C++中的RAII介绍

摘要

RAII技术被认为是C++中管理资源的最佳方法，进一步引申，使用RAII技术也可以实现安全、简洁的状态管理，编写出优雅的异常安全的代码。

资源管理

RAII是C++的发明者Bjarne Stroustrup提出的概念，RAII全称是“Resource Acquisition is Initialization”，直译过来是“资源获取即初始化”，也就是说在构造函数中申请分配资源，在析构函数中释放资源。因为C++的语言机制保证了，当一个对象创建的时候，自动调用构造函数，当对象超出作用域的时候会自动调用析构函数。所以，在RAII的指导下，我们应该使用类来管理资源，将资源和对象的生命周期绑定。

智能指针（std::shared_ptr和std::unique_ptr）即RAII最具代表的实现，使用智能指针，可以实现自动的内存管理，再也不需要担心忘记delete造成的内存泄漏。毫不夸张的来讲，有了智能指针，代码中几乎不需要再出现delete了。

内存只是资源的一种，在这里我们讨论一下更加广义的资源管理。比如说文件的打开与关闭、windows中句柄的获取与释放等等。按照常规的RAII技术需要写一堆管理它们的类，有的时候显得比较麻烦。但是如果手动释放，通常还要考虑各种异常处理，比如说：

void function()
{
    FILE *f = fopen("test.txt", 'r');
    if (.....)
    {
        fclose(f);
        return;
    }
    else if(.....)
    {
        fclose(f);
        return;
    }

    fclose(f);
    ......
}

这里介绍一个网上实现的我认为比较简洁的方法，文章在这里。作者使用了C++11标准中的lambda表达式和std::function相结合的方法，非常简洁、明了。直接看代码吧：

#define SCOPEGUARD_LINENAME_CAT(name, line) name##line
#define SCOPEGUARD_LINENAME(name, line) SCOPEGUARD_LINENAME_CAT(name, line)
#define ON_SCOPE_EXIT(callback) ScopeGuard SCOPEGUARD_LINENAME(EXIT, __LINE__)(callback)

class ScopeGuard
{
public:
    explicit ScopeGuard(std::function<void()> f) : 
        handle_exit_scope_(f){};

    ~ScopeGuard(){ handle_exit_scope_(); }
private:
    std::function<void()> handle_exit_scope_;
};

int main()
{
    {
        A *a = new A();
        ON_SCOPE_EXIT([&] {delete a; });
        ......
    }

    {
        std::ofstream f("test.txt");
        ON_SCOPE_EXIT([&] {f.close(); });
        ......
    }

    system("pause");
    return 0;
}

作者为了使用方便，还定义了根据行号来对ScopeGuard类型对象命名的宏定义。看到了吧，当ScopeGuard对象超出作用域，ScopeGuard的析构函数中会调用handle_exit_scope_函数，也就是lambda表达式中的内容，所以在lamabda表达式中填上资源释放的代码即可，多么简洁、明了。既不需要为每种资源管理单独写对应的管理类，也不需要考虑手动释放出现各种异常情况下的处理，同时资源的申请和释放放在一起去写，永远不会忘记。

状态管理

RAII另一个引申的应用是可以实现安全的状态管理。一个典型的应用就是在线程同步中，使用std::unique_lock或者std::lock_guard对互斥量std:: mutex进行状态管理。通常我们不会写出如下的代码：

std::mutex mutex_;
void function()
{
    mutex_.lock();
    ......
    ......
    mutex_.unlock();
}

因为，在互斥量lock和unlock之间的代码很可能会出现异常，或者有return语句，这样的话，互斥量就不会正确的unlock，会导致线程的死锁。所以正确的方式是使用std::unique_lock或者std::lock_guard对互斥量进行状态管理：

std::mutex mutex_;
void function()
{
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);
    ......
    ......
}

在创建std::lock_guard对象的时候，会对std::mutex对象进行lock，当std::lock_guard对象在超出作用域时，会自动std::mutex对象进行解锁，这样的话，就不用担心代码异常造成的线程死锁。

总结

通过上面的分析可以看出，RAII的核心思想是将资源或者状态与对象的生命周期绑定，通过C++的语言机制，实现资源和状态的安全管理。理解和使用RAII能使软件设计更清晰，代码更健壮。

参考

1、http://mindhacks.cn/2012/08/27/modern-cpp-practices/

2、http://www.jellythink.com/archives/101

3、http://www.cppblog.com/aaxron/archive/2011/03/22/142475.html