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RAII,全稱資源獲取即初始化(英語:Resource Acquisition Is Initialization),它是在一些面向對象語言中的一種慣用法。RAII源於C++,在Java,C#,D,Ada,Vala和Rust中也有應用。1984-1989年期間,比雅尼·斯特勞斯特魯普和安德魯·柯尼希在設計C++異常時,為解決資源管理時的異常安全性而使用了該用法[1],後來比雅尼·斯特勞斯特魯普將其稱為RAII[2]。
RAII要求,資源的有效期與持有資源的對象的生命期嚴格綁定,即由對象的構造函數完成資源的分配(獲取),同時由析構函數完成資源的釋放。在這種要求下,只要對象能正確地析構,就不會出現資源泄漏問題。
RAII的主要作用是在不失代碼簡潔性[3]的同時,可以很好地保證代碼的異常安全性。
下面的C++實例說明了如何用RAII訪問文件和互斥量:
#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++保證了所有棧對象在生命周期結束時會被銷毀(即調用析構函數)[4],所以該代碼是異常安全的。無論在write_to_file函數正常返回時,還是在途中拋出異常時,都會引發write_to_file函數的堆棧回退,而此時會自動調用lock和file對象的析構函數。
當一個函數需要通過多個局部變量來管理資源時,RAII就顯得非常好用。因為只有被構造成功(構造函數沒有拋出異常)的對象才會在返回時調用析構函數[4],同時析構函數的調用順序恰好是它們構造順序的反序[5],這樣既可以保證多個資源(對象)的正確釋放,又能滿足多個資源之間的依賴關係。
由於RAII可以極大地簡化資源管理,並有效地保證程序的正確和代碼的簡潔,所以通常會強烈建議在C++中使用它。
RAII在C++中的應用非常廣泛,如C++標準庫中的lock_guard[6]便是用RAII方式來控制互斥量:
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;
};
程序員可以非常方便地使用lock_guard,而不用擔心異常安全問題
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();
}
RAII還有另外一種被稱為RRID(Resource Release Is Destruction)的特殊用法[7],即在構造時沒有「獲取」資源,但在析構時釋放資源。ScopeGuard[8]和Boost.ScopeExit[9]就是RRID的典型應用:
#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通常用於省去一些不必要的RAII封裝,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語言中,scope關鍵字也是典型的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;
}
雖然RAII和finally都能保證資源管理時的異常安全,但相對來說,使用RAII的代碼相對更加簡潔。 如比雅尼·斯特勞斯特魯普所說,「在真實環境中,調用資源釋放代碼的次數遠多於資源類型的個數,所以相對於使用finally來說,使用RAII能減少代碼量。」[10]
例如在Java中使用finally來管理Socket資源
void foo() {
Socket socket;
try {
socket = new Socket();
access(socket);
} finally {
socket.close();
}
}
在採用RAII後,代碼可以簡化為
void foo() {
try (Socket socket = new Socket()) {
access(socket);
}
}
特別是當大量使用Socket時,重複的finally就顯得沒有必要。
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