C++营养（RAII）
莫华枫
动物都会摄取食物，吸收其中的营养，用于自身生长和活动。然而，并非食物中所有的物质都能为动物所吸收。那些无法消化的物质，通过消化道的另一头（某些动物消化道只有一头）排出体外。不过，一种动物无法消化的排泄物，是另一种动物（生物）的食物，后者可以从中摄取所需的营养。
一门编程语言，对于程序员而言，如同食物那样，包含着所需的养分。当然也包含着无法消化的东西。不同的是，随着程序员不断成长，会逐步消化过去无法消化的那些东西。
C++可以看作一种成分复杂的食物，对于多数程序员而言，是无法完全消化的。正因为如此，很多程序员认为C++太难以消化，不应该去吃它。但是，C++的营养不可谓不丰富，就此舍弃，而不加利用，则是莫大的罪过。好在食物可以通过加工，变得易于吸收，比如说发酵。鉴于程序员们的消化能力的差异，也为了让C ++的营养能够造福他人，我就暂且扮演一回酵母菌，把C++的某些营养单独提取出来，并加以分解，让那些消化能力不太强的程序员也能享受它的美味。:)
（为了让这些营养便于消化，我将会用C#做一些案例。选择C#的原因很简单，因为我熟悉。:)）
RAII
RAII，好古怪的营养啊！它的全称应该是“Resource Acquire Is Initial”。这是C++创始人Bjarne Stroustrup发明的词汇，比较令人费解。说起来，RAII的含义倒也不算复杂。用白话说就是：在类的构造函数中分配资源，在析构函数中释放资源。这样，当一个对象创建的时候，构造函数会自动地被调用；而当这个对象被释放的时候，析构函数也会被自动调用。于是乎，一个对象的生命期结束后将会不再占用资源，资源的使用是安全可靠的。
下面便是在C++中实现RAII的典型代码：
class file
{
public:
file(string const& name) {
m_fileHandle=open_file(name.cstr());
}
~file() {
close_file(m_fileHandle);
}
...
private:
handle m_fileHandle;
}
很典型的“在构造函数里获取，在析构函数里释放”。如果我写下代码：
void fun1() ...{
file myfile("my.txt");
... //操作文件
} //此处销毁对象，调用析构函数，释放资源
当函数结束时，局部对象myfile的生命周期也结束了，析构函数便会被调用，资源会得到释放。而且，如果函数中的代码抛出异常，那么析构函数也会被调用，资源同样会得到释放。所以，在RAII下，不仅仅资源安全，也是异常安全的。
但是，在如下的代码中，资源不是安全的，尽管我们实现了RAII：
void fun2() ...{
file pfile=new file("my.txt");
... //操作文件
}
因为我们在堆上创建了一个对象（通过new），但是却没有释放它。我们必须运用delete操作符显式地加以释放：
void fun3() ...{
file pfile=new file("my.txt");
... //操作文件
delete pfile;
}
否则，非但对象中的资源得不到释放，连对象本身的内存也得不到回收。（将来，C++的标准中将会引入GC（垃圾收集），但正如下面分析的那样，GC依然无法确保资源的安全）。
现在，在fun3()，资源是安全的，但却不是异常安全的。因为一旦函数中抛出异常，那么delete pfile;这句代码将没有机会被执行。C++领域的诸位大牛们告诫我们：如果想要在没有GC的情况下确保资源安全和异常安全，那么请使用智能指针：
void fun4() ...{
shared_ptr <file> spfile(new file("my.txt"));
... //操作文件
} //此处，spfile结束生命周期的时候，会释放（delete）对象
那么，智能指针又是怎么做到的呢？下面的代码告诉你其中的把戏（关于智能指针的更进一步的内容，请参考std::auto_ptr，boost或tr1的智能指针）：
template <typename T>
class smart_ptr
...{
public:
smart_ptr(T* p):m_ptr(p) ...{}
~smart_ptr() ...{ delete m_ptr; }
...
private:
T* m_ptr;
}
没错，还是RAII。也就是说，智能指针通过RAII来确保内存资源的安全，也间接地使得对象上的RAII得到实施。不过，这里的RAII并不是十分严格：对象（所占的内存也是资源）的创建（资源获取）是在构造函数之外进行的。广义上，我们也把它划归RAII范畴。但是，Matthew Wilson在《Imperfect C++》一书中，将其独立出来，称其为RRID（Resource Release Is Destruction）。RRID的实施需要在类的开发者和使用者之间建立契约，采用相同的方法获取和释放资源。比如，如果在shared_ptr构造时使用malloc()，便会出现问题，因为shared_ptr是通过delete释放对象的。
对于内置了GC的语言，资源管理相对简单。不过，事情并非总是这样。下面的C#代码摘自MSDN Library的C#编程指南，我略微改造了一下：
static void CodeWithoutCleanup()
...{
System.IO.FileStream file = null;
System.IO.FileInfo fileInfo = new System.IO.FileInfo("C:"file.txt");
file = fileInfo.OpenWrite();
file.WriteByte(0xF);
}
那么资源会不会泄漏呢？这取决于对象的实现。如果通过OpenWrite()获得的FileStream对象，在析构函数中执行了文件的释放操作，那么资源最终不会泄露。因为GC最终在执行GC操作的时候，会调用Finalize()函数（C#类的析构函数会隐式地转换成Finalize()函数的重载）。这是由于C#使用了引用语义（严格地讲，是对引用类型使用引用语义），一个对象实际上不是对象本身，而是对象的引用。如同C++中的那样，引用在离开作用域时，是不会释放对象的。否则，便无法将一个对象直接传递到函数之外。在这种情况下，如果没有显式地调用Close()之类的操作，资源将不会得到立刻释放。但是像文件、锁、数据库链接之类属于重要或稀缺的资源，如果等到GC执行回收，会造成资源不足。更有甚者，会造成代码执行上的问题。我曾经遇到过这样一件事：我执行了一个sql操作，获得一个结果集，然后执行下一个sql，结果无法执行。这是因为我使用的SQL Server 2000不允许在一个数据连接上同时打开两个结果集（很多数据库引擎都是这样）。第一个结果集用完后没有立刻释放，而GC操作则尚未启动，于是便造成在一个未关闭结果集的数据连接上无法执行新的sql的问题。
所以，只要涉及了内存以外的资源，应当尽快释放。（当然，如果内存能够尽快释放，就更好了）。对于上述CodeWithoutCleanup()函数，应当在最后调用file对象上的Close()函数，以便释放文件：
static void CodeWithoutCleanup()
...{
System.IO.FileStream file = null;
System.IO.FileInfo fileInfo = new System.IO.FileInfo("C:"file.txt");
file = fileInfo.OpenWrite();
file.WriteByte(0xF);
file.Close();
}
现在，这个函数是严格资源安全的，但却不是严格异常安全的。如果在文件的操作中抛出异常，Close()成员将得不到调用。此时，文件也将无法及时关闭，直到GC完成。为此，需要对异常作出处理：
static void CodeWithCleanup()
...{
System.IO.FileStream file = null;
System.IO.FileInfo fileInfo = null;
try
...{
fileInfo = new System.IO.FileInfo("C:"file.txt");
file = fileInfo.OpenWrite();
file.WriteByte(0xF);
}
catch(System.Exception e)
...{
System.Console.WriteLine(e.Message);
}
finally
...{
if (file != null)
...{
file.Close();
}
}
}
try-catch-finally是处理这种情况的标准语句。但是，相比前面的C++代码fun1()和fun4()繁琐很多。这都是没有RAII的后果啊。下面，我们就来看看，如何在C#整出RAII来。
一个有效的RAII应当包含两个部分：构造/析构函数的资源获取/释放和确定性的析构函数调用。前者在C#中不成问题，C#有构造函数和析构函数。不过， C#的构造函数和析构函数是不能用于RAII的，原因一会儿会看到。正确的做法是让一个类实现IDisposable接口，在IDisposable:: Dispose()函数中释放资源：
class RAIIFile : IDisposable
...{
public RAIIFile(string fn) ...{
System.IO.FileInfo fileInfo = new System.IO.FileInfo(fn);
file = fileInfo.OpenWrite();
}
public void Dispose() ...{
file.Close();
}
private System.IO.FileStream file = null;
}
下一步，需要确保文件在退出作用域，或发生异常时被确定性地释放。这项工作需要通过C#的using语句实现：
static void CodeWithRAII()
...{
using(RAIIFile file=new RAIIFile("C:"file.txt"))
...{
... //操作文件
} //文件释放
}
一旦离开using的作用域，file.Dispose()将被调用，文件便会得到释放，即便抛出异常，亦是如此。相比CodeWithCleanup ()中那坨杂乱繁复的代码，CodeWithRAII()简直可以算作赏心悦目。更重要的是，代码的简洁和规则将会大幅减少出错可能性。值得注意的是 using语句只能作用于实现IDisposable接口的类，即便实现了析构函数也不行。所以对于需要得到RAII的类，必须实现 IDisposable。通常，凡是涉及到资源的类，都应该实现这个接口，便于日后使用。实际上，.net库中的很多与非内存资源有关的类，都实现了 IDisposable，都可以利用using直接实现RAII。
但是，还有一个问题是using无法解决的，就是如何维持类的成员函数的RAII。我们希望一个类的成员对象在该类实例创建的时候获取资源，而在其销毁的时候释放资源：
class X
...{
public:
X():m_file("c:\file.txt") ...{}
private:
File m_file; //在X的实例析构时调用File::~File()，释放资源。
}
但是在C#中无法实现。由于uing中实例化的对象在离开using域的时候便释放了，无法在构造函数中使用：
class X
...{
public X() ...{
using(m_file=new RAIIFile("C:\file.txt"))
...{
}//此处m_file便释放了，此后m_file便指向无效资源
}
pravite RAIIFile m_file;
}
对于成员对象的RAII只能通过在析构函数或Dispose()中手工地释放。我还没有想出更好的办法来。
至此，RAII的来龙去脉已经说清楚了，在C#里也能从中汲取到充足的养分。但是，这还不是RAII的全部营养，RAII还有更多的扩展用途。在《Imperfect C++》一书中，Matthew Wilson展示了RAII的一种非常重要的应用。为了不落个鹦鹉学舌的名声，这里我给出一个真实遇到的案例，非常简单：我写的程序需要响应一个Grid 控件的CellTextChange事件，执行一些运算。在响应这个事件（执行运算）的过程中，不能再响应同一个事件，直到处理结束。为此，我设置了一个标志，用来控制事件响应：
class MyForm
...{
public:
MyForm():is_cacul(false) ...{}
...
void OnCellTextChange(Cell& cell) ...{
if(is_cacul)
return;
is_cacul=true;
... //执行计算任务
is_cacul=false;
}
private:
bool is_cacul;
};
但是，这里的代码不是异常安全的。如果在执行计算的过程中抛出异常，那么is_cacul标志将永远是true。此后，即便是正常的 CellTextChange也无法得到正确地响应。同前面遇到的资源问题一样，传统上我们不得不求助于try-catch语句。但是如果我们运用 RAII，则可以使得代码简化到不能简化，安全到不能再安全。我首先做了一个类：
class BoolScope
...{
public:
BoolScope(bool& val, bool newVal)
:m_val(val), m_old(val) ...{
m_val=newVal;
}
~BoolScope() ...{
m_val=m_old;
}
private:
bool& m_val;
bool m_old;
};
这个类的作用是所谓“域守卫（scoping）”，构造函数接受两个参数：第一个是一个bool对象的引用，在构造函数中保存在m_val成员里；第二个是新的值，将被赋予传入的那个bool对象。而该对象的原有值，则保存在m_old成员中。析构函数则将m_old的值返还给m_val，也就是那个 bool对象。有了这个类之后，便可以很优雅地获得异常安全：
class MyForm
...{
public:
MyForm():is_cacul(false) ...{}
...
void OnCellTextChange(Cell& cell) ...{
if(is_cacul)
return;
BoolScope bs_(is_cacul, true);
... //执行计算任务
}
private:
bool is_cacul;
};
好啦，任务完成。在bs_创建的时候，is_cacul的值被替换成true，它的旧值保存在bs_对象中。当OnCellTextChange()返回时，bs_对象会被自动析构，析构函数会自动把保存起来的原值重新赋给is_cacul。一切又都回到原先的样子。同样，如果异常抛出，is_cacul 的值也会得到恢复。
这个BoolScope可以在将来继续使用，分摊下来的开发成本几乎是0。更进一步，可以开发一个通用的Scope模板，用于所有类型，就像《Imperfect C++》里的那样。
下面，让我们把战场转移到C#，看看C#是如何实现域守卫的。考虑到C#（.net）的对象模型的特点，我们先实现引用类型的域守卫，然后再来看看如何对付值类型。其原因，一会儿会看到。
我曾经需要向一个grid中填入数据，但是填入的过程中，控件不断的刷新，造成闪烁，也影响性能，除非把控件上的AutoDraw属性设为false。为此，我做了一个域守卫类，在填写操作之前关上AutoDraw，完成或异常抛出时再打开：
class DrawScope : IDisposable
...{
public DrawScope(Grid g, bool val) ...{
m_grid=g;
m_old=g->AutoDraw;
m_grid->AutoDraw=val;
}
public void Dispose() ...{
g->AutoDraw=m_old;
}
private Grid m_grid;
private bool m_old;
};
于是，我便可以如下优雅地处理AutoDraw属性设置问题：
static void LoadData(Grid g) ...{
using(DrawScope ds=new DrawScope(g, false))
...{
... //执行数据装载
}
}
现在，我们回过头，来实现值类型的域守卫。案例还是采用前面的CellTextChange事件。当我试图着手对那个is_cacul执行域守卫时，遇到了不小的麻烦。起初，我写下了这样的代码：
class BoolScope
...{
private ??? m_val; //此处用什么类型？
private bool m_old;
};
m_val应当是一个指向一个对象的引用，C#是没有C++那些指针和引用的。在C#中，引用类型定义的对象实际上是一个指向对象的引用；而值类型定义的对象实际上是一个对象，或者说“栈对象”，但却没有一种指向值类型的引用。（关于这种对象模型的优劣，后面的“题外话”小节有一些探讨）。我尝试着采用两种办法，一种不成功，而另一种成功了。
C#（.net）有一种box机制，可以将一个值对象打包，放到堆中创建。这样，或许可以把一个值对象编程引用对象，构成C#可以引用的东西：
class BoolScope : IDisposable
...{
public BoolScope(object val, bool newVal) ...{
m_val=val; //#1
m_old=(bool)val;
(bool)m_val=newVal; //#2
}
public void Dispose() ...{
(bool)m_val=m_old; //#3
}
private object m_val;
private bool m_old;
}
使用时，应当采用如下形式：
class MyForm
...{
public MyForm() ...{
is_cacul=new bool(false); //boxing
}
...
void OnCellTextChange(Cell& cell) ...{
if(is_cacul)
return;
using(BoolScope bs=new BoolScope(is_cacul, true))
...{
... //执行计算任务
}
}
private object is_cacul;
};
很可惜，此路不通。因为在代码#1的地方，并未执行引用语义，而执行了值语义。也就是说，没有把val（它是个引用）的值赋给m_val（也是个引用），而是为m_val做了个副本。以至于在代码#2和#3处无法将newVal和m_old赋予val（也就是is_cacul）。或许C#的设计者有无数理由说明这种设计的合理性，但是在这里，却扼杀了一个非常有用的idom。而且，缺少对值对象的引用手段，大大限制了语言的灵活性和扩展性。
第二种方法就非常直白了，也绝对不应当出问题，就是使用包装类：
class BoolVal
...{
public BoolVal(bool v)
...{
m_val=v;
}
public bool getVal() ...{
return m_val;
}
public void setVal(bool v) ...{
m_val=v;
}
private bool m_val;
}
class BoolScope : IDisposable
...{
public IntScope(BoolVal iv, bool v)
...{
m_old = iv.getVal();
m_Val = iv;
m_Val.setVal(v);
}
public virtual void Dispose()
...{
m_Val.setVal(m_old);
}
private BoolVal m_Val;
private bool m_old;
}
| 这里，我做了一个包装类BoolVal，是个引用类。然后以此为基础，编写了一个BoolScope类。然后，便可以正常使用域守卫： class MyForm ...{ public MyForm() ...{ m_val.setVal(false); //boxing } ... void OnCellTextChange(Cell& cell) ...{ if(is_cacul) return; using(BoolScope bs=new BoolScope(m_val, true)) ...{ ... //执行计算任务 } } private BoolVal m_val; }; 好了，一切都很不错。尽管C#的对象模型给我们平添了不少麻烦，使得我多写了不少代码，但是使用域守卫类仍然是一本万利的事情。作为GP fans，我当然也尝试着在C#里做一些泛型，以免去反复开发包装类和域守卫类的苦恼。这些东西，就留给大家做练习吧。:) 在某些场合下，我们可能会对一些对象做一些操作，完事后在恢复这个对象的原始状态，这也是域守卫类的用武之地。只是守卫一个结构复杂的类，不是一件轻松的工作。最直接的做法是取出所有的成员数据，在结束后再重新复制回去。这当然是繁复的工作，而且效率不高。但是，我们将在下一篇看到，如果运用swap手法，结合复制构造函数，可以很方便地实现这种域守卫。这我们以后再说。 域守卫作为RAII的一个扩展应用，非常简单，但却极具实用性。如果我们对“资源”这个概念加以推广，把一些值、状态等等内容都纳入资源的范畴，那么域守卫类的使用是顺理成章的事。 题外话：C#的对象模型 C#的设计理念是简化语言的学习和使用。但是，就前面案例中出现的问题而言，在特定的情况下，特别是需要灵活和扩展的时候，C#往往表现的差强人意。C# 的对象模型实际上是以堆对象和引用语义为核心的。不过，考虑到维持堆对象的巨大开销和性能损失，应用在一些简单的类型上，比如int、float等等，实在得不尝失。为此，C#将这些简单类型直接作为值处理，当然也允许用户定义自己的值类型。值类型拥有值语义。而值类型的本质是栈对象，引用类型则是堆对象。 这样看起来应该是个不错的折中，但是实际上却造成了不大不小的麻烦。前面的案例已经明确地表现了这种对象模型引发的麻烦。由于C#抛弃值和引用的差异（为了简化语言的学习和使用），那么对于一个引用对象，我们无法用值语义访问它；而对于一个值对象，我们无法用引用语义访问。对于前者，不会引发本质性的问题，因为我们可以使用成员函数来实现值语义。但是对于后者，则是无法逾越的障碍，就像在BoolScope案例中表现的那样。在这种情况下，我们不得不用引用类包装值类型，使得值类型丧失了原有的性能和资源优势。 更有甚者，C#的对象模型有时会造成语义上的冲突。由于值类型使用值语义，而引用类型使用引用语义。那么同样是对象定义，便有可能使用不同的语义： int i, j=10; //值类型 i=j; //值语义，两个对象复制内容 i=5; //i==5, j==10 StringBuilder s1, s2 = new StringBuilder("s2"); //引用类型 s1 = s2; //引用语义，s1和s2指向同一个对象 s1.Append(" is s1"); //s1==s2=="s1 is s2" 同一个形式具有不同语义，往往会造成意想不到的问题。比如，在软件开发的最初时刻，我们认为某个类型是值类型就足够了，还可以获得性能上的好处。但是，随着项目进入后期阶段，发现最初的设计有问题，值类型限制了该类型的某些特性（如不能拥有析构函数，不能引用等等），那么需要把它改成引用类型。于是便引发一大堆麻烦，需要检查所有使用该类型的代码，然后把赋值操作改成复制操作。这肯定不是讨人喜欢的工作。为此，在实际开发中，很少自定义值类型，以免将来自缚手脚。于是，值类型除了语言内置类型和.net库预定义的类型外，成了一件摆设。 相比之下，传统语言，如Ada、C、C++、Pascal等，区分引用和值的做法尽管需要初学者花更多的精力理解其中的差别，但在使用中则更加妥善和安全。毕竟学习是暂时的，使用则是永远的。 |