RAII-资源获取即初始化

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c++经验之谈一：RAII原理介绍

1.什么是RAII

RAII（Resource Acquisition Is Initialization）是由c++之父Bjarne Stroustrup提出的，中文翻译为资源获取即初始化，他说：使用局部对象来管理资源的技术称为资源获取即初始化；这里的资源主要是指操作系统中有限的东西如内存、网络套接字等等，局部对象是指存储在栈的对象，它的生命周期是由操作系统来管理的，无需人工介入；

2.RAII的原理

资源的使用一般经历三个步骤a.获取资源 b.使用资源 c.销毁资源，但是资源的销毁往往是程序员经常忘记的一个环节，所以程序界就想如何在程序员中让资源自动销毁呢？c++之父给出了解决问题的方案：RAII，它充分的利用了C++语言局部对象自动销毁的特性来控制资源的生命周期。给一个简单的例子来看下局部对象的自动销毁的特性：

#include <iostream>
using namespace std;
class person {
  public:
      person(const std::string name = "", int age = 0) : 
      name_(name), age_(age) {
            std::cout << "Init a person!" << std::endl;
      }
      ~person() {
            std::cout << "Destory a person!" << std::endl;
      }
      const std::string& getname() const {
            return this->name_;
      }    
      int getage() const {
            return this->age_;
      }      
  private:
      const std::string name_;
      int age_;  
};
int main() {
    person p;
    return 0;
}

编译并运行：

# g++ person.cpp -o person
# ./person

运行结果：

Init a person!
Destory a person!

从person class可以看出，当我们在main函数中声明一个局部对象的时候，会自动调用构造函数进行对象的初始化，当整个main函数执行完成后，自动调用析构函数来销毁对象，整个过程无需人工介入，由操作系统自动完成；于是，很自然联想到，当我们在使用资源的时候，在构造函数中进行初始化，在析构函数中进行销毁。整个RAII过程我总结四个步骤：

a.设计一个类封装资源

b.在构造函数中初始化

c.在析构函数中执行销毁操作

d.使用时声明一个该对象的类

3.RAII的应用

本节主要通过一个简单的例子来说明如何将RAII应用到我们的代码中。linux下经常会使用多线程技术，说到多线程，就得提到互斥锁，互斥锁主要用于互斥，互斥是一种竞争关系，用来保护临界资源一次只被一个线程访问，按照我们前面的分析，我们封装一下POSIX标准的互斥锁：

#include <pthread.h>
#include <cstdlib>
#include <stdio.h>

class Mutex {
 public:
  Mutex();
  ~Mutex();

  void Lock();
  void Unlock(); 

 private:
  pthread_mutex_t mu_;

  // No copying
  Mutex(const Mutex&);
  void operator=(const Mutex&);
};


#include "mutex.h"

static void PthreadCall(const char* label, int result) {
  if (result != 0) {
    fprintf(stderr, "pthread %s: %s
", label, strerror(result));
  }
}

Mutex::Mutex() { PthreadCall("init mutex", pthread_mutex_init(&mu_, NULL)); }

Mutex::~Mutex() { PthreadCall("destroy mutex", pthread_mutex_destroy(&mu_)); }

void Mutex::Lock() { PthreadCall("lock", pthread_mutex_lock(&mu_)); }

void Mutex::Unlock() { PthreadCall("unlock", pthread_mutex_unlock(&mu_)); }

写到这里其实就可以使用Mutex来锁定临界区，但我们发现Mutex只是用来对锁的初始化和销毁，我们还得在代码中调用Lock和Unlock函数，这又是一个对立操作，所以我们可以继续使用RAII进行封装，代码如下：

#include "mutex.h"

class  MutexLock {
 public:
  explicit MutexLock(Mutex *mu)
      : mu_(mu)  {
    this->mu_->Lock();
  }
  ~MutexLock() { this->mu_->Unlock(); }

 private:
  Mutex *const mu_;
  // No copying allowed
  MutexLock(const MutexLock&);
  void operator=(const MutexLock&);
};

到这里我们就真正封装了互斥锁，下面我们来通过一个简单的例子来使用它，代码如下：

#include "mutexlock.hpp"
#include <unistd.h>
#include <iostream>

#define    NUM_THREADS     10000

int num=0;
Mutex mutex;

void *count(void *args) {
    MutexLock lock(&mutex);
    num++;
}

int main() {
    int t;
    pthread_t thread[NUM_THREADS];

    for( t = 0; t < NUM_THREADS; t++) {   
        int ret = pthread_create(&thread[t], NULL, count, NULL);
        if(ret) {   
            return -1;
        }   
    }

    for( t = 0; t < NUM_THREADS; t++)
        pthread_join(thread[t], NULL);
    std::cout << num << std::endl;
    return 0;
}

编译并运行：

# g++ test_mutexlock.cpp mutexlock.hpp mutex.cpp mutex.h -o test_mutexlock -lpthread

# ./test_mutexlock

运行结果：10000  符合预期（可以去掉MutexLock lock(&mutex);试试看看结果如何？）

RAII

基本介绍

RAII，也称为“资源获取就是初始化”，是c++等编程语言常用的管理资源、避免内存泄露的方法。它保证在任何情况下，使用对象时先构造对象，最后析构对象。

分类

根据RAII对资源的所有权可分为常性类型和变性类型，代表者分别是boost::shared_ptr<> 和std::auto_ptr<> ；从所管资源的初始化位置上可分为外部初始化类型和内部初始化类型。

常性类型是指获取资源的地点是构造函数，释放点是析构函数，并且在这两点之间的一段时间里，任何对该RAII类型实例的操纵都不应该从它手里夺走资源的所有权。变性类型是指可以中途被设置为接管另一个资源，或者干脆被置为不拥有任何资源。外部初始化类型是指资源在外部被创建，并被传给RAII实例的构造函数，后者进而接管了其所有权。boost::shared_ptr<>和std::auto_ptr<>都是此类型。与之相对的是内部初始化类型。

其中，常性且内部初始化的类型是最为纯粹的RAII形式，最容易理解，最容易编码。

实际应用

每当处理需要配对的获取/释放函数调用的资源时，都应该将资源封装在一个对象中，实现自动资源释放。例如，我们无需直接调用一对非成员函数OpenPort/ClosePort，而是可以考虑定义常性且内部初始化的RAII概念的“端口”操作类：

class Port{
public:
	Port(const string& destination);//调用OpenPort
	~Port();//调用ClosePort
};

void DoSomething(){
	Port port1(“server1:80”);
	...
}

shared_ptr<Port> port2 = /*…*/; //port2在最后一个引用它的shared_ptr离开作用域后关闭

通过使用上述RAII类型，可以避免程序员忘记关闭端口而引起的泄漏，还可以确保异常发生时栈展开过程中自动释放端口资源。

与STL容器

STL容器是基于值语义的，在容器内部，对象是常被复制的。如果RAII类型需要存入STL容器，需要作一些处理。

class Resource
{
public:
    Resource() {/*分配资源*/}
    ~ Resource() {/*释放资源*/}
private:
    int handle;
};
std::map< Identifier, Resource > resourceMap;

以上代码中STL容器对Resource的复制将导致运行期错误。最好的方法是让RAII类型继承于boost::noncopyable，而后在容器中使用引用计数的指针：

class Resource : public boost::noncopyable
{
public:
    Resource() {/*分配资源*/}
    ~ Resource() {/*释放资源*/}
private:
    int handle;
};
typedef boost::shared_ptr<Resource> PointerToResourceType;
typedef std::map< Identifier, PointerToResourceType> ResourceMapType;

ResourceMapType resourceMap;

作为替代，还可以使用非拷贝行为的容器：boost::ptr_map<Identifier,Resource> map;