C++ “resource acquisition is initialization”

1、引言：

这是对TC++PL 14.4的读书笔记，重点是资源的使用，以及异常机制下的资源正确释放。

2、笔记内容

对于内存、文件、I/O等，C++里的使用原则是“申请<-->释放”成对应用。例如使用操作符new申请内存，在使用结束后要使用操作符delete释放。当程序规模较小，并且new之后对指针使用传递的次数不多时，一般我们都能记得对申请得到的内存使用delete释放，但是当程序变得巨大，或者我们对指针的使用很复杂时，产生了A模块中申请的内存需要在B模块中释放这种情况，很可能释放内存这件事最后就被忘记了（当然，最好避免这种A模块中申请，B模块中释放的情况）。对指针的处理不当对需要连续运行的软件是个恐怖的消息，为了尽可能消除这种风险，Bjarne Stroustrup在TC++PL中给出了“resource acquisition is initialization” 的解决思路：

1. 将资源包装成类
2. 将申请和释放动作放在该资源对象的构造和析构函数中
3. 将申请得到的资源指针设置为私有，并限制外界企图获得实际资源指针的可能
4. 以自动变量的方式使用该对象

如此，当对象被定义时，申请内存，当对象生命期结束时，析构被自动调用回收内存。那么，按照“resource acquisition is initialization”，可以给出一个buffer_of_double类的例子：

typedef int iterator;

class buffer_of_double{
    double* pbuf;
    int n;
public:
    buffer_of_double (int sz){
        n = sz;
        pbuf = new double[n*sizeof(double)];
        // other operations
    }
    
    ~buffer_of_double (){
        // other operations
        delete pbuf;
    }
    
    void setvalue(iterator i, double val);
    double getvalue(iterator i);
    friend void memset_buffer_of_double(buffer_of_double & dst, double val, int n);
    friend void memcpy_buffer_of_double(buffer_of_double & dst, const double* src, int n);
    friend void memcpy_buffer_of_double(double* dst, const buffer_of_double & src, int n);
};

在buffer_of_double中，完全阻止了外部直接或间接获得pbuf的可能，那么在一个matrix类中，可以这样使用buffer_of_double：

class matrix{
    buffer_of_double data;
    int nrows;
    int ncols;
public:
    matrix(int r, int c):data(r*c){
        nrows = r;
        ncols = c;
	// others
    }
    ~matrix();

    // others
};

这样做，是以牺牲灵活性为代价，提高程序的健壮性。

这里牵出了另外一个问题，如果在buffer_of_double对象创建后，程序出现了问题，导致buffer_of_double析构无法被调用，这该怎么办？这时就需要借助C++提供的exception-handling机制了，当然exception-handling也只是降低了程序受可预见问题影响的风险，并不是万能的机制。当某个异常，即前面提到的“可预见问题”，被抛出时，exception-handling机制产生一种所谓stack unwinding（栈展开）的行为，即在当前try块中从try开始到抛出异常的throw之间产生的所有自动变量，会被按定义倒叙调用析构进行销毁，这实际是利用栈完成的一种回滚操作，因为try块的意义就是告诉编译器：这一段代码是需要监督的，请为之插入相关的回滚操作，以使其在遇到异常时，程序现场可以恢复到try块之前的状态。stack unwinding如果和“resource acquisition is initialization”相配合，那么当自动变量为资源类对象时，该对象的析构被调用，从而释放了定义时申请的资源。例如在下面的main()中，当throw抛出时，在跳转至catch前，以下操作依次被执行，（列出的过程缺少细节，或缺少某些执行步骤，但已列出的步骤之间按下述顺序进行）：

1. b从栈中弹出
2. m的析构被调用，m.nrows和m.ncols从栈中被弹出
3. m.data的析构被调用，m.data.pbuf指向内存被释放，m.data.pbuf和m.data.n从栈中被弹出
4. a从栈中弹出

int main()
{
    try{
        int a = 0;
        matrix m = matrix(3,3);
        int b;
        if (异常为真) throw user_e(“a exception”);
    }
    catch(user_e e)
    {
        // handling
    }
    return 0;
}

如果try与throw被应用在matrix的构造函数中会发生什么事情呢？这没有什么特别的，就向下边的matrix构造函数一样：

matrix(int r, int c):data(r*c){
    try{
        nrows = r;
        ncols = c;
        if (异常为真) throw user_e("exception");
    }
    catch(user_e e){
        // handling
    }
}

异常处理后matrix对象仍然被创建，因为C++对一个对象被创建与否的评判标准为，构造函数有没有被执行完毕，因为构造函数执行完意味着对象的成员变量均已被创建成功，对象已近存在于内存中了。

那如果在初始化成员变量的时候，出现问题怎么办，data申请的内存能得到释放吗？答案是能，只要我们将初始化列表也一同包括进try块中，则当遇到一个异常并将其抛出时，从当前要产生的对象的成员变量到构造函数中throw之前的自动变量均会被调用析构销毁。如下边的例子，在触发异常后，nrows、ncols和data均被stack unwinding，即使有成员变量并没有出现在初始化列表中，但它们的析构仍然会被调用。然后程序跳至catch，matrix的构造函数没有完成就被中断，成员变量的被stack unwinding销毁，matrix对象并没有创建成功。

matrix(int r, int c)
try
    :data(r*c){
    nrows = r;
    ncols = c;
    if (异常为真) throw user_e("matrix exception");
}
catch(user_e e){
    // handling
    std::cout << e.p <<std::endl;
}

除了我们自己实现“resource acquisition is initialization”以及其与exception-handling的配合使用以保证资源被正确释放外，STL中模板类auto_ptr是一种现成的resource acquisition is initialization实现。auto_ptr一如它的名字，自动指针，暗指其具有栈对象的特点，即在auto_ptr作用域结束时自动对其所拥有的指针进行delete，在遇到throw，发生stack unwinding时也会有这种行为。一般都将auto_ptr称为一种智能指针，但它并不足够聪明，使用时要注意一下事宜：

1. 定义方式：std::auto_ptr<int> p(new int(1)); 该语句表示申请一块内存，存储值为1的int型变量，该内存的指针被auto_ptr变量p占有，对p的使用同int * p = new int(1)得到的p没有任何区别。注意std::auto_ptr<int> p = new int(1)为错误语法。
2. 对指针的占有关系不能共享，当有赋值发生时，源auto_ptr变量对指针的占有关系解除；当对新auto_ptr变量使用另一auto_ptr变量初始化时：std::auto_ptr<int> p1 = p，源auto_ptr变量对指针的占有关系解除。这样做是为了避免多次对指针delete的发生。
3. 不能在数组上使用auto_ptr，即std::auto_ptr<int> p(new int[10])是错误的。
4. 不能在STL标准容器和标准算法中使用auto_ptr
5. 在对指针的占有关系被解除后，该auto_ptr变量无法再对指针指向的变量或内存做任何操作。
6. const类型auto_ptr在初始化后完全绑定，无法再对其他auto_ptr赋值传递占有关系。

3、结语

记得在哪看到过，Bjarne Stroustrup表示，虽然C++提供了程序员亲自控制资源何时回收的权利，但对于大型软件来说，最好使用垃圾自动回收器。