RAII 资源获取即初始化

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::stringstd::vectorstd::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_ptrstd::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_guardstd::unique_lockstd::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

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