C++系列 | 每一个C++程序员都应该知道的RAII

2023-11-01 13:03:30 浏览数 (2)

C : RAII是什么——使用对象来管理资源

导读：RAII是C 中一种管理资源、避免资源泄漏的惯用法，利用栈对象自动销毁的特点来实现。本文较为详细介绍了RAII的原理、使用方法和优点，并且通过实例讲解了RAII在C STL中的应用，如智能指针和互斥锁等，在最后进行了编程实践。本文适合对C 编程有一定了解的开发者阅读。

1. 什么是RAII

RAII是Resource Acquisition Is Initialization的缩写，即“资源获取即初始化”。它是C 语言的一种管理资源、避免资源泄漏的惯用法，利用栈对象自动销毁的特点来实现，这一概念最早由Bjarne Stroustrup提出。因此，我们可以通过构造函数获取资源，通过析构函数释放资源。即：

代码语言：javascript复制
Object() {
    // acquire resource in constructor
}

~Object() {
    // release resource in destructor
}

RAII总结如下：

  • 将每一种资源封装在一个RAII类中：
    • 所有资源在构造函数中获取，例如：分配内存、打开文件、建立数据库连接等；如果无法完成则在构造函数中抛出异常；
    • 所有资源在析构函数中释放，例如：释放内存、关闭文件、销毁数据库连接等；不应该抛出任何异常。
  • 通过RAII类实例获取资源：
    • 具有自动生命管理周期或临时对象生命周期
    • 其生命周期与第一种绑定。

2. 为什么要使用RAII

我们知道，在C 中，通过new运算符动态申请内存，例如：

代码语言：javascript复制
Foo* ptr = new Foo(1);

// ...
delete ptr;

在这段代码中，new运算符在计算机内存的堆上申请了一块Foo类型的内存，然后将其地址赋值给存储在栈上的指针ptr。为了能够释放内存资源，我们需要使用完new运算符申请的内存后，手动调用delete运算符释放内存。

但是，情况并不总是如此简单。

代码语言：javascript复制
Foo* ptr = new Foo(1);

f(ptr);  // -->① may throw exception
if(ptr->g()) {
    // ... --> ② may forget to delete ptr
    return;
}
// ...
delete ptr;

如上面这个例子，我们可能会遇到以下几种情况：

  1. 忘记delete释放内存。比如释放原指针指向的内存前就改变了指针的指向。
  2. 程序抛出异常后导致无法delete。比如上面的①处，如果f函数抛出异常，没有机会运行delete，从而导致内存泄漏。
  3. 需求变更后，修改了函数，新增了分支，提前返回，②处却没有delete；现实情况代码复杂的话可能没有这么显而易见。

而通过RAII这样一种机制，我们可以使其自动释放内存。

3. C STL中RAII的应用

3.1 智能指针

智能指针是RAII的一种实现，它是一种模板类，用于管理动态分配的对象。智能指针的主要作用是自动释放内存，从而避免内存泄漏。C 11中提供了三种智能指针：unique_ptr、shared_ptr和weak_ptr。它们的详细原理将在之后的文章中介绍。这里我们以unique_ptr为例，它的构造函数如下：

代码语言：javascript复制
template< class T, class Deleter = std::default_delete<T> > class unique_ptr;

unique_ptr的析构函数会自动释放内存，因此，我们可以通过unique_ptr来管理动态分配的内存，从而避免内存泄漏。例如：

代码语言：javascript复制
std::unique_ptr<int> ptr = std::make_unique<int>(1); // release memory when ptr is out of scope

3.2 互斥锁

在多线程编程中，std::lock_guard, std::unique_lock, std::shared_lock等也利用了RAII的原理，用于管理互斥锁。当这些类的等对象创建时，会自动获取互斥锁；当对象销毁时，会自动释放互斥锁。

std::lock_guard的构造函数如下：

代码语言：javascript复制
template< class Mutex > class lock_guard;

std::lock_guard的析构函数会自动释放互斥锁，因此，我们可以通过std::lock_guard来管理互斥锁，从而避免忘记释放互斥锁。例如：

代码语言：javascript复制
std::mutex mtx;
std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx); // unlock when lock is out of scope

不使用RAII的情况下，我们需要手动释放互斥锁，如下所示：

代码语言：javascript复制
std::mutex mtx;
mtx.lock();
// ...
mtx.unlock();

3.3 文件操作

std::ifstream, std::ofstream等C 标准库的IO操作都是RAII的实现。

3.4 事务处理

数据库事务处理中，如果在事务结束时没有提交或回滚，就会导致数据库连接一直被占用，从而导致数据库连接池耗尽。因此，我们需要在事务结束时自动提交或回滚，从而释放数据库连接。这一过程也可以通过RAII来实现。

3.5 其他

RAII还可以用于管理其他资源，比如网络连接、线程等。

4. RAII的编程实践

基于RAII实现资源池的自动回收机制：

ResourcePool为资源池类，可以创建指定数量的资源，并提供获取和释放资源的接口。

ResourceWrapper为资源包装类，用于获取资源，并在对象销毁时自动释放资源。

Resource为资源类，用于模拟资源，通过id来标识，其构造函数和析构函数分别用于获取和释放资源。

实现资源管理类需要注意的一些事项：

  • 需要仔细考虑拷贝构造函数和拷贝赋值运算符的实现，若需拷贝，应考虑实现引用计数或对资源进行深拷贝；若无必要，最好将其删除。这里我们使用了=delete进行了删除；
  • 需提供移动构造函数和移动赋值运算符，以便于使用std::move()，转移资源的控制权；
  • 提供获取原始资源的接口。

代码实现如下：

代码语言：javascript复制
#include <iostream>
#include <vector>
#include <deque>
constexpr int kErrorId = -1;
template<typename T>
class ResourcePool {
public:
    ResourcePool(int size) {
        for (int i = 0; i < size;   i) {
            pool_.emplace_back(i);
        }
    }

    T getResource() {
        if (pool_.empty()) {
            std::cout << "Resource is not available now." << std::endl;
            return T();
        }
        T resource = std::move(pool_.front());
        pool_.pop_front();
        std::cout<< "Resource " << resource.ID() << " is acquired." << std::endl;
        return resource;
    }

    void releaseResource(T&& resource) {
        if (resource.ID() == kErrorId) {
          return;
        }
        std::cout << "Resource " << resource.ID() << " is released." << std::endl;
        pool_.emplace_back(std::forward<T>(resource));
    }

private:
    std::deque<T> pool_;
};

template<typename T>
class ResourceWrapper {
public:
    ResourceWrapper(ResourcePool<T>& pool) : pool_(pool), resource_(pool_.getResource()) {
      if(resource_.ID() == kErrorId) {
        throw std::runtime_error("Resource is not available now.");
      }
    }
    
    ~ResourceWrapper() {
        pool_.releaseResource(std::move(resource_));
    }
    ResourceWrapper(const ResourceWrapper& other) = delete;
    ResourceWrapper& operator=(const ResourceWrapper& other) = delete;

    ResourceWrapper(ResourceWrapper&& other) noexcept : pool_(other.pool_), resource_(std::move(other.resource_)) {
    }

    ResourceWrapper& operator=(ResourceWrapper&& other) noexcept {
      pool_ = other.pool_;
      resource_ = std::move(other.resource_);
      return *this;
    }
    
    const T& GetRawResource() const noexcept{
        return resource_;
    }
private:
    ResourcePool<T>& pool_;
    T resource_;
};


class Resource {
public:
    constexpr explicit Resource(int id) : id_(id) {
      std::cout << "Resource " << id_ << " is created." << std::endl;
    }
    Resource(): id_(kErrorId) {}
    ~Resource() = default;
    int ID() const {
        return id_;
    }
    // delete copy constructor and copy assignment operator
    Resource(const Resource& other) = delete;
    Resource& operator=(const Resource& other) = delete;

    Resource(Resource&& other) noexcept : id_(other.id_) {
      other.id_ = kErrorId;
    }

    Resource& operator=(Resource&& other) noexcept {
      id_ = other.id_;
      other.id_ = kErrorId;
      return *this;
    }
private:
    int id_;
};

constexpr int kPoolSize = 3;
ResourcePool<Resource> pool(kPoolSize); // Resource pool with 3 resources in global scope.

void RequestRourceTest() {
    constexpr int kResourcesNum = 3;
    for (int i = 0; i < kResourcesNum;   i) {
        ResourceWrapper<Resource> resource_wrapper(pool);
        resource_wrapper.GetRawResource();
    }
}

int main() {
    RequestRourceTest();
    return 0;
}

运行输出结果如下：

代码语言：javascript复制
Resource 0 is created.
Resource 1 is created.
Resource 2 is created.
Resource 0 is acquired.
Resource 0 is released.
Resource 1 is acquired.
Resource 1 is released.
Resource 2 is acquired.
Resource 2 is released.

5. 总结

在本文中，我们介绍了C 中的RAII技术，它是一种管理资源的方法，可以帮助我们避免内存泄漏和资源泄漏等问题。RAII技术的核心思想是将资源的获取和释放绑定在对象的生命周期中，这样可以确保资源在不再需要时被正确释放。我们还介绍了如何使用RAII技术来管理动态内存、文件句柄和互斥锁等资源，并提供了一些示例代码来说明如何实现RAII类。最后，我们还讨论了RAII技术的一些注意事项和最佳实践，以帮助开发人员编写更安全、更可靠的代码。希望本文能够帮助您更好地理解和应用RAII技术。

在本文的编程实践中，还使用了std::move()、std::forward()等诸多现代C 技术，更多细节和不足之处将在之后的文章中进行进一步探讨。

参考：

  1. Effective C , Item 13: Use objects to manage resources. Scott Meyers.
  2. https://en.cppreference.com/w/cpp/language/raii

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