C++中的RAII機(jī)制詳解
前言
在寫C++設(shè)計(jì)模式——單例模式的時(shí)候，在寫到實(shí)例銷毀時(shí)，設(shè)計(jì)的GC類是很巧妙的，而這一巧妙的設(shè)計(jì)就是根據(jù)當(dāng)對(duì)象的生命周期結(jié)束時(shí)會(huì)自動(dòng)調(diào)用其析構(gòu)函數(shù)的，而這一巧妙的設(shè)計(jì)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(guān)知識(shí)。
什么是RAII？
RAII是Resource Acquisition Is Initialization的簡(jiǎn)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(gòu)造的對(duì)象最終會(huì)被銷毀的原則。RAII的做法是使用一個(gè)對(duì)象，在其構(gòu)造時(shí)獲取對(duì)應(yīng)的資源，在對(duì)象生命期內(nèi)控制對(duì)資源的訪問，使之始終保持有效，最后在對(duì)象析構(gòu)的時(shí)候，釋放構(gòu)造時(shí)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(huì)說資源，那么資源是如何定義的？在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，資源是數(shù)量有限且對(duì)系統(tǒng)正常運(yùn)行具有一定作用的元素。比如：網(wǎng)絡(luò)套接字、互斥鎖、文件句柄和內(nèi)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?cè)诰幊淌褂孟到y(tǒng)資源時(shí)，都必須遵循一個(gè)步驟：
1.申請(qǐng)資源；
2.使用資源；
3.釋放資源。
第一步和第二步缺一不可，因?yàn)橘Y源必須要申請(qǐng)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(huì)造成資源泄漏。
一個(gè)最簡(jiǎn)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(nèi)存資源，如果我們不進(jìn)行釋放的話，就會(huì)造成內(nèi)存泄漏。所以，在編程的時(shí)候，new和delete操作總是匹配操作的。如果總是申請(qǐng)資源而不釋放資源，最終會(huì)導(dǎo)致資源全部被占用而沒有資源可用的場(chǎng)景。但是，在實(shí)際的編程中，我們總是會(huì)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(huì)犯這種低級(jí)的錯(cuò)誤。
再來一個(gè)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(gè)例子的模型，在實(shí)際中是經(jīng)常使用的，我們不能期待每個(gè)操作都是成功返回的，所以，每一個(gè)操作，我們需要做出判斷，上述例子中，當(dāng)操作失敗時(shí)，然后，釋放內(nèi)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(hù)性明顯降低了，當(dāng)操作增多時(shí)，處理資源釋放的代碼就會(huì)越來越多，越來越亂。如果某一個(gè)操作發(fā)生了異常而導(dǎo)致釋放資源的語句沒有被調(diào)用，怎么辦？這個(gè)時(shí)候，RAII機(jī)制就可以派上用場(chǎng)了。
如何使用RAII？
當(dāng)我們?cè)谝粋€(gè)函數(shù)內(nèi)部使用局部變量，當(dāng)退出了這個(gè)局部變量的作用域時(shí)，這個(gè)變量也就別銷毀了；當(dāng)這個(gè)變量是類對(duì)象時(shí)，這個(gè)時(shí)候，就會(huì)自動(dòng)調(diào)用這個(gè)類的析構(gòu)函數(shù)，而這一切都是自動(dòng)發(fā)生的，不要程序員顯示的去調(diào)用完成。這個(gè)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(dòng)釋放的功能，而C++中的類具有自動(dòng)調(diào)用析構(gòu)函數(shù)的功能。如果把資源用類進(jìn)行封裝起來，對(duì)資源操作都封裝在類的內(nèi)部，在析構(gòu)函數(shù)中進(jìn)行釋放資源。當(dāng)定義的局部變量的生命結(jié)束時(shí)，它的析構(gòu)函數(shù)就會(huì)自動(dòng)的被調(diào)用，如此，就不用程序員顯示的去調(diào)用釋放資源的操作了?，F(xiàn)在，我們就用RAII機(jī)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(dá)非常犀利的review，詳細(xì)可以參加益可達(dá)在本文的評(píng)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(gè)例子沒有多大的實(shí)際意義，只是為了說明RAII的機(jī)制問題。下面說一個(gè)具有實(shí)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(dá)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(gè)例子可以說是實(shí)際項(xiàng)目的一個(gè)模型，當(dāng)多個(gè)進(jìn)程訪問臨界變量時(shí)，為了不出現(xiàn)錯(cuò)誤的情況，需要對(duì)臨界變量進(jìn)行加鎖；上面的例子就是使用的Windows的臨界區(qū)域?qū)崿F(xiàn)的加鎖。但是，在使用CRITICAL_SECTION時(shí)，EnterCriticalSection和LeaveCriticalSection必須成對(duì)使用，很多時(shí)候，經(jīng)常會(huì)忘了調(diào)用LeaveCriticalSection，此時(shí)就會(huì)發(fā)生死鎖的現(xiàn)象。當(dāng)我將對(duì)CRITICAL_SECTION的訪問封裝到MyLock類中時(shí)，之后，我只需要定義一個(gè)MyLock變量，而不必手動(dòng)的去顯示調(diào)用LeaveCriticalSection函數(shù)。
上述的兩個(gè)例子都是RAII機(jī)制的應(yīng)用，理解了上面的例子，就應(yīng)該能理解了RAII機(jī)制的使用了。
使用RAII的陷阱
在使用RAII時(shí)，有些問題是需要特別注意的。容我慢慢道來。
先舉個(gè)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(gè)例子是在上個(gè)例子上的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改的。添加了一個(gè)DoComplex函數(shù)，在線程中調(diào)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(yùn)行該代碼，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，加入了該函數(shù)，對(duì)gGlobal全局變量的訪問整個(gè)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(gè)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(shí)就會(huì)發(fā)生值的復(fù)制，會(huì)調(diào)用類的復(fù)制構(gòu)造函數(shù)，生成一個(gè)臨時(shí)的對(duì)象，由于MyLock沒有實(shí)現(xiàn)復(fù)制構(gòu)造函數(shù)，所以就是使用的默認(rèn)復(fù)制構(gòu)造函數(shù)，然后在DoComplex中使用這個(gè)臨時(shí)變量。當(dāng)調(diào)用完成以后，這個(gè)臨時(shí)變量的析構(gòu)函數(shù)就會(huì)被調(diào)用，由于在析構(gòu)函數(shù)中調(diào)用了LeaveCriticalSection，導(dǎo)致了提前離開了CRITICAL_SECTION，從而造成對(duì)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(yùn)行：
MyLock( const MyLock & temp )
{
EnterCriticalSection(&cs);
}
這是因?yàn)镃RITICAL_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(jìn)了這個(gè)陷阱，同時(shí)考慮到封裝的是資源，由于資源很多時(shí)候是不具備拷貝語義的，所以，在實(shí)際實(shí)現(xiàn)過程中，MyLock類應(yīng)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(fù)制過程，讓資源的一切操作都在自己的控制當(dāng)中。如果要知道復(fù)制構(gòu)造函數(shù)和賦值操作符的調(diào)用，可以好好的閱讀一下《深度探索C++對(duì)象模型這本書》。
總結(jié)
說了這么多了，RAII的本質(zhì)內(nèi)容是用對(duì)象代表資源，把管理資源的任務(wù)轉(zhuǎn)化為管理對(duì)象的任務(wù)，將資源的獲取和釋放與對(duì)象的構(gòu)造和析構(gòu)對(duì)應(yīng)起來，從而確保在對(duì)象的生存期內(nèi)資源始終有效，對(duì)象銷毀時(shí)資源一定會(huì)被釋放。說白了，就是擁有了對(duì)象，就擁有了資源，對(duì)象在，資源則在。所以，RAII機(jī)制是進(jìn)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(jiǎn)潔優(yōu)雅，而且做到了異常安全。在以后的編程實(shí)際中，可以使用RAII機(jī)制，讓自己的代碼更漂亮。
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