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C++之RAII

2024-07-06 18:29:12   227人阅读

   RAII是resource acquisition is initialization的缩写，意为“资源获取即初始化”。它是C++之父Bjarne Stroustrup提出的设计理念，其核心是把资源和对象的生命周期绑定，对象创建获取资源，对象销毁释放资源。在RAII的指导下，C++把底层的资源管理问题提升到了对象生命周期管理的更高层次。
    说起来，RAII的含义倒也不算复杂。用白话说就是：在类的构造函数中分配资源，在析构函数中释放资源。这样，当一个对象创建的时候，构造函数会自动地被调用；而当这个对象被释放的时候，析构函数也会被自动调用。于是乎，一个对象的生命期结束后将会不再占用资源，资源的使用是安全可靠的。
C++ RAII体现出了简洁、安全、实时的特点：

1.概念简洁性：让资源（包括内存和非内存资源）和对象的生命周期绑定，资源类的设计者只需用在类定义内部处理资源问题，提高了程序的可维护性
2.类型安全性：通过资源代理对象包装资源（指针变量），并利用运算符重载提供指针运算方便使用，但对外暴露类型安全的接口
3.异常安全性：栈语义保证对象析构函数的调用，提高了程序的健壮性
4.释放实时性：和GC相比，RAII达到了和手动释放资源一样的实时性，因此可以承担底层开发的重任

也许你还在惊讶RAII如此简单的时候，关于RAII的主要内容已经介绍完了。简单不意味着简陋，在我看来RAII虽然不像GC一样，是一套具体的机制，但它蕴含的对象与资源关系的哲学深度的理解却使得我对Bjarne Stroustrup肃然起敬！

最后，不得不提醒RAII的理念固然简单，不过在具体实现的时候仍有需要小心的地方。比如对于STL的auto_ptr，可以视为资源的代理对象，auto_ptr对象间的赋值是一个需要特别注意的地方。简单说来资源代理对象间赋值的语义不满足“赋值相等”，其语义是资源管理权的转移。

什么是“赋值相等”呢？比如：

int a;  int b = 10;  a = b; //这句话执行后 a == b 但对于资源代理对象，这是不满足的，比如：

auto_ptr<int> a(null);  auto_ptr<int> b(new int(123));  a = b; //这句话执行后a != b，赋值的语义是b把资源的管理权交给了a 

auto_ptr是这样一种指针：它是“它所指向的对象”的拥有者。这种拥有具有唯一性，即一个对象只能有一个拥有者，严禁一物二主。当auto_ptr指针被摧毁时，它所指向的对象也将被隐式销毁，即使程序中有异常发生，auto_ptr所指向的对象也将被销毁。


关于auto_ptr的几种注意事项：
1、auto_ptr不能共享所有权。
2、auto_ptr不能指向数组
3、auto_ptr不能作为容器的成员。
4、不能通过赋值操作来初始化auto_ptr
　　std::auto_ptr<int> p(new int(42));     //OK
　　std::auto_ptr<int> p = new int(42);    //ERROR
　这是因为auto_ptr 的构造函数被定义为了explicit
5、不要把auto_ptr放入容器

举个常见的例子：

 

[cpp] view plaincopy
 
  1. void Func()  
  2. {  
  3.   FILE *fp;  
  4.   char* filename = "test.txt";  
  5.   if((fp=fopen(filename,"r"))==NULL)  
  6.   {  
  7.       printf("not open");  
  8.       exit(0);  
  9.   }  
  10.   ... // 如果 在使用fp指针时产生异常 并退出  
  11.        // 那么 fp文件就没有正常关闭  
  12.       
  13.   fclose(fp);  
  14. }  

 

 

在资源的获取到释放之间，我们往往需要使用资源，但常常一些不可预计的异常是在使用过程中产生，就会使资源的释放环节没有得到执行。

此时，就可以让RAII惯用法大显身手了。

 

RAII的实现原理很简单，利用stack上的临时对象生命期是程序自动管理的这一特点，将我们的资源释放操作封装在一个临时对象中。

具体示例代码如下：

 

[cpp] view plaincopy
 
  1. class Resource{};  
  2. class RAII{  
  3. public:  
  4.     RAII(Resource* aResource):r_(aResource){} //获取资源  
  5.     ~RAII() {delete r_;} //释放资源  
  6.     Resource* get()    {return r_ ;} //访问资源  
  7. private:  
  8.     Resource* r_;  
  9. };  

 

 

比如文件操作的例子，我们的RAII临时对象类就可以写成：

 

[cpp] view plaincopy
 
  1. class FileRAII{  
  2. public:  
  3.     FileRAII(FILE* aFile):file_(aFile){}  
  4.     ~FileRAII() { fclose(file_); }//在析构函数中进行文件关闭  
  5.     FILE* get() {return file_;}  
  6. private:  
  7.     FILE* file_;  
  8. };  

 

则上面这个打开文件的例子就可以用RAII改写为：

 

[cpp] view plaincopy
 
  1. void Func()  
  2. {  
  3.   FILE *fp;  
  4.   char* filename = "test.txt";  
  5.   if((fp=fopen(filename,"r"))==NULL)  
  6.   {  
  7.       printf("not open");  
  8.       exit(0);  
  9.   }  
  10.   FileRAII fileRAII(fp);  
  11.   ... // 如果 在使用fp指针时产生异常 并退出  
  12.        // 那么 fileRAII在栈展开过程中会被自动释放，析构函数也就会自动地将fp关闭  
  13.     
  14.   // 即使所有代码是都正确执行了，也无需手动释放fp，fileRAII它的生命期在此结束时，它的析构函数会自动执行！      
  15.  }  

 

这就是RAII的魅力，它免除了对需要谨慎使用资源时而产生的大量维护代码。在保证资源正确处理的情况下，还使得代码的可读性也提高了不少。

 

创建自己的RAII类

一般情况下，RAII临时对象不允许复制和赋值，当然更不允许在heap上创建，所以先写下一个RAII的base类，使子类私有继承Base类来禁用这些操作：

 

[cpp] view plaincopy
 
  1. class RAIIBase  
  2. {  
  3. public:  
  4.     RAIIBase(){}  
  5.     ~RAIIBase(){}//由于不能使用该类的指针，定义虚函数是完全没有必要的  
  6.       
  7.     RAIIBase (const RAIIBase &);  
  8.     RAIIBase & operator = (const RAIIBase &);  
  9.     void * operator new(size_t size);   
  10.     // 不定义任何成员  
  11. };  

 

当我们要写自己的RAII类时就可以直接继承该类的实现：

 

[cpp] view plaincopy
 
  1. template<typename T>  
  2. class ResourceHandle: private RAIIBase //私有继承 禁用Base的所有继承操作  
  3. {  
  4. public:  
  5.     explicit ResourceHandle(T * aResource):r_(aResource){}//获取资源  
  6.     ~ResourceHandle() {delete r_;} //释放资源  
  7.     T *get()    {return r_ ;} //访问资源  
  8. private:  
  9.     T * r_;  
  10. };  

 

 

将Handle类做成模板类，这样就可以将class类型放入其中。另外， ResourceHandle可以根据不同资源类型的释放形式来定义不同的析构函数。

由于不能使用该类的指针，所以使用虚函数是没有意义的。

注：自己写的RAII类并没有经过大量的实践，可能存在问题，请三思而慎用。这里只是记录下自己的实现想法。


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