程式師世界 >> 編程語言 >> C語言 >> C++ >> C++入門知識 >> C++中RAII的慣用方法

C++中RAII的慣用方法

編輯：C++入門知識

軟件開發中，會用到各種各樣的資源。狹義的資源指內存，而廣義的資源包括文件、網絡連接、數據庫連接、信號量、事件、線程、內存等，甚至可以是狀態。資源獲取後由於種種原因導致永久不能釋放的資源稱為資源洩漏。針對資源洩漏，提出了各種各樣的軟件機制和程序設計慣用法,如垃圾收集、RRID[1]、RAII、確定性資源清理等。

RAII是C++語言的一種管理資源、避免洩漏的慣用法。C++標准保證任何情況下，已構造的對象最終會銷毀，即它的析構函數最終會被調用。簡單的說，RAII 的做法是使用一個對象，在其構造時獲取資源，在對象生命期控制對資源的訪問使之始終保持有效，最後在對象析構的時候釋放資源。

本文簡單介紹RAII的分類以及如何使用RAII,以使代碼安全地管理資源。

RAII的分類

根據RAII對資源的所有權可分為常性類型和變性類型，代表者分別是boost：shared_ptr<>[2]和std：：auto_ptr<>；從所管資源的初始化位置上可分為外部初始化類型和內部初始化類型。

常性類型是指獲取資源的地點是構造函數，釋放點是析構函數，並且在這兩點之間的一段時間裡，任何對該RAII類型實例的操縱都不應該從它手裡奪走資源的所有權。變性類型是指可以中途被設置為接管另一個資源，或者干脆被置為不擁有任何資源。外部初始化類型是指資源在外部被創建，並被傳給RAII實例的構造函數，後者進而接管了其所有權。boost：shared_ptr<>和std：：auto_ptr<>都是此類型。與之相對的是內部初始化類型。

其中，常性且內部初始化的類型是最為純粹的RAII形式，最容易理解，最容易編碼。

最後，不得不提醒RAII的理念固然簡單，不過在具體實現的時候仍有需要小心的地方。比如對於STL的auto_ptr，可以視為資源的代理對象，auto_ptr對象間的賦值是一個需要特別注意的地方。簡單說來資源代理對象間賦值的語義不滿足“賦值相等”，其語義是資源管理權的轉移。

什麼是“賦值相等”呢？比如：

int a; int b = 10; a = b; //這句話執行後 a == b 但對於資源代理對象，這是不滿足的，比如：

auto_ptr a(null); auto_ptr b(new int(123)); a = b; //這句話執行後a != b，賦值的語義是b把資源的管理權交給了a

auto_ptr是這樣一種指針：它是“它所指向的對象”的擁有者。這種擁有具有唯一性，即一個對象只能有一個擁有者，嚴禁一物二主。當auto_ptr指針被摧毀時，它所指向的對象也將被隱式銷毀，即使程序中有異常發生，auto_ptr所指向的對象也將被銷毀。

關於auto_ptr的幾種注意事項：
1、auto_ptr不能共享所有權。
2、auto_ptr不能指向數組
3、auto_ptr不能作為容器的成員。
4、不能通過賦值操作來初始化auto_ptr
std::auto_ptr p(new int(42)); //OK
std::auto_ptr p = new int(42); //ERROR
這是因為auto_ptr 的構造函數被定義為了explicit
5、不要把auto_ptr放入容器

RAII實際應用

每當處理需要配對的獲取／釋放函數調用的資源時，都應該將資源封裝在一個對象中，實現自動資源釋放。例如，我們無需直接調用一對非成員函數OpenPort/ClosePort，而是可以考慮定義常性且內部初始化的RAII概念的“端口”操作類：

class Port{  public:  
Port(const string& destination);//調用OpenPort  ~Port();//調用ClosePort  
};  void DoSomething(){  
Port port1(“server1:80”);  …  
}  shared_ptr post2 = /*…*/; //port2在最後一個引用它的  
//shared_ptr離開作用域後關閉

通過使用上述RAII類型，可以避免程序員忘記關閉端口而引起的洩漏，還可以確保異常發生時棧展開過程中自動釋放端口資源。

RAII與STL容器

STL容器是基於值語義的，在容器內部，對象是常被復制的。如果RAII類型需要存入STL容器，需要作一些處理。

class Resource   {   
public:   Resource() {/*分配資源*/}   
~ Resource() {/*釋放資源*/}   private:   
int handle;   };   
std::map< Identifier, Resource > resourceMap;

以上代碼中STL容器對Resource的復制將導致運行期錯誤。最好的方法是讓RAII類型繼承於boost::noncopyable[2]，而後在容器中使用引用計數的指針：

class Resource : public boost::noncopyable   {   
public:   Resource() {/*分配資源*/}   
~ Resource() {/*釋放資源*/}   private:   
int handle;   };   
typedef boost::shared_ptr PointerToResourceType;   typedef std::map< Identifier, PointerToResourceType> ResourceMapType;   
ResourceMapType resourceMap;

作為替代，還可以使用非拷貝行為的容器：boost::ptr_map map;

域守衛類

廣義的資源可代表狀態。這時，域守衛類（scoping classes）所帶來的安全價值是無法衡量的。例如：對於在多線程應用中用於同步線程的Mutex，ScopedLock類用於實現鎖／解鎖的操作：

class ScopedLock {  public:  
explicit ScopedLock (Mutex& m) : mutex(m) { mutex.lock(); locked = true; }  ~ScopedLock () { if (locked) mutex.unlock(); }  
void unlock() { locked = false; mutex.unlock(); }  private:  
ScopedLock (const ScopedLock&);  ScopedLock& operator= (const ScopedLock&);  
Mutex& mutex;  bool locked;  
};

當ScopedLock實例對象被創建時，mutex就被鎖定了，而當實例作用域生命期結束時mutex隱式釋放。通過這種方法避免了忘記釋放的鎖，從而避免了此原因所引起的死鎖和崩潰。

{  ScopedLock locker(mtx);  
…  } // 自動釋放

ps:這個鎖的使用方法，和Muduo中的使用方法一樣。其實RAII是一種設計理念，並非

為每一種資源建立一個RAII類型會使代碼顯得冗長且容易出錯。使用ScopeGuard模板類能夠寫出簡單、異常安全和避免資源洩漏的代碼。

{  void *buffer = std::malloc(1024);  
ScopeGuard freeIt = MakeGuard(std::free, buffer);  FILE *fp = std::fopen("afile.txt");  
ScopeGuard closeIt = MakeGuard(std::fclose, fp);  …  
}

總結

RAII的核心思想是使用對象管理資源，對象“消亡”則自動釋放資源。理解和使用RAII能使軟件設計更清晰，代碼更健壯。與大名鼎鼎的垃圾收集(GC)不同的是，RAII可管理廣義的資源，而垃圾收集只關注“內存洩漏”，不關心諸如文件句柄、同步對象等一些系統資源的洩漏問題。RAII能使程序員確定資源釋放的時機，這也正是C++/CLI引入確定性資源清理的原因。

RAII的本質內容是用對象代表資源，把管理資源的任務轉化為管理對象的任務，將資源的獲取和釋放與對象的構造和析構對應起來，從而確保在對象的生存期內資源始終有效，對象銷毀時資源必被釋放。換句話說，擁有對象就等於擁有資源，對象存在則資源必定存在。由此可見，RAII慣用法是進行資源管理的有力武器。C++程序員依靠RAII寫出的代碼不僅簡潔優雅，而且做到了異常安全