【代码质量】RAII在C++编程中的必要性

2023-05-16

文章目录

1 前言
2 什么是RAII
3 为什么用RAII
4 RAII应用
5 小结

1 前言

C/C++相比其他高级编程语言，具有指针的概念，指针即是内存地址。C/C++可以通过指针来直接访问内存空间，效率上的提升是不言而喻的，是其他高级编程语言不可比拟的；比如访问内存一段数据，通过指针可以直接从内存空间读取数据，避免了中间过程函数压栈、数据拷贝甚至消息传输等等。

内存交给程序员管理，是存在隐患的；申请了内存，因为意外原因而没有释放，即导致内存泄漏；系统长期运行后因申请不到可用内存而导致异常，甚至崩溃。为了避免内存泄漏，C/C++程序员发明各类方法以检测或者避免内存泄漏。RAII就是一个C++规范标准，遵循该标准，以尽可能避免内存泄漏。

2 什么是RAII

RAII全称为Resource Acquisition Is Initialization，由C++发明者Bjarne Stroustrup提出的设计理念；中文可直译为资源获取即为初始化，是C++语言的一种管理资源、避免泄漏的方法标准。RAII基本原则是，资源与对象的生命周期绑定，利用C++类将由程序员管理的资源间接转换为由系统管理，程序员不需显式地释放资源，以从根本上避免内存泄漏，基本步骤包括：

自动申请资源
使用资源
自动释放资源

RAII实现过程易于理解，在创建一个对象是，构造函数用于申请资源空间，在对象生命周期内，资源可用正常访问；对象超出作用域或者生命周期结束后（释放），系统调用析构函数释放已申请的资源。

3 为什么用RAII

将由程序员管理的资源转换为由系统管理
避免内存泄漏
良好的编程约束标准

4 RAII应用

RAII典型的应用例子就是C++11引入的智能指针、类模板锁，以解决内存泄漏、死锁问题。

智能指针
类模板lock_guard

以一个“申请—释放”内存的最常用过程为例：

常规写法，确保函数所有出口都释放申请的内存

int main(int argc, char * * argv)
{ 
    int *p = NULL;
    bool condition0 = false;
    bool condition1 = false; 
    
    p = new int();

    /* todo */

    if (condition0)
    {
        delete p;
        return -1;    
    }

    if (condition1)
    {
        delete p;
        return -1; 
    }

   delete p;

   return 0;
}

因为中途退出函数，（忘记）未释放内存，导致内存泄漏

int main(int argc, char * * argv)
{ 
    int *p = NULL;
    bool condition0 = false;
    bool condition1 = false;
        
    p = new int();

    /* todo */

    if (condition0)
    {
        return -1;     /* 可能导致内存泄漏 */
    }

    if (condition1)
    {
        return -1 ;     /* 可能导致内存泄漏 */
    }
    
    delete p;

    return 0;
}

引入RAII类，将内存交给系统管理

class new_raii
{  
public:  
    explicit new_raii(std::function<void()> fun):delete_fun(fun)
    {
        std::cout << "call constrcutor fun" << std::endl;
    }
    
    ~new_raii() 
    { 
        std::cout << "call destrcutor fun" << std::endl;
        delete_fun();   /* 调用释放资源函数 */
    }
private:  
    std::function<void()> delete_fun; 
};

RAII完整示例

#include <iostream>
#include <functional>

class new_raii
{  
public:  
    explicit new_raii(std::function<void()> fun):delete_fun(fun)
    {
        std::cout << "call constrcutor fun" << std::endl;
    }
    
    ~new_raii() 
    { 
        std::cout << "call destrcutor fun" << std::endl;
        delete_fun();   /* 调用释放资源函数 */
    }
private:  
    std::function<void()> delete_fun; 
}; 

int main(int argc, char * * argv)
{ 
    int *p = NULL;
    bool condition0 = true;
    bool condition1 = false; 
    
    p = new int();

	/* 将申请内存交给raii类对象管理 */
    new_raii([&]
        {
            std::cout << "call delete fun" << std::endl;
            delete p;
        }	/* 指定删除资源函数 */
    );	
    
    /* todo */
    if (condition0)
    {
        return -1;    
    }

    if (condition1)
    {
        return -1; 
    }

   return 0;
}

编译执行结果：

acuity@ubuntu:/home/RAII$ g++ raii.cpp -o raii -std=c++11
acuity@ubuntu:/home/RAII$ ./raii
call constrcutor fun
call destrcutor fun
call delete fun
acuity@ubuntu:/home/RAII$

从结果看，无论函数何时退出，都无需显示调用delete释放申请的内存。只要类对象生命周期结束，即调用析构函数释放内存。

5 小结

RAII本质是将资源和对象生命周期绑定，将资源管理任务转化为对象管理任务，资源的申请和释放由系统自动调用构造和析构函数实现；将程序员管理的资源间接转为由系统管理。

内存是系统资源之一，除此之外，其他系统资源如申请了，没有及时释放，同样会导致“资源泄漏”。对于其他系统资源，也可以参考RAII原则，确保系统的稳定性。内存是最直接接触的资源，不限于内存，常用系统资源及异常现象包括：

文件描述符fd
open了文件描述符，没有及时close，导致系统文件描述符用尽。
互斥锁
互斥锁资源的使用不当，导致死锁产生。
socket套接字
socket套接字用尽，导致创建socket失败。
端口、进程、线程、文件等等有限的资源

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