RAII

RAII，全称资源获取即初始化（），它是在一些面向对象语言中的一种。RAII源于C++，在Java，C#，D，Ada，Vala和Rust中也有应用。1984-1989年期间，比雅尼·斯特勞斯特魯普和在设计C++异常时，为解决时的性而使用了该用法Exception Handling for C++ , 5 Handling of Destructors，后来比雅尼·斯特勞斯特魯普将其称为RAII。

RAII要求，资源的有效期与持有资源的对象生命周期严格绑定，即由对象的构造函数完成（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，就不会出现资源泄漏问题。

作用

RAII的主要作用是在不失代码简洁性C++ FAQ, "I have too many try blocks; what can I do about it?" 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)
{
    // 建立文件的互斥鎖
    static std::mutex mutex;

    // 訪問文件前加鎖
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex);

    // 試著打開文件
    std::ofstream file("example.txt");
    if (!file.is_open())
        throw std::runtime_error("unable to open file");

    // 輸出內容
    file << message << std::endl;

    // 當離開時，文件會被解構（不管是否有異常）
    // 互斥鎖也會被解構（不管是否有異常）
}

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），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，同时析构函数的调用顺序恰好是它们构造顺序的反序C++ FAQ,  "What's the order that local objects are destructed?" ，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

RAII在C++中的应用非常广泛，如C++标准库中的lock_guardlock_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

RAII还有另外一种被称为RRID（Resource Release Is Destruction）的特殊用法，即在构造时没有“获取”资源，但在析构时释放资源。ScopeGuardAndrei Alexandrescu, Change the Way You Write Exception-Safe Code 和Boost.ScopeExitBoost.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
}

在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

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。”Bjarne Stroustrup's C++ Style and Technique FAQ . "Why doesn't C++ provide a "finally" construct?" 

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





Category:面向对象的程序设计