C++中的RAII機制詳解
前言
在寫C++設計模式——單例模式的時候，在寫到實例銷毀時，設計的GC類是很巧妙的，而這一巧妙的設計就是根據(jù)當對象的生命周期結束時會自動調用其析構函數(shù)的，而這一巧妙的設計也是有專業(yè)的名詞的——RAII。那以下將圍繞RAII，全面的講解RAII的相關知識。
什么是RAII？
RAII是Resource Acquisition Is Initialization的簡稱，是C++語言的一種管理資源、避免泄漏的慣用法。利用的就是C++構造的對象最終會被銷毀的原則。RAII的做法是使用一個對象，在其構造時獲取對應的資源，在對象生命期內控制對資源的訪問，使之始終保持有效，最后在對象析構的時候，釋放構造時獲取的資源。
為什么要使用RAII？
上面說到RAII是用來管理資源、避免資源泄漏的方法。那么，用了這么久了，也寫了這么多程序了，口頭上經(jīng)常會說資源，那么資源是如何定義的？在計算機系統(tǒng)中，資源是數(shù)量有限且對系統(tǒng)正常運行具有一定作用的元素。比如：網(wǎng)絡套接字、互斥鎖、文件句柄和內存等等，它們屬于系統(tǒng)資源。由于系統(tǒng)的資源是有限的，就好比自然界的石油，鐵礦一樣，不是取之不盡，用之不竭的，所以，我們在編程使用系統(tǒng)資源時，都必須遵循一個步驟：
1.申請資源；
2.使用資源；
3.釋放資源。
第一步和第二步缺一不可，因為資源必須要申請才能使用的，使用完成以后，必須要釋放，如果不釋放的話，就會造成資源泄漏。
一個最簡單的例子：
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
int *testArray = new int [10];
// Here, you can use the array
delete [] testArray;
testArray = NULL ;
return 0;
}
我們使用new開辟的內存資源，如果我們不進行釋放的話，就會造成內存泄漏。所以，在編程的時候，new和delete操作總是匹配操作的。如果總是申請資源而不釋放資源，最終會導致資源全部被占用而沒有資源可用的場景。但是，在實際的編程中，我們總是會各種不小心的就把釋放操作忘了，就是編程的老手，在幾千行代碼，幾萬行中代碼中，也會犯這種低級的錯誤。
再來一個例子：
#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 ;
}
上述這個例子的模型，在實際中是經(jīng)常使用的，我們不能期待每個操作都是成功返回的，所以，每一個操作，我們需要做出判斷，上述例子中，當操作失敗時，然后，釋放內存，返回程序。上述的代碼，極度臃腫，效率下降，更可怕的是，程序的可理解性和可維護性明顯降低了，當操作增多時，處理資源釋放的代碼就會越來越多，越來越亂。如果某一個操作發(fā)生了異常而導致釋放資源的語句沒有被調用，怎么辦？這個時候，RAII機制就可以派上用場了。
如何使用RAII？
當我們在一個函數(shù)內部使用局部變量，當退出了這個局部變量的作用域時，這個變量也就別銷毀了；當這個變量是類對象時，這個時候，就會自動調用這個類的析構函數(shù)，而這一切都是自動發(fā)生的，不要程序員顯示的去調用完成。這個也太好了，RAII就是這樣去完成的。由于系統(tǒng)的資源不具有自動釋放的功能，而C++中的類具有自動調用析構函數(shù)的功能。如果把資源用類進行封裝起來，對資源操作都封裝在類的內部，在析構函數(shù)中進行釋放資源。當定義的局部變量的生命結束時，它的析構函數(shù)就會自動的被調用，如此，就不用程序員顯示的去調用釋放資源的操作了?，F(xiàn)在，我們就用RAII機制來完成上面的例子。代碼如下：
#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; // 非常感謝益可達非常犀利的review，詳細可以參加益可達在本文的評論 2014.04.13
m_Array = NULL ;
}
}
private :
int *m_Array;
};
bool OperationA();
bool OperationB();
int main()
{
ArrayOperation arrayOp;
arrayOp.InitArray();
arrayOp.ShowArray();
return 0;
}
上面這個例子沒有多大的實際意義，只是為了說明RAII的機制問題。下面說一個具有實際意義的例子：
/*
** FileName : RAII
** Author : Jelly Young
** Date : 2013/11/24
** Description : More information, please go to http://www.dbjr.com.cn
*/
#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 ) // 非常感謝益可達犀利的review 2014.04.13
{
}
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;
}
這個例子可以說是實際項目的一個模型，當多個進程訪問臨界變量時，為了不出現(xiàn)錯誤的情況，需要對臨界變量進行加鎖；上面的例子就是使用的Windows的臨界區(qū)域實現(xiàn)的加鎖。但是，在使用CRITICAL_SECTION時，EnterCriticalSection和LeaveCriticalSection必須成對使用，很多時候，經(jīng)常會忘了調用LeaveCriticalSection，此時就會發(fā)生死鎖的現(xiàn)象。當我將對CRITICAL_SECTION的訪問封裝到MyLock類中時，之后，我只需要定義一個MyLock變量，而不必手動的去顯示調用LeaveCriticalSection函數(shù)。
上述的兩個例子都是RAII機制的應用，理解了上面的例子，就應該能理解了RAII機制的使用了。
使用RAII的陷阱
在使用RAII時，有些問題是需要特別注意的。容我慢慢道來。
先舉個例子：
#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;
}
這個例子是在上個例子上的基礎上進行修改的。添加了一個DoComplex函數(shù)，在線程中調用該函數(shù)，該函數(shù)很普通，但是，該函數(shù)的參數(shù)就是我們封裝的類。你運行該代碼，就會發(fā)現(xiàn)，加入了該函數(shù)，對gGlobal全局變量的訪問整個就亂了。你有么有想過，這是為什么呢？網(wǎng)上很多講RAII的文章，都只是說了這個問題，但是沒有說為什么，在這里，我好好的分析一下這里。
由于DoComplex函數(shù)的參數(shù)使用的傳值，此時就會發(fā)生值的復制，會調用類的復制構造函數(shù)，生成一個臨時的對象，由于MyLock沒有實現(xiàn)復制構造函數(shù)，所以就是使用的默認復制構造函數(shù)，然后在DoComplex中使用這個臨時變量。當調用完成以后，這個臨時變量的析構函數(shù)就會被調用，由于在析構函數(shù)中調用了LeaveCriticalSection，導致了提前離開了CRITICAL_SECTION，從而造成對gGlobal變量訪問沖突問題，如果在MyLock類中添加以下代碼，程序就又能正確運行：
MyLock( const MyLock & temp )
{
EnterCriticalSection(&cs);
}
這是因為CRITICAL_SECTION 允許多次EnterCriticalSection，但是，LeaveCriticalSection必須和EnterCriticalSection匹配才能不出現(xiàn)死鎖的現(xiàn)象。
為了避免掉進了這個陷阱，同時考慮到封裝的是資源，由于資源很多時候是不具備拷貝語義的，所以，在實際實現(xiàn)過程中，MyLock類應該如下：
class MyLock
{
public:
MyLock()
{
EnterCriticalSection(&cs);
}
~MyLock()
{
LeaveCriticalSection(&cs);
}
private:
MyLock(const MyLock &);
MyLock operator =(const MyLock &);
};
這樣就防止了背后的資源復制過程，讓資源的一切操作都在自己的控制當中。如果要知道復制構造函數(shù)和賦值操作符的調用，可以好好的閱讀一下《深度探索C++對象模型這本書》。
總結
說了這么多了，RAII的本質內容是用對象代表資源，把管理資源的任務轉化為管理對象的任務，將資源的獲取和釋放與對象的構造和析構對應起來，從而確保在對象的生存期內資源始終有效，對象銷毀時資源一定會被釋放。說白了，就是擁有了對象，就擁有了資源，對象在，資源則在。所以，RAII機制是進行資源管理的有力武器，C++程序員依靠RAII寫出的代碼不僅簡潔優(yōu)雅，而且做到了異常安全。在以后的編程實際中，可以使用RAII機制，讓自己的代碼更漂亮。
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