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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(shè)計(jì)理念，其核心是把資源和對象的生命周期綁定，對象創(chuàng)建獲取資源，對象銷毀釋放資源。在RAII的指導(dǎo)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(fù)雜。用白話說就是：在類的構(gòu)造函數(shù)中分配資源，在析構(gòu)函數(shù)中釋放資源。這樣，當(dāng)一個(gè)對象創(chuàng)建的時(shí)候，構(gòu)造函數(shù)會(huì)自動(dòng)地被調(diào)用；而當(dāng)這個(gè)對象被釋放的時(shí)候，析構(gòu)函數(shù)也會(huì)被自動(dòng)調(diào)用。于是乎，一個(gè)對象的生命期結(jié)束后將會(huì)不再占用資源，資源的使用是安全可靠的。
C++ RAII體現(xiàn)出了簡潔、安全、實(shí)時(shí)的特點(diǎn)：

1.概念簡潔性：讓資源（包括內(nèi)存和非內(nèi)存資源）和對象的生命周期綁定，資源類的設(shè)計(jì)者只需用在類定義內(nèi)部處理資源問題，提高了程序的可維護(hù)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(yùn)算符重載提供指針運(yùn)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(gòu)函數(shù)的調(diào)用，提高了程序的健壯性
4.釋放實(shí)時(shí)性：和GC相比，RAII達(dá)到了和手動(dòng)釋放資源一樣的實(shí)時(shí)性，因此可以承擔(dān)底層開發(fā)的重任

也許你還在驚訝RAII如此簡單的時(shí)候，關(guān)于RAII的主要內(nèi)容已經(jīng)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(jī)制，但它蘊(yùn)含的對象與資源關(guān)系的哲學(xué)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(shí)現(xiàn)的時(shí)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(gè)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(quán)的轉(zhuǎn)移。

什么是“賦值相等”呢？比如：

int a;  int b = 10;  a = b; //這句話執(zhí)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(zhí)行后a != b，賦值的語義是b把資源的管理權(quán)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(gè)對象只能有一個(gè)擁有者，嚴(yán)禁一物二主。當(dāng)auto_ptr指針被摧毀時(shí)，它所指向的對象也將被隱式銷毀，即使程序中有異常發(fā)生，auto_ptr所指向的對象也將被銷毀。

關(guān)于auto_ptr的幾種注意事項(xiàng)：
1、auto_ptr不能共享所有權(quán)。
2、auto_ptr不能指向數(shù)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?yàn)閍uto_ptr 的構(gòu)造函數(shù)被定義為了explicit
5、不要把a(bǔ)uto_ptr放入容器

下面便是在C++中實(shí)現(xiàn)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(gòu)造函數(shù)里獲取，在析構(gòu)函數(shù)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(diào)用析構(gòu)函數(shù)，釋放資源
當(dāng)函數(shù)結(jié)束時(shí)，局部對象myfile的生命周期也結(jié)束了，析構(gòu)函數(shù)便會(huì)被調(diào)用，資源會(huì)得到釋放。而且，如果函數(shù)中的代碼拋出異常，那么析構(gòu)函數(shù)也會(huì)被調(diào)用，資源同樣會(huì)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(shí)現(xiàn)了RAII：
void fun2()

{
file pfile=new file("my.txt");

//操作文件
}
因?yàn)槲覀冊诙焉蟿?chuàng)建了一個(gè)對象（通過new），但是卻沒有釋放它。我們必須運(yùn)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(nèi)存也得不到回收。（將來，C++的標(biāo)準(zhǔn)中將會(huì)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(xiàn)在，在fun3()，資源是安全的，但卻不是異常安全的。因?yàn)橐坏┖瘮?shù)中拋出異常，那么delete pfile;這句代碼將沒有機(jī)會(huì)被執(zhí)行。

C++領(lǐng)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(jié)束生命周期的時(shí)候，會(huì)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(guān)于智能指針的更進(jìn)一步的內(nèi)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(nèi)存資源的安全，也間接地使得對象上的RAII得到實(shí)施。不過，這里的RAII并不是十分嚴(yán)格：對象（所占的內(nèi)存也是資源）的創(chuàng)建（資源獲取）是在構(gòu)造函數(shù)之外進(jìn)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(dú)立出來，稱其為RRID（Resource Release Is Destruction）。
RRID的實(shí)施需要在類的開發(fā)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(gòu)造時(shí)使用malloc()，便會(huì)出現(xiàn)問題，因?yàn)閟hared_ptr是通過delete釋放對象的。

posted on 2011-03-22 14:25 天下閱讀(9428) 評論(0) 編輯收藏引用所屬分類: C/C++ 、C++必殺技法

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