C++ | 每一个C++程序员都应该知道的RAII
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，利用栈的特点来实现，这一概念最早由Bjarne Stroustrup提出。在函数中由栈管理的临时对象，在函数结束时会自动析构，从而自动释放资源，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：
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：
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。
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：
- 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。
- 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。
- 需求变更后，修改了函数，新增了分支，提前返回，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：
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：
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：
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：
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：
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。
代码实现如下：
#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：
Resource 0 is created.
Resource 1 is created.
Resource 2 is created.
Resource 0 is acquired.
Resource 1 is acquired.
Resource 2 is acquired.
Resource 0 is released.
Resource 1 is released.
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()、noexcept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：
- Effective C++, Item 13: Use objects to manage resources. Scott Meyers.
- https://en.cppreference.com/w/cpp/language/raii
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