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RAII

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RAII全称为Resource Acquisition Is Initialization,它是在一些面向对象语言中的一种慣用法英语Programming idiom。RAII源于C++,在JavaC#DAdaValaRust中也有应用。1984-1989年期间,比雅尼·斯特勞斯特魯普安德鲁·柯尼希英语Andrew Koenig (programmer)在设计C++异常时,为解决資源管理英语Resource management (computing)时的異常安全英语Exception safety性而使用了该用法[1],后来比雅尼·斯特勞斯特魯普将其称为RAII[2]

RAII要求,资源的有效期与持有资源的对象的生命期英语Object lifetime严格绑定,即由对象的构造函数完成资源的分配英语Resource allocation (computer)(获取),同时由析构函数完成资源的释放。在这种要求下,只要对象能正确地析构,就不会出现资源泄露英语Resource leak问题。

作用[编辑]

RAII的主要作用是在不失代码简洁性[3]的同时,可以很好地保证代码的异常安全性。

下面的C++实例说明了如何用RAII访问文件和互斥量:

#include <string>
#include <mutex>
#include <iostream>
#include <fstream>
#include <stdexcept>
 
void write_to_file(const std::string & message)
{
    // 创建关于文件的互斥锁
    static std::mutex mutex;
 
    // 在访问文件前进行加锁
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex);
 
    // 尝试打开文件
    std::ofstream file("example.txt");
    if (!file.is_open())
        throw std::runtime_error("unable to open file");
 
    // 输出文件内容
    file << message << std::endl;
 
    // 当离开作用域时,文件句柄会被首先析构 (不管是否抛出了异常)
    // 互斥锁也会被析构 (同样地,不管是否抛出了异常)
}

C++保证了所有栈对象在生命周期结束时会被销毁(即调用析构函数)[4],所以该代码是异常安全的。无论在write_to_file函数正常返回时,还是在途中抛出异常时,都会引发write_to_file函数的堆栈回退,而此时会自动调用lock和file对象的析构函数。

当一个函数需要通过多个局部变量来管理资源时,RAII就显得非常好用。因为只有被构造成功(构造函数没有抛出异常)的对象才会在返回时调用析构函数[4],同时析构函数的调用顺序恰好是它们构造顺序的反序[5],这样既可以保证多个资源(对象)的正确释放,又能满足多个资源之间的依赖关系。

由于RAII可以极大地简化资源管理,并有效地保证程序的正确和代码的简洁,所以通常会强烈建议在C++中使用它。

典型用法[编辑]

RAII在C++中的应用非常广泛,如C++标准库中的lock_guard便是用RAII方式来控制互斥量:

template <class Mutex> class lock_guard {
private:
    Mutex& mutex_;

public:
    lock_guard(Mutex& mutex) : mutex_(mutex) { mutex_.lock(); }
    ~lock_guard() { mutex_.unlock(); }

    lock_guard(lock_guard const&) = delete;
    lock_guard& operator=(lock_guard const&) = delete;
};

程序员可以非常方便地使用lock_guard,而不用担心异常安全问题

extern void unsafe_code();  // 可能抛出异常

using std::mutex;
using std::lock_guard;

mutex g_mutex;

void access_critical_section()
{
    lock_guard<mutex> lock(g_mutex);
    unsafe_code();
}

实际上,C++标准库的实现就广泛应用了RAII,典型的如容器智能指针等。

RRID[编辑]

RAII还有另外一种被称为RRID(Resource Release Is Destruction)的特殊用法[6],即在构造时没有“获取”资源,但在析构时释放资源。ScopeGuard[7]Boost.ScopeExit就是RRID的典型应用:

#include <functional>

class ScopeGuard {
private:
    typedef std::function<void()> destructor_type;

    destructor_type destructor_;
    bool dismissed_;

public:
    ScopeGuard(destructor_type destructor) : destructor_(destructor), dismissed_(false) {}

    ~ScopeGuard()
    {
        if (!dismissed_) {
            destructor_();
        }
    }

    void dismiss() { dismissed_ = true; }

    ScopeGuard(ScopeGuard const&) = delete;
    ScopeGuard& operator=(ScopeGuard const&) = delete;
};

ScopeGuard通常用于省去一些不必要的RAII封装,例如

void foo()
{
    auto fp = fopen("/path/to/file", "w");
    ScopeGuard fp_guard([&fp]() { fclose(fp); });

    write_to_file(fp);                     // 异常安全
}

D语言中,scope关键字也是典型的RRID用法,例如

void access_critical_section()
{
    Mutex m = new Mutex;
    lock(m); 
    scope(exit) unlock(m);

    unsafe_code();                  // 异常安全
}

Resource create()
{
    Resource r = new Resource();
    scope(failure) close(f);

    preprocess(r);                  // 抛出异常时会自动调用close(r)
    return r;
}

與finally的比較[编辑]

虽然RAII和finally都能保证资源管理时的异常安全,但相对来说,使用RAII的代码相对更加简洁。 如比雅尼·斯特劳斯特鲁普所说,“在真实环境中,调用资源释放代码的次数远多于资源类型的个数,所以相对于使用finally来说,使用RAII能减少代码量。”[8]

例如在Java中使用finally来管理Socket资源

void foo() {
    Socket socket;
    try {
        socket = new Socket();
        access(socket);
    } finally {
        socket.close();
    }
}

在采用RAII后,代码可以简化为

void foo() {
    try (Socket socket = new Socket()) {
        access(socket);
    }
}

特别是当大量使用Socket时,重复的finally就显得没有必要。

参考资料[编辑]

  1. ^ Exception Handling for C++, 5 Handling of Destructors
  2. ^ Stroustrup 1994,chpt. 16.5 Resource Management. I called this technique “resource acquisition is initialization.”
  3. ^ C++ FAQ, "I have too many try blocks; what can I do about it?" 互联网档案馆存檔,存档日期[日期錯誤] (5),.
  4. ^ 4.0 4.1 Stroustrup 2000,chpt. 14.4.1 Using Constructors and Destructors.
  5. ^ C++ FAQ, "What's the order that local objects are destructed?" 互联网档案馆存檔,存档日期[日期錯誤] (5),.
  6. ^ Wilson 2004,chpt. 3.4 RRID.
  7. ^ Andrei Alexandrescu, Change the Way You Write Exception-Safe Code
  8. ^ Bjarne Stroustrup's C++ Style and Technique FAQ. "Why doesn't C++ provide a "finally" construct?"