RAII机制和智能指针

2024-03-27 21:08

文章标签 指针智能机制 raii

本文主要是介绍RAII机制和智能指针，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

1 RAII介绍

RAII全称是Resource Acquisition Is Initialization，翻译过来是资源获取即初始化，RAII机制用于管理资源的申请和释放。对于资源，我们通常经历三个过程，申请，使用，释放，这里的资源不仅仅是内存，也可以是文件、socket、锁等等。但是我们往往只关注资源的申请和使用，而忘了释放，这不仅会导致内存泄漏，可能还会导致业务逻辑的错误，RAII就用来解决此类问题。

2 C++中的RAII使用

我们看以下例子。

std::mutex m;
void fn() 
{m.lock();                 使用资源m.unlock();                
}

上面的代码是对互斥变量的使用，我们看到加锁和解锁是成对出现的。如果我们忘了unlock那么别的线程再也无法枷锁成功，而且还会导致一直阻塞。我们看C++怎么解决这个问题。

std::mutex m;
void fn()
{std::lock_guard<std::mutex> guard(m); do_something();                            // 指向完函数后，guard会被析构，从而mutex也会被释放
}

我们看到上面的代码中，我们只需要加锁，操作资源，不需要手动解锁。那么RAII是怎么做的呢？我们看看lock_guard的实现。

template <class Mutex> 
class lock_guard {private:Mutex& mutex_;public:lock_guard(Mutex& mutex) : mutex_(mutex) { mutex_.lock(); }~lock_guard() { mutex_.unlock(); }// 禁止复制和赋值lock_guard(lock_guard const&) = delete;lock_guard& operator=(lock_guard const&) = delete;};

我们看到实现很简单，在创建一个lock_guard对象的时候，lock_guard会初始化内部字段，并且执行加锁操作。当lock_guard析构的时候，会指向解锁操作，所以借助这个类，我们就不需要关注解锁的操作了，具体的原理是利用了C++对象离开作用域后会自定执行析构函数。

3 RAII实践

3.1 文件管理

理解了使用和原理后，我们也可以利用RAII机制编写自己的类。

#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
class FD {private:int fd;public:FD(const char *s) { fd = open(s, O_RDONLY); printf("构造函数：打开文件的文件描述符：%d\n", fd);}~FD() { int ret = close(fd); printf("析构函数：关闭文件执行结果：%d\n", ret);}// 重载*运算符int operator *() {return fd;}FD(FD const&) = delete;FD& operator=(FD const&) = delete;
};int main()
{const char* filePath = "/dev/null";FD fd(filePath);// 操作资源printf("文件描述符：%d\n", *fd);return 0;// 离开作用域，自动析构，关闭fd
}

我们封装了一个文件管理类，这样我们就可以只关注打开资源，操作资源而不需要手动关闭资源了。

3.2 智能指针

我们再看一下RAII的使用场景，就是智能指针的实现。

#include<iostream>
#include<stdio.h>
using namespace std;template<class T>
class SmartPoint
{T* point;
public:SmartPoint(T *ptr = nullptr) :point(ptr) {}~SmartPoint() {if (point) {// 会调用point指向对象的的析构函数delete point;}}// 使用智能指针就像使用内部包裹的的对象一样T& operator*() { return *point; }T* operator->() { return point; }
};class Demo {public:Demo() {printf("执行构造函数\n");}~Demo() {printf("执行析构函数\n");}void show() {printf("hello\n");}
};int main() {SmartPoint<Demo> smartPoint(new Demo());smartPoint->show();Demo &demo = *smartPoint;demo.show();
}

执行上面代码输出

执行构造函数
hello
hello
执行析构函数

我们看到SmartPoint的实现中，在初始化SmartPoint的时候会传入被管理的对象，并通过重载*和->运算符实现对包裹对象的使用，最后在SmartPoint被析构的时候，也会把包裹对象的内存给析构掉。

4 RAII在Rust的应用

RAII机制和智能指针不仅在C++中使用，在新语言Rust中，同样用到了该技术。

struct Demo(u32);
// 实现Drop trait跟踪Demo的行为
impl Drop for Demo {fn drop(&mut self) {println!("执行析构");}
}
fn main() {// 分配堆内存let demo_box = Box::new(Demo(1));// 操作资源println!("{}", demo_box.0);// 自动析构
}