signal2，网络通讯asio做一些介绍。2.2 功能2.2.1 智能指针2.2.1.1 概论smart pointers（智能指针）是存储“指向动态分配（在堆上）的对象的指针”的对象。他们的行为很像 C+ 的内建指针，只是它们可以在适当的时候自动删除它们所指向的对象。智能指针在面对异常时有非常显著的作用，它们可以确保动态分配对象的完全析构。它们还可以用于跟踪多主人共享的动态分配对象。在概念上，智能指针可以看作拥有它所指向的对象，并因此在对象不再需要时负责将它删除。智能指针库提供了六个智能指针类模板：scoped_ptr简单的单一对象的唯一所有权。不可拷贝。scoped_array简单的数组的唯一所有权。不可拷贝。shared_ptr在多个指针间共享的对象所有权。shared_array在多个指针间共享的数组所有权。weak_ptr一个属于 shared_ptr 的对象的无所有权的观察者。intrusive_ptr带有一个侵入式引用计数的对象的共享所有权。这些模板被设计用来补充 std:auto_ptr 模板的不足。2.2.1.2 智能指针shared_ptrshared_ptr 类模板存储一个指向动态分配对象（一般是用 C+ new-expression 生成的）的指针。在最后一个 shared_ptr 所指向的对象被销毁或重置时，要保证它所指向的对象被删除。每一个 shared_ptr 都符合 C+ 标准库的 CopyConstructible 和 Assignable 的必要条件，并因此能够用于标准库容器。因为提供了比较操作，因此 shared_ptr 可以和标准库中的关联式容器一起工作。通常，一个 shared_ptr 不能正确地持有一个指向动态分配的数组的指针。关于那种用法请参见 shared_array。因为在实现中使用了引用计数，shared_ptr实例的循环引用不会被回收。例如，如果 main() 持有一个指向 A 的 shared_ptr， A 又直接或间接持有一个指回 A 的 shared_ptr，A 的使用计数是 2。最初的 shared_ptr 析构后将导致一个使用计数为 1 的 A 被悬挂。使用 weak_ptr 以“打破循环”。这个类模板被 T 参数化，T 是被指向的对象的类型。shared_ptr 和它的大多数成员函数对于 T 没什么要求，允许它是一个不完整类型，或者为 void。对 T 有附加要求的成员函数 (constructors, reset) 都明确地记录在下面。只要 T* 能被隐式地转换到 U*，则 shared_ptr 就能被隐式地转换到 shared_ptr。特别是，shared_ptr 隐式转换到 shared_ptr，当 U 是 T 的一个可访问基类的时候，还能转换到 shared_ptr，以及转换到 shared_ptr。惯用手法由于智能指针是线程安全的，建议在代码里只为一个对象生成单一的shared_ptr,在多线程环境中传递参数时使用weak_ptr，这样当shared_ptr被析构，weak_ptr也会得到通知，变为无效，这样可以有效地防止野指针，同时也防止了潜在的循环引用，无法释放对象的问题。shared_ptr spA = shared_ptr(new A);int func(weak_ptr wpA)If(!wpA.expired（）)/正常处理逻辑shared_ptr spA = wpA.lock();/Use spAelse/智能指针已被其他线程释放func(spA);2.2.1.3 智能指针weak_ptr简介weak_ptr是Boost智能指针shared_ptr的一个重要伙伴。它允许打破循环依赖。另外，它还可以处理一个非常常见的问题悬空指针。当销毁最后一个智能指针shared_ptr,它会释放掉共享的资源。通过使用智能指针weak_ptr，这方面的信息会传播给所有观察该共享资源的智能指针weak_ptr，通过weak_ptr可以知道该共享资源已经释放，这意味着不会发生无意间访问无效指针的情形。这就是观察者模式的一个特例，也就是说，当销毁资源的时候，就会通知所有对资源感兴趣的weak_ptr，通过调用weak_ptr.expired(),当返回值为true时，就表示该共享资源已经释放了。weak_ptr 类模板存储一个引向已被 shared_ptr 管理的对象的 weak reference（弱引用）。为了访问这个对象，一个 weak_ptr 可以利用 shared_ptr 的构造函数或成员函数 lock 转换为 shared_ptr。当最后一个指向对象的 shared_ptr 消失，而对象也被删除后，从一个引向已被删除对象的 weak_ptr 实例获取 shared_ptr 的企图就会失败：构造函数会抛出一个 boost:bad_weak_ptr 类型的异常，而 weak_ptr:lock 会返回一个 empty shared_ptr。每一个 weak_ptr 都符合 C+ 标准库的 CopyConstructible 和 Assignable 的必要条件，并因此能够用于标准库容器。因为提供了比较操作，因此 weak_ptr 可以和标准库中的关联式容器一起工作。weak_ptr 的操作绝不会抛出异常。这个类模板被 T 参数化，T 是被指向的对象的类型。相对于 shared_ptr，weak_ptr 提供了一个非常有限的操作子集，因为在多线程程序中访问它所存储的指针是非常危险的，甚至有时在一个单线程程序中也是不安全的（也就是说，它可能引起未定义行为）。姑且假设 weak_ptr 有一个返回 raw pointer（裸指针）的 get 成员函数，考虑下面这个无辜的代码片段：shared_ptr p(new int(5);weak_ptr q(p);/ some time laterif(int * r = q.get() / use *r设想在 if 之后，但是又恰恰在 r 被使用之前，另一个线程执行了语句 p.reset()。这样 r 就成了一个 dangling pointer（悬挂指针）。解决这个问题的方案是从 q 创建一个临时的 shared_ptr：shared_ptr p(new int(5);weak_ptr q(p);/ some time laterif(shared_ptr r = q.lock() / use *r这样，r 就持有一个引向 q 所指向的对象的引用。即使在其它线程中执行了 p.reset()，那个对象也会继续活着，直到 r 离开作用域或者被 reset。通过获得一个指向这个对象的 shared_ptr，我们可以有效地保住它不被析构。2.2.2 正则表达式xpressive 是一个先进的、面向对象的、用于C+的正则表达式模板库。正则表达式可以以字符串方式编写并在运行期分析，也可以以表达式模板方式编写并在编译期分析。正则表达式可以相互引用，或者递归引用其本身，你就可以用它们来构建任意复杂的语法。它与Boost.Regex库的区别就是无需编译，全模板库。如果你要在C+中处理文本，通常你有两个不相交的选项：正则表达式引擎或语法分析生成器。正则表达式引擎(如 Boost.Regex)更为强大和灵活；文本的模式以字符串方式表示，可以在运行期指定。但是，这意味着语法错误同样要到运行期才能被检测。另外，正则表达式不适合于高级的文本处理任务，如匹配平衡的、嵌套的标签。那些任务传统上都是由语法分析生成器(如 Spirit 语法分析器框架)来处理的。这些工具更为强大，但不够灵活。它们通常不允许你随时随意地修改你的语法规则。此外，它们不具备正则表达式的完全回溯语义，对于某些类型的模式来说，这样对作者更具有挑战性。将这两种方法无缝地集合到一起，在C+的文本处理世界中占据了独特的优势。通过 xpressive，你可以选择更象使用 Boost.Regex 那样去使用它，将正则表达式表示为字符串。或者你也可以象使用 Spirit 那样使用它，将你的 regexes 写为C+表达式，获得一种专用于文本处理的嵌入式语言所带来的所有好处。更重要的是，你可以混用这两种方式，从而获得两者的好处，对于那些要静态绑定的正则表达式编写正则表达式语法 - 由编译器进行硬编码和语法检查 - 其它的则动态绑定并在运行期指定。这些正则表达式可以相互递归地引用，在以前的正则表达式不能进行模式匹配的字符串中进行模式匹配。Xpressive 是一个只含头文件的模板库，这意味着你不需要修改你的构建脚本或链接任何独立的lib文件就可以使用它。你所要做的就是 #include 。如果你只使用静态 regexes，你可以只包含 xpressive_static.hpp 以提高编译速度。同样，如果你计划只使用动态regexes，则可以只包含 xpressive_dynamic.hpp。表28.1.xpressive的工具箱Tool 工具 Description 说明 basic_regex 含有一个已编译的正则表达式。basic_regex 是xpressive之中最重要的类型。你用xpressive做的任何事情都要从创建一个类型为 basic_regex 的对象开始。 match_results, sub_match match_results 含有 regex_match() 或 regex_search() 操作的结果。它就象一个存有 sub_match 对象的向量。一个 sub_match 对象含有一个已标记的子表达式(在Perl中又称为后向引用)。基本上，它只是一个迭代器对，代表了已标记子表达式的开始和结束。 regex_match() 检查一个字符串是否匹配一个regex。regex_match() 要成功，必须是整个字符串从头到尾匹配regex。如果你给了 regex_match() 一个 match_results，那么它会将所有找到的带标记子表达式写入其中。 regex_search() 查找一个字符串，以发现其中匹配regex的子字符串。regex_search() 将尝试在字符串的每个位置查找匹配，从头部开始，当找到一个匹配或者整个字符串找完时停止。使用 regex_match() 时，如果你给了 regex_search() 一个 match_results，那么它会将所有找到的带标记子表达式写入其中。 regex_replace() 给定一个输入字符串，一个regex和一个替代字符串，regex_replace() 通过将输入字符串中与regex相匹配的部分替换为替代字符串来构建一个新的字符串。替代字符串可以含有对带标记子表达式的引用。 regex_iterator 一个与STL兼容的迭代器，可以很方便地找到在一个字符串中与某个regex匹配的所有地方。解引用一个 regex_iterator 会返回一个 match_results。递增一个 regex_iterator 可以找出下一个匹配。 regex_token_iterator 类似于 regex_iterator，除了一点，解引用一个 regex_token_iterator 会返回一个字符串。缺省地，它返回与regex匹配的整个子字符串，不过它也可以被配置为每次返回任一个或整个带标记子表达式，或者甚至是不匹配 regex的部分字符串。 regex_compiler 一个用于 basic_regex 对象的工厂。它将一个字符串编译为正则表达式。通常，你不需要直接关心 regex_compiler，因为 basic_regex 类有一个工厂方法，其内部使用了 regex_compiler。不过，如果你需要做一些花哨的东西，如创建一个带有不同 std:locale 的 basic_regex 对象，你就需要显式使用 regex_compiler 了。 现在你应该对xpressive所提供的工具有了一些了解，你可以通过回答以下两个问题来找到合适的工具： 1. 你要用哪种类型的迭代器来遍历你的数据？ 2. 你要对你的数据做什么操作？ 弄明白你的迭代器类型 在xpressive中的多数类都是根据迭代器类型参数化的模板类。xpressive定义了一些常用的typedefs来让你可以更容易地选择合适的类型。你可以用下表基于你的迭代器类型来找到正确的类型。 下表为xpressive Typedefs 与迭代器类型std:string:const_iterator char const * std:wstring:const_iterator wchar_t const * basic_regex sregex cregex wsregex wcregex match_results smatch cmatch wsmatch wcmatch regex_compiler sregex_compiler cregex_compiler wsregex_compiler wcregex_compiler regex_iterator sregex_iterator cregex_iterator wsregex_iterator wcregex_iterator regex_token_iterator sregex_token_iterator cregex_token_iterator wsregex_token_iterator wcregex_token_iterator 你要留意系统的命名习惯。这些类型经常要一起使用，所以命名习惯可以帮助你一致地使用它们。例如，如果你有一个 sregex，你就应该使用 smatch。 如果你用的不是以上四种迭代器类型之一，那么你可以直接用模板并指定你的迭代器类型。示例 以下你将看到六个完整的示例程序。 检查整个字符串是否匹配一个regex 这是来自于简介一节中的示例。为便于查看，在此重复。 #include #include using namespace boost:xpressive;int main()std:string hello( hello world! );sregex rex = sregex:compile( (w+) (w+)! );smatch what;if( regex_match( hello, what, rex ) )std:cout what0 n; / whole match 整个匹配 std:cout what1 n; / first capture 第一次捕获 std:cout what2 n; / second capture 第二次捕获 return 0;程序输出如下： hello world!helloworld检查一个字符串是否包含匹配某个regex的子串 请留意在这个例子中，我们是如何使用定制的 mark_tags 来使得匹配的模式更可读。我们可以在稍后使用 mark_tags 来对 match_results 进行索引访问。 #include #include using namespace boost:xpressive;int main()char const *str = I was born on 5/30/1973 at 7am.;/ 以名字定义一些定制的 mark_tags，比 s1, s2 等更有意义。 mark_tag day(1), month(2), year(3), delim(4);/该regex查找一个日期 cregex date = (month= repeat(_d) / 查找月份. (delim= (set= /,-) / 后跟一个分隔符. (day= repeat(_d) delim / 和一个日期再跟一个分隔符. (year= repeat(_d _d); /和年份。cmatch what;if( regex_search( str, what, date ) )std:cout what0 n; / whole match 全匹配 std:cout whatday n; / the day 日期 std:cout whatmonth n; / the month 月份 std:cout whatyear n; / the year 年份 std:cout whatdelim n; / the delimiter 分隔符 return 0;This program outputs the following:程序输出如下： 5/30/19733051973/替换匹配某个regex的所有子串 以下程序在一个字符串中查找日期并用伪-HTML标记它们。 #include #include using namespace boost:xpressive;int main()std:string str( I was born on 5/30/1973 at 7am. );/ 基本上与上一个例子中的regex相同，但用的是动态regex sregex date = sregex:compile( (d1,2)(/-)(d1,2)2(?:d2)1,2) );/ 和在Perl中一样，$& 是指向匹配该regex的子串的引用 std:string format( $& );str = regex_replace( str, date, format );std:cout str n;return 0;程序输出如下： I was born on 5/30/1973 at 7am.查找匹配某个regex的所有子串并每次一个地分步处理它们 以下程序在一个宽字符串中查找单词。它使用 wsregex_iterator。注意，对 wsregex_iterator 的解引用将产生一个 wsmatch 对象。 #include #include using namespace boost:xpressive;int main()std:wstring str( LThis is his face. );/查找一个完整的单词 wsregex token = +alnum;wsregex_iterator cur( str.begin(), str.end(), token );wsregex_iterator end;for( ; cur != end; +cur )wsmatch const &what = *cur;std:wcout what0 Ln;return 0;程序输出如下： Thisishisface将字符串分拆为匹配某个regex的记号 以下程序在字符串中查找比赛时间，并且先显示分钟数再显示秒数。它使用 regex_token_iterator. #include #include using namespace boost:xpressive;int main()std:string str( Eric: 4:40, Karl: 3:35, Francesca: 2:32 );/查找比赛时间 sregex time = sregex:compile( (d):(dd) );/ 对于每个匹配，记号迭代器首先取出第一个被标记的子表达式的值，然后是第二个子表达式的值 int const subs = 1, 2 ;sregex_token_iterator cur( str.begin(), str.end(), time, subs );sregex_token_iterator end;for( ; cur != end; +cur )std:cout *cur n;return 0;This program outputs the following:程序输出如下： 440335232用一个regex作为分隔符分拆字符串 以下程序接受一些带有html标记的文本，去掉其中的标记。它使用一个regex来匹配HTML标签，并用一个 regex_token_iterator 返回字符串中不匹配该regex的其余部分。 #include #include using namespace boost:xpressive;int main()std:string str( Now is the time for all good men to come to the aid of their country. );/ find a HTML tag 查找一个HTML标签 sregex html = optional(/) +_w ;/ 以下的 -1 指示记号迭代器显示字符串中不匹配正则表达式的部分。 sregex_token_iterator cur( str.begin(), str.end(), html, -1 );sregex_token_iterator end;for( ; cur != end; +cur )std:cout *cur ;std:cout n;return 0;程序输出如下： Now is the time for all good men to come to the aid of their country.显示嵌套结果组成的树 以下是一个辅助类，示范了如何显示由嵌套结果组成的树： /以缩入方式将嵌套结果输出至 std:coutstruct output_nested_resultsint tabs_;output_nested_results( int tabs = 0 ): tabs_( tabs )templatevoid operator ()( match_results const &what ) const/首先进行缩入 typedef typename std:iterator_traits:value_type char_type;char_type space_ch = char_type( );std:fill_n( std:ostream_iterator( std:cout ), tabs_ * 4, space_ch );/输出匹配结果 std:cout what0 n;/输出嵌套的匹配 std:for_each(what.nested_results().begin(),what.nested_results().end(),output_nested_results( tabs_ + 1 ) );2.2.3 Bind目的boost:bind 是标准函数 std:bind1st 和 std:bind2nd 的泛化。它支持任意的函数对象，函数，函数指针，和成员函数指针，它还能将任何参数绑定为一个特定的值，或者将输入的参数发送到任意的位置。bind 对函数对象没有任何要求，特别是，它不需要 result_type，first_argument_type 和 second_argument_type 这样的标准 typedefs。int f(int a, int b) return a + b;int g(int a, int b, int c) return a + b + c;bind(f, 1, 2) 会产生一个“无参数”函数对象，它不需要参数并返回 f(1, 2)。同样，bind(g, 1, 2, 3)() 等价于 g(1, 2, 3)。有选择性地只绑定一部分参数也是有可能的。bind(f, _1, 5)(x) 等价于 f(x, 5)，这里，_1 是一个占位符参数，它的含义是“用第一个输入参数取代”。bind 能够处理带有两个以上参数的函数，而且它的参数取代机制更为直观：bind(f, _2, _1)(x, y); / f(y, x)bind(g, _1, 9, _1)(x); / g(x, 9, x)bind(g, _3, _3, _3)(x, y, z); / g(z, z, z)bind(g, _1, _1, _1)(x, y, z); / g(x, x, x)注意，最后一个示例中，由 bind(g, _1, _1, _1) 生成的函数对象不包含对第一个参数以外的任何参数的引用，但是它仍然能使用一个以上的参数。所有多余的参数被悄悄地忽略，就像在第三个示例中，第一和第二个参数被忽略。bind 持有的参数被返回的函数对象拷贝并内部持有。例如，在下面的代码中：int i = 5;bind(f, i, _1);一个 i 的值的拷贝被存储于函数对象中。boost:ref 和 boost:cref 可用于让函数对象存储一个引用而不是拷贝：int i = 5;bind(f, ref(i), _1);bind(f, cref(42), _1);（和函数对象一起使用 bind）bind 并不限于函数，它可以接受任何函数对象。通常情况下，生成的函数对象的 operator() 的返回类型必须显式指定（没有 typeof 操作符，返回类型无法推导）：struct F int operator()(int a, int b) return a - b; bool operator()(long a, long b) return a = b; ;F f;int x = 104;bind(f, _1, _1)(x);/ f(x, x), i.e. zero有些编译器遇到 bind(f, .) 语法会发生问题。出于可移植性的原因，一种和上面的意思相同的可选的表达方式也被支持：boost:bind(boost:type(), f, _1, _1)(x);但是要注意，这种可选语法只是作为一个 workaround 提供。它不是接口的一部分。当函数对象暴露了一个名为 result_type 的内嵌类型时，显式返回类型可以被省略：int x = 8;bind(std:less(), _1, 9)(x);/ x 9【注意：这种省略返回类型的能力并非在所有的编译器上都可用。】缺省情况下，bind 为提供的函数对象做出一份拷贝。boost:ref 和 boost:cref 可用于让它存储这个函数对象的引用，而非拷贝。当函数对象是不可拷贝的，拷贝代价高昂，或者包含状态时是很有用的，当然，在这种情况下，要求程序员确保这个函数对象在使用期间不能被销毁。struct F2 int s; typedef void result_type; void operator()( int x ) s += x; ;F2 f2 = 0 ;int a = 1, 2, 3 ;std:for_each( a, a+3, bind( ref(f2), _1 ) );assert( f2.s = 6 );（和成员指针一起使用 bind）成员函数的指针和数据成员的指针不是函数对象，因为它们不支持 operator()。为了方便起见，bind 接受成员指针作为它的第一个参数，而它的行为就像使用 boost:mem_fn 将成员指针转换成一个函数对象一样。换句话说，当 R 是 X:f 的返回类型（作为成员函数）或成员本身的类型（作为数据成员）时，表达式bind(&X:f, args)与bind(mem_fn(&X:f), args)等价。【注意：mem_fn 创建的函数对象可以接受一个对象的指针，引用或智能指针作为它的第一个参数，更多的信息，参见 mem_fn 文档。】示例：struct X bool f(int a);X x;shared_ptr p(new X);int i = 5;bind(&X:f, ref(x), _1)(i);/ x.f(i)bind(&X:f, &x, _1)(i);/(&x)-f(i)bind(&X:f, x, _1)(i);/ (internal copy of x).f(i)bind(&X:f, p, _1)(i);/ (internal copy of p)-f(i)最后两个示例的有趣之处在于它们生成“自包含”的函数对象。bind(&X:f, x, _1) 存储 x 的一个拷贝。bind(&X:f, p, _1) 存储 p 的一个拷贝，而且因为 p 是一个 boost:shared_ptr，这个函数对象保存一个属于它自己的 X 的实例的引用，而且当 p 离开它的作用域或者被 reset() 之后，这个引用依然保持有效。（为函数组合使用嵌套的 binds）传给 bind 的某些参数可以嵌套 bind 表达式自身：bind(f, bind(g, _1)(x); / f(g(x)当函数对象被调用的时候，如果没有指定顺序，内部 bind 表达式先于外部 bind 表达式被求值，在外部 bind 表达式被求值的时候，用内部表达式的求值结果取代它们的占位符的位置。在上面的示例中，当用参数列表 (x) 调用那个函数对象的时候，bind(g, _1)(x) 首先被求值，生成 g(x)，然后 bind(f, g(x)(x) 被求值，生成最终结果 f(g(x)。bind 的这个特性可被用来执行函数组合。参见示例 bind_as_compose.cpp，示范如何用 bind 达到与 Boost.Compose 类似的功能。注意第一个参数被绑定函数对象是不被求值的，即使它是一个由 bind 生成的函数对象或一个占位符参数，所以下面的示例不会如你所愿地工作：typedef void (*pf)(int);std:vector v;std:for_each(v.begin(), v.end(), bind(_1, 5);你所要的效果，可以通过将一个辅助函数对象 apply 用作它的第一个参数而获得，作为一个函数对象，它可以支撑它的参数列表。为了方便起见，在 boost/bind/apply.hpp 头文件中提供了一个 apply 的