C++RAII机制(智能指针原理)

Posted 2022-11-26 码城

原文详细整理

C++中的RAII机制 - 码到城攻RAII机制，是C++语言的一种管理资源、避免泄漏的惯用法https://www.codecomeon.com/posts/200/

何为RAII

RAII 是 Resource Acquisition Is Initialization 的简称，是C++语言的一种管理资源、避免泄漏的惯用法。利用的就是C++构造的对象最终会被销毁的原则。RAII的做法是使用一个对象，在其构造时获取对应的资源，在对象生命期内控制对资源的访问，使之始终保持有效，最后在对象析构的时候，释放构造时获取的资源。

一个简单的例子：

#include <iostream>
using namespace std;
int main()

    int *testArray = new int [10];
    // Here, you can use the array
    delete [] testArray;
    testArray = NULL ;
    return 0;

我们使用 new 开辟的内存资源，如果我们不进行释放的话，就会造成内存泄漏。所以，在编程的时候，new和delete操作总是匹配操作的。如果总是申请资源而不释放资源，最终会导致资源全部被占用而没有资源可用的场景。但是，在实际的编程中，我们总是会各种不小心的就把释放操作忘了，就是编程的老手，在几千行代码，几万行中代码中，也会犯这种低级的错误。

再看一个例子：

#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 ;

上述这个例子的模型，在实际中是经常使用的，我们不能期待每个操作都是成功返回的，所以，每一个操作，我们需要做出判断，上述例子中，当操作失败时，然后，释放内存，返回程序。上述的代码，极度臃肿，效率下降，更可怕的是，程序的可理解性和可维护性明显降低了，当操作增多时，处理资源释放的代码就会越来越多，越来越乱。如果某一个操作发生了异常而导致释放资源的语句没有被调用，怎么办？这个时候，RAII机制就可以派上用场了。

如何使用RAII

当我们在一个函数内部使用局部变量，当退出了这个局部变量的作用域时，这个变量也就别销毁了；当这个变量是类对象时，这个时候，就会自动调用这个类的析构函数，而这一切都是自动发生的，不要程序员显示的去调用完成。这个也太好了，RAII就是这样去完成的。由于系统的资源不具有自动释放的功能，而C++中的类具有自动调用析构函数的功能。如果把资源用类进行封装起来，对资源操作都封装在类的内部，在析构函数中进行释放资源。当定义的局部变量的生命结束时，它的析构函数就会自动的被调用，如此，就不用程序员显示的去调用释放资源的操作了。

使用RAII的注意点

在使用RAII时，有些问题是需要特别注意的

先举个例子：

#include <iostream>
#include <windows.h>
#include <process.h>
using namespace std;
CRITICAL_SECTION cs;int gGlobal = 0;
class MyLockpublic:
    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;

这个例子是在上个例子上的基础上进行修改的。添加了一个DoComplex函数，在线程中调用该函数，该函数很普通，但是，该函数的参数就是我们封装的类。你运行该代码，就会发现，加入了该函数，对gGlobal全局变量的访问整个就乱了。你有么有想过，这是为什么呢？网上很多讲RAII的文章，都只是说了这个问题，但是没有说为什么，在这里，我好好的分析一下这里。

由于DoComplex函数的参数使用的传值，此时就会发生值的复制，会调用类的复制构造函数，生成一个临时的对象，由于MyLock没有实现复制构造函数，所以就是使用的默认复制构造函数，然后在DoComplex中使用这个临时变量。当调用完成以后，这个临时变量的析构函数就会被调用，由于在析构函数中调用了LeaveCriticalSection，导致了提前离开了CRITICAL_SECTION，从而造成对gGlobal变量访问冲突问题，如果在MyLock类中添加以下代码，程序就又能正确运行：

MyLock( const MyLock & temp )

    EnterCriticalSection(&cs);

这是因为CRITICAL_SECTION 允许多次EnterCriticalSection，但是，LeaveCriticalSection必须和EnterCriticalSection匹配才能不出现死锁的现象。

为了避免掉进了这个陷阱，同时考虑到封装的是资源，由于资源很多时候是不具备拷贝语义的，所以，在实际实现过程中，MyLock类应该如下：

class MyLock
public:
    MyLock()
   
        EnterCriticalSection(&cs);
   
    ~MyLock()
   
        LeaveCriticalSection(&cs);
   
private:
    MyLock(const MyLock &);
    MyLock operator =(const MyLock &);;
这样就防止了背后的资源复制过程，让资源的一切操作都在自己的控制当中。如果要知道复制构造函数和赋值操作符的调用。

总结
RAII的本质内容是用对象代表资源，把管理资源的任务转化为管理对象的任务，将资源的获取和释放与对象的构造和析构对应起来，从而确保在对象的生存期内资源始终有效，对象销毁时资源一定会被释放。说白了，就是拥有了对象，就拥有了资源，对象在，资源则在。所以，RAII机制是进行资源管理的有力武器，C++程序员依靠RAII写出的代码不仅简洁优雅，而且做到了异常安全。

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