C++ 对象资源管理惯用法

原文链接http://blog.csdn.net/breakerzy/article/details/7593137

关于 C++ 对象资源管理的惯用法，note-to-self + keynote + idiom case + cross-reference 式笔记

keyword: RAII, deleter, Two-stage Initialization, pimpl, Reference Counting (RC), Copy on Write (COW), Smart Pointer (SP)

目录

• C 语言的资源管理方法
• RAII
• deleter
• Two-stage Initialization
• pimpl
• Reference Counting
• Smart Pointer
• 参考书籍

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C 语言的资源管理方法^

见 [CPP LANG] 14.4 Resource Management

e.g. Very Beginning

void copy_file(const char* src, const char* dst)
{
    FILE* srcFile = fopen(src, "r");
    if (srcFile == NULL)
        goto _RET;

    FILE* dstFile = fopen(src, "w");
    if (dstFile == NULL)
        goto _CLOSE_SRC;

    // read source file, and transform it's content.
    if (HANDLE_FAILED)
        goto _CLOSE_DST;

    // end processing
_CLOSE_DST:
    fclose(dstFile);
_CLOSE_SRC:
    fclose(srcFile);
_RET:
    return;
}

引出 Resource Management 的基本要求：

1. 离开时释放, Release before returning.
2. 按照资源的申请的相反顺序释放资源, Resources are released in the reverse order of their acquisition.

其它的资源释放手法（不建议）：

1. do-while-break 式：教条地避免使用上述 goto 式的变形
2. throw-catch 式：throw 内建类型，通常是 int, char*，效率低、代码乱

RAII^

RAII (Resource Acquisition Is Initialization) 资源申请即初始化，是 C++ 资源管理的主流技术和基石

见 [CPP LANG] 14.4.1; [EFFECT CPP] Item 13, 14; wiki: RAII
见 Stack Unwinding 堆栈回退, wiki: Call Stack

注意：

1. RAII 式类要求其组成部分（基类和成员）也是 RAII 式的，对于那些非 RAII 的部分需要手动管理资源（在析构函数中释放），如：

   • stdlib 类大多是 RAII 式的，如 iostream, string, STL container
   • MFC 的某些类是 RAII 式的，如 CWnd, CGdiObject
   • COM 接口不是 RAII 式的，需手动调用 Release 方法，但可用 CComPtr 等 SP 封装，使其成为 RAII

2. 不要让析构函数抛出异常，见 [CPP LANG] 14.4.7; [EFFECT CPP] Item 8

Sample:

• class File: FILE 的浅封装
• class ScopedBuf: scoped 型缓冲区类 (Use vector and resize to expand buffer instead.)

deleter^

见 [EFFECT CPP] Item 14; [BOOST TUTORIAL] 3.4.8

deleter 删除器：如果资源不限于内存分配型，则需要用一种灵活的、统一的方法指定资源的释放操作，如 TR1/Boost 的 shared_ptr 的构造函数第二个参数指定 deleter

Sample:

• a batch of deleters: 可配置 Check（检查是已释放）和 Zeroed（释放后置零），释放操作包括 delete, delete[], free, Release (COM), CloseHandle, fclose

Two-stage Initialization^

见 Two Stage Construction in C++ versus Initializing Constructors, RAII in C++, Google C++ Style Guide: Doing Work in Constructors 中文翻译

Two-stage Initialization/Construction (abbr. 2-stage init) 两阶段初始化/构造:

1. stage 1, 调用构造函数，初始化对象本体
2. stage 2, 调用对象的 init 方法，初始化对象涉及的资源，这里的 init 是形式名，例如 fstream::open, auto_ptr::reset, CWnd::Create 是 init 的具现名。CWnd::Create 的 2-stage 是强制的（MFC 风格），而 fstream 和 auto_ptr 可用 init，也可用构造函数

Why 2-stage init? 或者说它能带来什么好处：

1. 可复用对象本体

2. 对象数组初始化。因为没有语法指定初始化数组时，每个单元该如何构造（POD 例外，可用 {} 初始化每个单元），只能统一地用默认构造函数初始化，然后对每个单元调用 init 初始化

   替代方法：用放置式 placement new + 构造函数代替 init，std::allocator::construct 使用这种手法，更多 placement new 见 [EFFECT CPP] Item 52; [MEFFECT CPP] Item 8

3. 如何说明对象初始化后的状态，如报告初始化过程的错误：

   1. init 方法可用返回值表示。Google C++ Style 倾向使用这种方法：构造函数 (init stage 1) 只做简单初始化，称为 trivial init。真正有意义的 non-trivial init 在 init 方法中进行。这是因为 Google C++ Style 不建议使用异常系统

   2. 构造函数通常用抛出异常的方法。我一般用这种方法，而不用 2-stage init，我觉得 2-stage init fucked RAII。当然，当初始化错误的预期较高，并且是效率敏感处的大量对象初始化时，2-stage init 是优选

   3. 设置对象内的状态描述变量，适用于构造函数和 init。不建议用设置对象状态变量的方法 3，除非对象本身有较强的 state-driven 特点

More about 2-stage init:

1. public init vs. private init

   只有 public init 是为了 2-stage init 的目的，而 private init 是另外一个东西，它多半是为了将多个重载的构造函数之公共部分抽成一个 init 函数以减少代码

2. init vs. re-init

   当用户使用 init 时，其实际的语义是 re-init 吗？即执行过程：

   1. 先判断对象是否已分配资源，如果是，则需释放
   2. 申请新的资源

   于是：RAII 让资源管理变简单，而使用 2-stage init 又让事情变复杂

3. init vs. ctor

   考虑两种方法的效率 (pseudocode)：

   1. 使用构造函数：

      // d 是 for 的 scoped 型对象, 下面情况都会销毁 d
      // 1. 条件退出 2. break 退出
      // 3. 每次迭代结束 4. continue 结束本次迭代
      for (int i = 0; i < NUM; i++) {
          Data d(dataFile);
          d.process();
      }

   2. 使用 init：

      // 设 init 是 re-init 式的
      Data d;
      for (int i = 0; i < NUM; i++) {
          d.init(dataFile);
          d.process();
      }

   init 赚不了什么便宜，而使用构造函数的版本可籍由 拖延构造对象手法 获利，见 [EFFECT CPP] Item 26

pimpl^

见 [EFFECT CPP] Item 14, 25, 29, 31

pimpl (Pointer to Implementation) 实质是实现 (Implementation) 和封装 (Wrapper) 分离，Bjarne 习惯把 Implementation 叫做 表示 (Representation)

注意：

1. 开销：

   空间开销变小：只有 pimpl 指针
   时间开销变大：多了解引操作

2. 施行拷贝 (assgin, copy ctor) 的方式：

   1. Shallow Copy 浅拷贝：仅拷贝 pimpl 指针，例如标准 SP：auto_ptr, share_ptr
      浅拷贝使 wrapper 具有引用语义 (Reference Semantics)，如果想使浅拷贝具有值语义，可用 RC + COW (Copy on Write) 写时复制手法

   2. Deep Copy 深拷贝：拷贝 pimpl 所指物
      深拷贝使 wrapper 具有值语义 (Value Semantics)，又拷贝语义

Reference Counting^

见 [EFFECT CPP] Item 13, 14; [MEFFECT CPP] Item 17, 29

Reference Counting (RC) 引用计数

一般不用从零写 RC 类，只要类中包含 RC 的组成部分即可，如利用 share_ptr 成员

Sample:

• class Person: RC + COW 简单示例

• class String: 改自 [CPP LANG] 11.12 A String Class

  技术：pimpl, RC, COW, Proxy class。Proxy class 用以区分 operator[] 的读写语义：R-value Usage vs. L-value Usage，见 [MEFFECT CPP] Item 17, 30

  功能：值语义的 string 类示例，没有模板化之 CharType、CharTraits 和 Allocator

  Bjarne: That done, we can throw away our exercises and use the standard library string. (Ch.20)

Smart Pointer^

见 [CPP LANG] 11.10 Dereferencing, 14.4.2 auto_ptr; [EFFECT CPP] Item 13, 14, 15, 17, 18; [MEFFECT CPP] Item 28; [BOOST TUTORIAL] 3.1~3.7

Smart Pointer (SP) 智能指针是一种 Delegation of Raw Pointer 机制，技术上等于：RAII + pimpl + Ownership Semantics 所有权语义

常用 SP 助记（来自 stdlib/Boost/TR1）：

1. _ptr vs. _array 后缀

   ptr 型托管单体对象 (new)，array 型托管对象数组 (new[])
   array 型有 [] 操作（不检查下标范围），没有 *, -> 操作
   array 型可用 vector 或 ptr 型 + vector 代替

2. scoped 型

   所有权：Monopolize 独占，又 Noncopyable
   注意：不能用于值语义之 STL 容器的元素

3. auto 型

   所有权：Transfer 转移，又 Distructive Copy 破坏性拷贝
   注意：不能用于值语义之 STL 容器的元素

4. shared 型

   所有权：Share 共享，又 RCSP (Reference-Counting Smart Pointer) 引用计数型智能指针
   特点：支持 deleter, Cross-DLL, Raw Pointer 访问
   注意：Cycles of References 环状引用问题

   见 <boost/make_shared.hpp> 的 make_shared

5. weak_ptr

   所有权：Observe 观察
   特点：伪 SP，不独立使用，而是配合 shared_ptr 使用以解决环状引用问题

   见 <boost/enable_shared_from_this.hpp> 的 shared_from_this

6. intrusive_ptr

   特点：size 和 raw pointer 相同，利用被托管对象已有的 RC 机制（侵入式）

7. CComPtr, CComQIPtr

   ATL 中托管 COM 接口的 SP，均派生自 CComPtrBase，自动执行 COM 引用计数 AddRef 和 Release。CComQIPtr 使用 QueryInterface (QI) 根据指定 IID 查询并获得 COM 接口。

Sample:

• class AutoPtr, AutoArr: 可指定上文所述 deleter 的 auto 型 SP

参考书籍^

• [CPP LANG] "C++ Programming Language, Special Ed", Bjarne Stroustrup
• [EFFECT CPP] "Effective C++, 3Ed", Scott Meyers
• [MEFFECT CPP] "More Effective C++", Scott Meyers
• [BOOST TUTORIAL]《Boost 程序库完全开发指南》，罗剑锋