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C++ RAII

 

C++ RAII

    RAII是resource acquisition 
is initialization的縮寫,意為“資源獲取即初始化”。它是C++之父Bjarne Stroustrup提出的設計理念,其核心是把資源和對象的生命周期綁定,對象創建獲取資源,對象銷毀釋放資源。在RAII的指導下,C++把底層的資源管理問題提升到了對象生命周期管理的更高層次。
    說起來,RAII的含義倒也不算復雜。用白話說就是:在類的構造函數中分配資源,在析構函數中釋放資源。這樣,當一個對象創建的時候,構造函數會自動地被調用;而當這個對象被釋放的時候,析構函數也會被自動調用。于是乎,一個對象的生命期結束后將會不再占用資源,資源的使用是安全可靠的。
C
++ RAII體現出了簡潔、安全、實時的特點:

1.概念簡潔性:讓資源(包括內存和非內存資源)和對象的生命周期綁定,資源類的設計者只需用在類定義內部處理資源問題,提高了程序的可維護性
2.類型安全性:通過資源代理對象包裝資源(指針變量),并利用運算符重載提供指針運算方便使用,但對外暴露類型安全的接口
3.異常安全性:棧語義保證對象析構函數的調用,提高了程序的健壯性
4.釋放實時性:和GC相比,RAII達到了和手動釋放資源一樣的實時性,因此可以承擔底層開發的重任

也許你還在驚訝RAII如此簡單的時候,關于RAII的主要內容已經介紹完了。簡單不意味著簡陋,在我看來RAII雖然不像GC一樣,是一套具體的機制,但它蘊含的對象與資源關系的哲學深度的理解卻使得我對Bjarne Stroustrup肅然起敬!

最后,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。比如對于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。

什么是“賦值相等”呢?比如:

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

auto_ptr
<int> a(null);  auto_ptr<int> b(new int(123));  a = b; //這句話執行后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。


關于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
<int> p(new int(42));     //OK
std::auto_ptr<int> 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

下面便是在C
++中實現RAII的典型代碼:
class file
{
public:
    file(
string const& name) {
        m_fileHandle
=fopen(name.cstr());
    }
    
~file() {
        fclose(m_fileHandle);
    }
    
//
private:
    handle m_fileHandle;
}

很典型的“在構造函數里獲取,在析構函數里釋放”。如果我寫下代碼:   
void fun1() {
    file myfile(
"my.txt");
     
//操作文件
//此處銷毀對象,調用析構函數,釋放資源
當函數結束時,局部對象myfile的生命周期也結束了,析構函數便會被調用,資源會得到釋放。而且,如果函數中的代碼拋出異常,那么析構函數也會被調用,資源同樣會得到釋放。所以,在RAII下,不僅僅資源安全,也是異常安全的。

但是,在如下的代碼中,資源不是安全的,盡管我們實現了RAII:
void fun2() {
    file pfile
=new file("my.txt");
     
//操作文件
}
因為我們在堆上創建了一個對象(通過new),但是卻沒有釋放它。我們必須運用delete操作符顯式地加以釋放:
void fun3() {
    file pfile
=new file("my.txt");
     
//操作文件
        delete pfile;
}
否則,非但對象中的資源得不到釋放,連對象本身的內存也得不到回收。(將來,C
++的標準中將會引入GC(垃圾收集),但正如下面分析的那樣,GC依然無法確保資源的安全)。
現在,在fun3(),資源是安全的,但卻不是異常安全的。因為一旦函數中拋出異常,那么delete pfile;這句代碼將沒有機會被執行。

C
++領域的諸位大牛們告誡我們:如果想要在沒有GC的情況下確保資源安全和異常安全,那么請使用智能指針:
void fun4() {
    auto_ptr
<file> spfile(new file("my.txt"));
     
//操作文件
//此處,spfile結束生命周期的時候,會釋放(delete)對象
那么,智能指針又是怎么做到的呢?下面的代碼告訴你其中的把戲(關于智能指針的更進一步的內容,請參考std::auto_ptr,boost或shared_ptr的智能指針)。
也就是說,智能指針通過RAII來確保內存資源的安全,也間接地使得對象上的RAII得到實施。不過,這里的RAII并不是十分嚴格:對象(所占的內存也是資源)的創建(資源獲取)是在構造函數之外進行的。廣義上,我們也把它劃歸RAII范疇。
但是,Matthew Wilson在《Imperfect C
++》一書中,將其獨立出來,稱其為RRID(Resource Release Is Destruction)。
RRID的實施需要在類的開發者和使用者之間建立契約,采用相同的方法獲取和釋放資源。比如,如果在shared_ptr構造時使用malloc(),便會出現問題,因為shared_ptr是通過delete釋放對象的。

posted on 2011-03-22 14:25 天下 閱讀(9450) 評論(0)  編輯 收藏 引用 所屬分類: C/C++C++必殺技法

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