RAII 资源获取即初始化

kiki
Jan 1, 0001 blog

概念

资源获取即初始化（Resource Acquisition Is Initialization），或称 RAII，是一种 C++ 编程技术，它将必须在使用前请求的资源（分配的堆内存、执行线程、打开的套接字、打开的文件、锁定的互斥体、磁盘空间、数据库连接等——任何存在受限供给中的事物）的生命周期绑定与一个对象的生存期相绑定。

使用 RAII

  • RAII 保证资源可用于任何会访问该对象的函数（资源可用性是一种类不变式，这会消除冗余的运行时测试）。它亦保证所有资源在其控制对象的生存期结束时，以获取顺序的逆序释放。类似地，若资源获取失败（构造函数以异常退出），则为已构造完成的对象和基类子对象所获取的所有资源，会以初始化顺序的逆序释放。这有效地利用了语言特性（对象生存期、退出作用域、初始化顺序以及栈回溯）以消除内存泄漏并保证异常安全。根据 RAII 对象的生存期在退出作用域时结束这一基本状况，此技术的另一名称是作用域界定的资源管理（ Scope-Bound Resource Management，SBRM）。

  • RAII 可总结如下:

    • 将每个资源封装入一个类，其中
    • 构造函数请求资源，并建立所有类不变式，或在它无法完成时抛出异常
    • 析构函数释放资源并决不抛出异常
    • 始终经由 RAII 类的实例使用满足要求的资源，该资源
    • 自身拥有自动存储期或临时生存期，或
    • 具有与自动或临时对象的生存期绑定的生存期

  • 移动语义使得在对象间、跨作用域，以及在线程内外安全地移动所有权，而同时维护资源安全成为可能。

例子

拥有 open()/close()、lock()/unlock()，或 init()/copyFrom()/destroy() 成员函数的类是非 RAII 类的典型的例子

std::mutex m;

void bad()
{
    m.lock();                    // 请求互斥体
    f();                         // 若 f() 抛异常，则互斥体永远不被释放
    if(!everything_ok()) return; // 提早返回，互斥体永远不被释放
    m.unlock();                  // 若 bad() 抵达此语句，互斥才被释放
}

void good()
{
    std::lock_guard<std::mutex> lk(m); // RAII类：互斥体的请求即是初始化
    f();                               // 若 f() 抛异常，则释放互斥体
    if(!everything_ok()) return;       // 提早返回，互斥体被释放
}                                      // 若 good() 正常返回，则释放互斥体

标准库

  • C++ 标准库遵循 RAII 管理其自身的资源：std::string、std::vector、std::thread，以及多数其他类在构造函数中获取其资源（错误时抛出异常），并在其析构函数中释放之（决不抛出），而不要求显式清理。
  • 另外，标准库提供几种 RAII 包装器以管理用户提供的资源：
    • std::unique_ptr 及 std::shared_ptr 用于管理动态分配的内存，或以用户提供的删除器管理任何以普通指针表示的资源
    • std::lock_guard、std::unique_lock、std::shared_lock 用于管理互斥体

注解

RAII 不适用于并非在使用前请求的资源：CPU 时间、核心，以及缓存容量、熵池容量、网络带宽、电力消费、栈内存等。

参考

c++

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