C++ RAII （Resource Acquisition Is Initialization）

 

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RAII是C++的发明者Bjarne Stroustrup提出的概念，RAII全称是“Resource Acquisition is Initialization”，直译过来是“资源获取即初始化”，也就是说在构造函数中申请分配资源，在析构函数中释放资源。因为C++的语言机制保证了，当一个对象创建的时候，自动调用构造函数，当对象超出作用域的时候会自动调用析构函数。所以，在RAII的指导下，我们应该使用类来管理资源，将资源和对象的生命周期绑定。

 

智能指针（std::shared_ptr和std::unique_ptr）即RAII最具代表的实现，使用智能指针，可以实现自动的内存管理，再也不需要担心忘记delete造成的内存泄漏。

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资源管理 -- 微软亚洲研究院的同学的文本：

说到Native Languages就不得不说资源管理，因为资源管理向来都是Native Languages的一个大问题，其中内存管理又是资源当中的一个大问题，由于堆内存需要手动分配和释放，所以必须确保内存得到释放，对此一般原则是“谁分配谁负责释放”，但即便如此仍然还是经常会导致内存泄漏、野指针等等问题。更不用说这种手动释放给API设计带来的问题（例如Win32 API WideCharToMultiByte就是一个典型的例子，你需要提供一个缓冲区给它来接收编码转换的结果，但是你又不能确保你的缓冲区足够大，所以就出现了一个两次调用的pattern，第一次给个NULL缓冲区，于是API返回的是所需的缓冲区的大小，根据这个大小分配缓冲区之后再第二次调用它，别提多别扭了）。

托管语言们为了解决这个问题引入了GC，其理念是“内存管理太重要了，不能交给程序员来做”。但GC对于Native开发也常常有它自己的问题。而且另一方面Native界也常常诟病GC，说“内存管理太重要了，不能交给机器来做”。

C++也许是第一个提供了完美折衷的语言（不过这个机制直到C++11的出现才真正达到了易用的程度），即：既不是完全交给机器来做，也不是完全交给程序员来做，而是程序员先在代码中指定怎么做，至于什么时候做，如何确保一定会得到执行，则交由编译器来确定。

首先是C++98提供了语言机制：对象在超出作用域的时候其析构函数会被自动调用。接着，Bjarne Stroustrup在TC++PL里面定义了RAII（Resource Acquisition is Initialization）范式（即：对象构造的时候其所需的资源便应该在构造函数中初始化，而对象析构的时候则释放这些资源）。RAII意味着我们应该用类来封装和管理资源，对于内存管理而言，Boost第一个实现了工业强度的智能指针，如今智能指针（shared_ptr和unique_ptr）已经是C++11的一部分，简单来说有了智能指针意味着你的C++代码基中几乎就不应该出现delete了。

不过，RAII范式虽然很好，但还不足够易用，很多时候我们并不想为了一个CloseHandle, ReleaseDC, GlobalUnlock等等而去大张旗鼓地另写一个类出来，所以这些时候我们往往会因为怕麻烦而直接手动去调这些释放函数，手动调的一个坏处是，如果在资源申请和释放之间发生了异常，那么释放将不会发生，此外，手动释放需要在函数的所有出口处都去调释放函数，万一某天有人修改了代码，加了一处return，而在return之前忘了调释放函数，资源就泄露了。理想情况下我们希望语言能够支持这样的范式：

void foo()
{
    HANDLE h = CreateFile(...);

    ON_SCOPE_EXIT { CloseHandle(h); }

    ... // use the file
}

ON_SCOPE_EXIT里面的代码就像是在析构函数里面的一样：不管当前作用域以什么方式退出，都必然会被执行。

实际上，早在2000年，Andrei Alexandrescu 就在DDJ杂志上发表了一篇文章，提出了这个叫做ScopeGuard 的设施，不过当时C++还没有太好的语言机制来支持这个设施，所以Andrei动用了你所能想到的各种奇技淫巧硬是造了一个出来，后来Boost也加入了ScopeExit库，不过这些都是建立在C++98不完备的语言机制的情况下，所以其实现非常不必要的繁琐和不完美，实在是戴着脚镣跳舞（这也是C++98的通用库被诟病的一个重要原因），再后来Andrei不能忍了就把这个设施内置到了D语言当中，成了D语言特性的一部分（最出彩的部分之一）。

再后来就是C++11的发布了，C++11发布之后，很多人都开始重新实现这个对于异常安全来说极其重要的设施，不过绝大多数人的实现受到了2000年Andrei的原始文章的影响，多多少少还是有不必要的复杂性，而实际上，将C++11的Lambda Function和std::function结合起来，这个设施可以简化到脑残的地步：

class ScopeGuard
{
public:
    explicit ScopeGuard(std::function onExitScope) //构造函数的入参是函数指针
        : onExitScope_(onExitScope), dismissed_(false)
    { }

    ~ScopeGuard()
    {
        if(!dismissed_)
        {
            onExitScope_(); //在析构函数中调用函数指针指向的函数
        }
    }

    void Dismiss()
    {
        dismissed_ = true;
    }

private:
    std::function onExitScope_;//函数指针
    bool dismissed_;

private: // noncopyable
    ScopeGuard(ScopeGuard const&);
    ScopeGuard& operator=(ScopeGuard const&);
};

这个类的使用很简单，你交给它一个std::function，它负责在析构的时候执行，绝大多数时候这个function就是lambda，例如：

HANDLE h = CreateFile(...);
ScopeGuard onExit( [&] { CloseHandle(h); } );  //入参是lambda表达式，[&]表示以引用的方式将同scope的参数(这里是h)传给lambda表达式的函数体。

onExit在析构的时候会忠实地执行CloseHandle。为了避免给这个对象起名的麻烦（上面这行代码中对象的名字是onExit）（如果有多个变量，起名就麻烦大了），可以定义一个宏，把行号混入变量名当中，这样每次定义的ScopeGuard对象都是唯一命名的。

#define SCOPEGUARD_LINENAME_CAT(name, line)  name##line
#define SCOPEGUARD_LINENAME(name, line)  SCOPEGUARD_LINENAME_CAT(name, line)

#define ON_SCOPE_EXIT(callback)  ScopeGuard SCOPEGUARD_LINENAME(EXIT, __LINE__)(callback) // __LINE__：在源代码中插入当前源代码//行号EXIT啥意思？ 

 

Dismiss()函数也是Andrei的原始设计的一部分，其作用是为了支持rollback模式，例如：

ScopeGuard onFailureRollback([&] { /* rollback */ });
... // do something that could fail
onFailureRollback.Dismiss();

在上面的代码中，“do something”的过程中只要任何地方抛出了异常，rollback逻辑都会被执行。如果“do something”成功了，onFailureRollback.Dismiss()会被调用，设置dismissed_为true，阻止rollback逻辑的执行。

ScopeGuard是资源自动释放，以及在代码出错的情况下rollback的不可或缺的设施，C++98由于没有lambda和tr1::function的支持，ScopeGuard不但实现复杂，而且用起来非常麻烦，陷阱也很多，而C++11之后立即变得极其简单，从而真正变成了每天要用到的设施了。C++的RAII范式被认为是资源确定性释放的最佳范式（C#的using关键字在嵌套资源申请释放的情况下会层层缩进，相当的不能scale），而有了ON_SCOPE_EXIT之后，在C++里面申请释放资源就变得非常方便

Acquire Resource1
ON_SCOPE_EXIT( [&] { /* Release Resource1 */ })

Acquire Resource2
ON_SCOPE_EXIT( [&] { /* Release Resource2 */ })
…

这样做的好处不仅是代码不会出现无谓的缩进，而且资源申请和释放的代码在视觉上紧邻彼此，永远不会忘记。更不用说只需要在一个地方写释放的代码，下文无论发生什么错误，导致该作用域退出我们都不用担心资源不会被释放掉了。我相信这一范式很快就会成为所有C++代码分配和释放资源的标准方式，因为这是C++十年来的演化所积淀下来的真正好的部分之一。

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Ref:

https://www.cnblogs.com/jiangbin/p/6986511.html

http://mindhacks.cn/2012/08/27/modern-cpp-practices/

http://mindhacks.cn/2012/08/27/modern-cpp-practices/