C++中的RAII机制

原创 C++开发 2022年6月19日 14:32 夏至未至 1006

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### 目录
[TOC]
### 何为RAII
`RAII` 是 **Resource Acquisition Is Initialization** 的简称，是C++语言的一种管理资源、避免泄漏的惯用法。利用的就是C++构造的对象最终会被销毁的原则。RAII的做法是使用一个对象，在其构造时获取对应的资源，在对象生命期内控制对资源的访问，使之始终保持有效，最后在对象析构的时候，释放构造时获取的资源。
### 为何要用RAII
既然 `RAII` 是用来管理资源、避免资源泄漏的方法。在计算机系统中，资源是数量有限且对系统正常运行具有一定作用的元素。比如：网络套接字、互斥锁、文件句柄和内存等等，它们属于系统资源。由于系统的资源是有限的，就好比自然界的石油，铁矿一样，不是取之不尽，用之不竭的，所以，我们在编程使用系统资源时，都必须遵循一个步骤：

申请资源
	使用资源
	释放资源
第一步和第二步缺一不可，因为资源必须要申请才能使用的，使用完成以后，必须要释放，如果不释放的话，就会造成资源泄漏。

一个简单的例子：

#include <iostream>

using namespace std;

int main()
	{
		int *testArray = new int [10];
		// Here, you can use the array
		delete [] testArray;
		testArray = NULL ;
		return 0;
	}
我们使用 new 开辟的内存资源，如果我们不进行释放的话，就会造成内存泄漏。所以，在编程的时候，new和delete操作总是匹配操作的。如果总是申请资源而不释放资源，最终会导致资源全部被占用而没有资源可用的场景。但是，在实际的编程中，我们总是会各种不小心的就把释放操作忘了，就是编程的老手，在几千行代码，几万行中代码中，也会犯这种低级的错误。

再看一个例子：

#include <iostream>
	using namespace std;

bool OperationA();
	bool OperationB();

int main()
	{
		int *testArray = new int [10];

// Here, you can use the array
		if (!OperationA())
		{
				// If the operation A failed, we should delete the memory
				delete [] testArray;
				testArray = NULL ;
				return 0;
		}

if (!OperationB())
		{
				// If the operation A failed, we should delete the memory
				delete [] testArray;
				testArray = NULL ;
				return 0;
		}

// All the operation succeed, delete the memory
		delete [] testArray;
		testArray = NULL ;
		return 0;
	}

bool OperationA()
	{
		// Do some operation, if the operate succeed, then return true, else return false
		return false ;
	}

bool OperationB()
	{
		// Do some operation, if the operate succeed, then return true, else return false
		return true ;
	}
上述这个例子的模型，在实际中是经常使用的，我们不能期待每个操作都是成功返回的，所以，每一个操作，我们需要做出判断，上述例子中，当操作失败时，然后，释放内存，返回程序。上述的代码，极度臃肿，效率下降，更可怕的是，程序的可理解性和可维护性明显降低了，当操作增多时，处理资源释放的代码就会越来越多，越来越乱。如果某一个操作发生了异常而导致释放资源的语句没有被调用，怎么办？这个时候，RAII机制就可以派上用场了。

### 如何使用RAII
当我们在一个函数内部使用局部变量，当退出了这个局部变量的作用域时，这个变量也就别销毁了；当这个变量是类对象时，这个时候，就会自动调用这个类的析构函数，而这一切都是自动发生的，不要程序员显示的去调用完成。这个也太好了，RAII就是这样去完成的。由于系统的资源不具有自动释放的功能，而C++中的类具有自动调用析构函数的功能。如果把资源用类进行封装起来，对资源操作都封装在类的内部，在析构函数中进行释放资源。当定义的局部变量的生命结束时，它的析构函数就会自动的被调用，如此，就不用程序员显示的去调用释放资源的操作了。现在，我们就用RAII机制来完成上面的例子。代码如下：

#include <iostream>
	using namespace std;

class ArrayOperation
	{
	public :
		ArrayOperation()
		{
			m_Array = new int [10];
		}

void InitArray()
		{
			for (int i = 0; i < 10; ++i) 
			{ 
				*(m_Array + i) = i; 
			} 
		}

void ShowArray()
		{
			for (int i = 0; i <10; ++i) 
				{
					cout<<m_Array[i]<<endl;
				}
			}

~ArrayOperation()
			{
				cout<< "~ArrayOperation is called" <<endl;
				if (m_Array != NULL )
				{
					delete[] m_Array;
					m_Array = NULL ;
				}
		}

private :
		int *m_Array;
	};

bool OperationA();
	bool OperationB();

int main()
	{
		ArrayOperation arrayOp;
		arrayOp.InitArray();
		arrayOp.ShowArray();
		return 0;
	}
上面这个例子没有多大的实际意义，只是为了说明RAII的机制问题。下面说一个具有实际意义的例子：

#include <iostream>
	#include <windows.h>
	#include <process.h>

using namespace std;

CRITICAL_SECTION cs;int gGlobal = 0;

class MyLock{
	public:
		MyLock()
		{
				EnterCriticalSection(&cs);
		}

~MyLock()
		{
			LeaveCriticalSection(&cs);
		}

private:
		MyLock( const MyLock &);
		MyLock operator =(const MyLock &);};

void DoComplex(MyLock &lock )

unsigned int __stdcall ThreadFun(PVOID pv)
	{
		MyLock lock;
		int *para = (int *) pv;

// I need the lock to do some complex thing
		DoComplex(lock);

for (int i = 0; i < 10; ++i)
		{
			++gGlobal;
			cout<< "Thread " <<*para<<endl;
			cout<<gGlobal<<endl;
		}
		return 0;
	}

int main(){
		InitializeCriticalSection(&cs);

int thread1, thread2;
		thread1 = 1;
		thread2 = 2;

HANDLE handle[2];
		handle[0] = ( HANDLE )_beginthreadex(NULL , 0, ThreadFun, ( void *)&thread1, 0, NULL );
		handle[1] = ( HANDLE )_beginthreadex(NULL , 0, ThreadFun, ( void *)&thread2, 0, NULL );
		WaitForMultipleObjects(2, handle, TRUE , INFINITE );
		return 0;
	}
这个例子可以说是实际项目的一个模型，当多个进程访问临界变量时，为了不出现错误的情况，需要对临界变量进行加锁；上面的例子就是使用的Windows的临界区域实现的加锁。但是，在使用CRITICAL_SECTION时，EnterCriticalSection和LeaveCriticalSection必须成对使用，很多时候，经常会忘了调用LeaveCriticalSection，此时就会发生死锁的现象。当我将对CRITICAL_SECTION的访问封装到MyLock类中时，之后，我只需要定义一个MyLock变量，而不必手动的去显示调用LeaveCriticalSection函数。

上述的两个例子都是RAII机制的应用，理解了上面的例子，就应该能理解了RAII机制的使用了。

### 使用RAII的注意点
在使用RAII时，有些问题是需要特别注意的

先举个例子：

#include <iostream>
	#include <windows.h>
	#include <process.h>

using namespace std;

CRITICAL_SECTION cs;int gGlobal = 0;

class MyLock{public:
		MyLock()
		{
			EnterCriticalSection(&cs);
		}

~MyLock()
		{
			LeaveCriticalSection(&cs);
		}

private:
		//MyLock(const MyLock &);
		MyLock operator =(const MyLock &);};

void DoComplex(MyLock lock){}

unsigned int __stdcall ThreadFun(PVOID pv)  
	{
		MyLock lock;
		int *para = (int *) pv;

// I need the lock to do some complex thing
		DoComplex(lock);

for (int i = 0; i < 10; ++i)
		{
				++gGlobal;
				cout<< "Thread " <<*para<<endl;
				cout<<gGlobal<<endl;
		}
		return 0;
	}

int main(){
		InitializeCriticalSection(&cs);

int thread1, thread2;
		thread1 = 1;
		thread2 = 2;

HANDLE handle[2];
		handle[0] = ( HANDLE )_beginthreadex(NULL , 0, ThreadFun, ( void*)&thread1, 0, NULL );
		handle[1] = ( HANDLE )_beginthreadex(NULL , 0, ThreadFun, ( void*)&thread2, 0, NULL );
		WaitForMultipleObjects(2, handle, TRUE , INFINITE );
		return 0;
	}
这个例子是在上个例子上的基础上进行修改的。添加了一个DoComplex函数，在线程中调用该函数，该函数很普通，但是，该函数的参数就是我们封装的类。你运行该代码，就会发现，加入了该函数，对gGlobal全局变量的访问整个就乱了。你有么有想过，这是为什么呢？网上很多讲RAII的文章，都只是说了这个问题，但是没有说为什么，在这里，我好好的分析一下这里。

由于DoComplex函数的参数使用的传值，此时就会发生值的复制，会调用类的复制构造函数，生成一个临时的对象，由于MyLock没有实现复制构造函数，所以就是使用的默认复制构造函数，然后在DoComplex中使用这个临时变量。当调用完成以后，这个临时变量的析构函数就会被调用，由于在析构函数中调用了LeaveCriticalSection，导致了提前离开了CRITICAL_SECTION，从而造成对gGlobal变量访问冲突问题，如果在MyLock类中添加以下代码，程序就又能正确运行：

MyLock( const MyLock & temp )
	{
		EnterCriticalSection(&cs);
	}
这是因为CRITICAL_SECTION 允许多次EnterCriticalSection，但是，LeaveCriticalSection必须和EnterCriticalSection匹配才能不出现死锁的现象。

为了避免掉进了这个陷阱，同时考虑到封装的是资源，由于资源很多时候是不具备拷贝语义的，所以，在实际实现过程中，MyLock类应该如下：

class MyLock{
	public:
		MyLock()
		{
			EnterCriticalSection(&cs);
		}

~MyLock()
		{
			LeaveCriticalSection(&cs);
		}

private:
		MyLock(const MyLock &);
		MyLock operator =(const MyLock &);};
这样就防止了背后的资源复制过程，让资源的一切操作都在自己的控制当中。如果要知道复制构造函数和赋值操作符的调用。
### 总结
RAII的本质内容是用对象代表资源，把管理资源的任务转化为管理对象的任务，将资源的获取和释放与对象的构造和析构对应起来，从而确保在对象的生存期内资源始终有效，对象销毁时资源一定会被释放。说白了，就是拥有了对象，就拥有了资源，对象在，资源则在。所以，RAII机制是进行资源管理的有力武器，C++程序员依靠RAII写出的代码不仅简洁优雅，而且做到了异常安全。

本文标题： C++中的RAII机制

本文作者：夏至未至

发布时间： 2022年6月19日 14:32

最近更新： 2022年6月19日 14:32

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